T∕CNS 4-2018 核电厂金属材料高温高压水中腐蚀疲劳试验方法.pdf

ICS77.040.10H22T/CNS42018Testmethodforcorrosionfatigueinhightemperaturepressurizedwaterofmetallicmaterialsfornuclearpowerplants2018-03-152018-05-30T/CNS420181范 围2规 范 性 引 用 文 件3术 语 和 定 义4试 验 仪 器 和 设 备5试 样 制 备 和 要 求6试 验 条 件 和 步 骤7数 据 处 理8质 量 保 证9试 验 报 告36777T/CNS42018前言本标准按照GB/T1.1一2009给岀的规则起草。本标准由中国核学会提出。本标准由核工业标准化研究所归口。本标准起草单位：中国科学院金属研究所、核工业标准化研究所、国家电投集团科学技术研究院、中国核动力研究设计院、上海交通大学。本标准主要起草人：韩恩厚、谭季波、吴欣强、张宏伟、白亚奎、王家贞、姜峨、杜东海。T/CNS42 0 1 8核电厂金属材料高温高压水中腐蚀疲劳试验方法1范 围本标准规定了核电厂高温高压水条件下金属材料试样轴向应变和位移控制腐蚀疲劳试验的方法和相关技术要求。本标准适用于具有一定标距长度的圆形、矩形横截面试样在3601以下水介质中轴向应变和位移控制腐蚀疲劳试验。产品构件和其他特殊形状试样的高温高压水疲劳试验可参照本标准执行。2规 范 性 引 用 文 件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T150.42011压力容器第4部分：制造、检验和验收GB/T30752008金 属 材 料 疲 劳 试 验 轴 向 力 控 制 方 法GB/T152482008金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法GB/T20120.12006金 属 和 合 金 的 腐 蚀 腐 蚀 疲 劳 试 验 第1部 分:循 环 失 效 试 验3术 语 和 定 义GB/T152482008,GB/T20120.12006和GB/T30752008界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3 . 1疲劳寿命fatiguelife峰值拉应力下降至最大峰值拉应力的75%所对应的循环周次。3.2应变速率strainrate应变范围的两倍与频率的乘积。4试 验 仪 器 和 设 备4 . 1高 压 釜4.1.1高压釜釜体、釜盖应采用不锈钢或镍基合金等耐蚀合金制造。釜体一般为整体，特殊情况下允许施焊，但应进行无损检测。4.1.2釜体与釜盖之间及釜上引出的各测试孔均应具有良好的密封性能，在试验过程中不应有泄漏现象。4.1.3可以模拟典型轻水堆核电站服役循环水环境，可在360C、20MPa以下环境中长期稳定运行。4.1.4高压釜应设有安全保护装置，并定期检查安全保护装置的可靠性。T/CNS420184.1.5应参照GB/T150.4-2011的规定对釜体、釜盖等高温承压构件进行无损检测，经检测合格后方可使用。4.1.6试样架宜采用耐高温耐腐蚀材料制造，如采用奥氏体不锈钢、镍基合金等材料制成。4.1.7图1给出了推荐采用的高温高压循环水系统和高压釜的结构示意图。4.1.8推荐采用的高压釜应配备有相应的外部冷却水循环系统，以保护位移传感器、力传感器、密封圈及其他不耐高温试验部件。4 . 2加 载 系 统4.2.1高压釜需配备疲劳机加载系统，推荐试验装置配备压力平衡系统，平衡釜内水压对拉伸杆施加的压力。4.2.2在高温高压水环境下能够实现力控制、应变控制或者位移控制加载模式。4.2.3能够加载三角波、正弦波和梯形波等波形。4.2.4图1给出了推荐的加载系统示意图。排气阀SSFT:蛛丨加热炉高压釜试样-流量计v离子交换树脂床水罐背压阀溶解氧电导_稳压器PH安全阀i预热器!冷凝器f应变监测系统热交换器02N2疲劳机高压泵循环栗典型的高温高压循环水腐蚀疲劳试验系统图4 . 3加 热 及 控 温 装 置4.3.1宜采用电加热方式加热。4.3.2加热装置及控温仪器应具有满足试验要求的升温速度，在试验温度下能长期保温，并且稳定、可靠、操作方便。尽量保持高压釜内温度均匀，并确保高压釜内热电偶在试样附近，实时监测试样处试验温度。4 . 3.3控 温 精 度1C。4.4应变监测系统在疲劳试验过程中，可采用线性可变差动变压位移传感器或应变引伸计等方法原位实时监测试样在高温高压水中的应变，测量精度一般应优于5pm或者5%。2T/CNS420185试 样 制 备 和 要 求5 . 1试 样 的 材 料 要 求试样材料为核电厂用金属材料，包括碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢、镍基合金、锆合金等，取样应具有代表性。5 . 2试 样 的 形 状 尺 寸5 . 2.1圆 形 横 截 面 试 样通常试样可采取如图2所示的在平行部分与夹持端具有切向过渡圆弧的圆形横截面试样。试样形状尺寸、同轴度等要求按GB/T152482008的规定执行。5.2.2矩形横截面试样如受原材料形状、尺寸大小限制，不能制成圆形横截面试样，亦可采用平行部分与夹持端具有切向过渡圆弧的矩形横截面试样，如图3所示。试样形状尺寸、同轴度等要求按GB/T15248-2008的规定执行。5 . 3试 样 夹 持 方 式5.3.1圆形横截面试样，推荐夹持方式如图4所示，由末端台阶型圆形横截面试样、一对半圆形颈圈、底座、样品台、螺栓组成。半圆形颈圈、试样、底座通过台阶方式配合安装，通过螺栓与样品台连接，在疲劳过程中能够稳定对疲劳试样施加载荷。其他能够保证试样对中性、对试样提供稳定夹持力的夹持方式亦可采用。5.3.2矩形横截面试样，推荐夹持方式如图5所示，由疲劳试样、夹块、欧姆夹、底座、样品台、螺栓组成。利用欧姆夹与夹块夹持疲劳试样，夹块、底座通过台阶方式配合安装，通过螺栓与样品台连接，在疲劳过程中能够稳定对疲劳试样施加载荷。其他能够保证试样对中性、对试样提供稳定夹持力的夹持方式亦可采用。5.4试样加工试样的取样部位和取向应按有关标准或双方协议，所采用的机加工在试样表面产生的残余应力和加工硬化应尽可能小，宜按GB/T152482008的规定执行。5 . 5表 面 粗 糙 度宜采用水磨砂纸或纱布沿试样纵向进行机械拋光，标距段表面粗糙度一般应优于0.8pm，亦可根据需求决定。5 . 6试 样 保 存疲劳试样应妥善保存，尤其是易氧化的低合金钢、碳钢等材料，需在干燥皿中密封保存，防止试样氧化、受杂质污染。3t/d圆形横截面试样/3rr/2矩形横截面试样.r+iT/CNS42018%。说明：标距段直径；过渡段圆弧半径。d说明：厚度T标距段长度;标距段宽度；夹持段宽度。HW4Z/Aiv/H图图T/CNS42018说明：疲劳试样；半圆形颈圈;2底座3样品台4螺栓。5图4圆 形 横 截 面 试 样 夹 持 方 式5T/CNS42018说明：疲劳试样;夹块2欧姆夹3底座4样品台5螺栓。6图5矩 形 横 截 面 试 样 夹 持 方 式6试 验 条 件 和 步 骤6 . 1溶 液 配 制6.1.1采 用 电 导 率 小 于1fiS/cm的去离子水或蒸馏水配制试验溶液。6.1.2根据试验要求，采用分析纯级试剂配制试验溶液。6 . 2试 验 条 件6.2.1对于动态循环高压釜，溶液应充满高压釜腔，压力高于该溶液饱和蒸汽压。6.2.2调节高压泵选择合适的溶液流量，应确保高压釜内溶液在1h内至少更换1次。6.2.3升温速度宜控制在70C/h100C/h。6.3试验步骤6.3.1将试样安装在夹具上，安装后同轴度良好，确保疲劳试验数据有效。6T/CNS420186.3.2在试样上安装原位应变监测系统。6.3.3高压釜拧紧后，将试验溶液配制好后注人储水罐及高压釜中，并按具体试验要求调节压力、流量、溶解氧。6.3.4确认测温、测压及安全保护装置均处于正常状态后，开始加压并达到压力设定值，确认无泄漏后开始加热升温。6.3.5当温度、压力稳定到试验目标值后，设置疲劳机试验位移、应变速率、加载波形等参数，开始疲劳试验。6.3.6当峰值拉应力到达稳定值后，设置试验终止条件，如峰值拉应力下降至最大峰值拉应力的75%时停止。6.3.7试验结束后，将试样取出93C口保存。7数 据 处 理7 . 1试 验 结 果 有 效 性 判 定疲劳裂纹萌生于疲劳试样标距段内，且疲劳试样无明显弯扭变形，则试验结果有效。7 . 2数 据 处 理 方 法 和 要 求7.2.1记录试样标距段表面疲劳裂纹宏观形貌。7.2.2选择典型的疲劳试样，分析疲劳断口形貌，宜在液氮中冷却后敲断，利用扫描电镜记录疲劳裂纹源、裂纹扩展区等的形貌特征。7.2.3需要时，将获得的疲劳数据汇总，绘制相应的应变-疲劳寿命（S-N)曲线。一般获得S-N曲线需要4个以上不同应变幅条件下的疲劳寿命，且每个实验至少重复3次。典型的高温高压循环水腐蚀疲劳S-N曲线如图6所示。8质 量 保 证8 . 1试 验 人 员 要 求高温高压水腐蚀疲劳试验人员应经过培训且满足以下要求：a)能熟练操作疲劳机，设置预定的应变幅、应变速率、应变比和加载波形；b)能熟练操作高压釜的升降，高压釜硬密封拧紧程序；c)能熟练操作高温高压循环水系统，如溶解氧、电导率等水化学参数设置、高压釜内压力调节、高压釜内温度调节等的控制；d)能熟练安装、卸装疲劳试样。8 . 2试 验 系 统 校 准 要 求按照相关规定定期对疲劳机力传感器、位移传感器、高精度线性可变差动变压位移传感器、高压釜热电偶、预热器热电偶、溶解氧探头、压力传感器、pH探头等进行计量标定，并在有效期内使用。9试 验 报 告试验报告应包括但不限于以下内容:a)本 标 准 编 号；0.10.05101010105010疲劳寿命图6典 型 的 高 温 高 压 循 环 水 腐 蚀 疲 劳S-iV曲 线8T/CNS42018b)材料名称、热处理状态和拉伸性能；c)试样形状尺寸、表面状态、取样位置、取样方向；d)试验参数，如：应变幅值、应变速率、应变比、加载波形、温度、压力、溶解氧浓度;e)试验结果，包括疲劳数据、疲劳裂纹形貌、断口形貌等f)试验异常记录g)试验人员和日期。;。/0/藝制MICS77.040.10H22AssociationStandardofChineseNuclearSocietyT/CNS42018Testmethodforcorrosionfatigueinhightemperaturepressurizedwaterofmetallicmaterialsfornuclearpowerplants核电厂金属材料高温高压水中腐蚀疲劳试验方法(EnglishTranslation)Issuedate:2019-05-27Implementationdate：2019-09-01IssuedbyChineseNuclearSocietyT/CNS42018ForewordChineseNuclearSocietyisinchargeofthisEnglishtranslation.Incaseofanydoubtaboutthecon-tentsofEnglishtranslation,theChineseoriginalshallbeconsideredauthoritative.ThisstandardisdraftedinaccordancewiththerulesgivenintheGB/T1.12009DirectivesforstandardizationPart1:Structureanddraftingofstandards.ThisstandardwasproposedbyChineseNuclearSociety.ThisstandardwaspreparedbyInstituteforStandardizationofNuclearIndustry.10T/CNS42018Testmethodforcorrosionfatigueinhightemperaturepressurizedwaterofmetallicmaterialsfornuclearpowerplants1ScopeThisstandardspecifiesthetestmethodandrelatedtechnicalrequirementsforcorrosionfatiguetestofmetallicmaterialsspecimeninhightemperaturehighpressurewater,includingstraincontrolandstrokecontrolmodes.Thisstandardisapplicabletocorrosionfatiguetestforspecimenswithcircularandrectangularcrosssectionofacertaingaugelengthinwaterbelow360C,includingstraincontrolandstrokecontrolmodes.Componentsandotherspecialshapespecimensmaybetestedaccordingtothisstandard.2NormativereferencesThefollowingreferenceddocumentsareindispensablefortheapplicationofthisdocument.Fordatedreference,onlytheeditioncitedapplies.Forundatedreference,thelatesteditionoftherefer-encedocument(includinganyamendments)applies.GB/T150.42011,PressurevesselsPart4：Fabrication,inspectionandtesting,andacceptanceGB/T30752008,MetallicmaterialsFatiguetestingAxial-force-controlledmethodGB/T152482008，Thetestmethodforaxialloadingconstant-amplitudelow-cyclefatigueofmetallicmaterialsGB/T20120.12006,CorrosionofmetalsandalloysCorrosionfatiguetestingPart1:Cyclestofailuretesting3TermsanddefinitionsForthepurposesofthisdocument,thetermsanddefinitionsgiveninGB/T152482008,GB/T20120.12006andGB/T30752008andthefollowingapply.11T/CNS420183.1fatiguelifethenumberofcyclesfortensilestresstodrop25%fromitspeakvalue3.2strainratetwotimesofstrainrangemultipliedbyfrequency4Apparatus4.1Autoclave4.1.1Thebodyandcoverofanautoclaveshallbemadeofcorrosion-resistantalloyssuchasstain-lesssteelandnickel-basedalloy.Ingeneral,theautoclavebodyshouldbeintegral,andweldingisal-lowedunderspecialcircumstancesbutnon-destructivetestisrequired.4.1.2Thecontactsurfacebetweenautoclavebodyanditscovershallbesealed,aswellastheholesthroughthecover.Noleakageispermittedduringthetest.4.1.3Itcansimulatethetypicallightwaterreactorenvironmentandrunsteadilyforalongtimeinhightemperaturewaterbelow360Cand20MPa.4.1.4Safetyprotectiondevicesarerequiredfortheautoclave,andtheyshallbeinspectedregular-ly.4.1.5Non-destructivetestsforautoclavebody,coverandothertemperatureandpressurebearingcomponentsarerequiredasspecifiedinGB/T150.4 2011，andtheautoclavecanonlybeusedifitisacceptable.4.1.6Thespecimenholderintheautoclaveisrecommendedtobemadeofhigh-temperature-resist-antandcorrosion-resistantmaterialssuchasstainlesssteelandnickel-basedalloy.4.1.7Figure1showsaschematicdiagramofarecommendedhightemperaturehighpressurewatercirculationsystemandanautoclavestructure.4.1.8Coolingwatercirculationloopisrequiredfortheautoclavetoprotectthedisplacementsor，forcesensor,sealandotherdevicesthatarenothightemperatureresistant.sen-12T/CNS420184.2Loadingsystem4.2.1Theautoclaveneedstobeequippedwithafatiguemachine.Itisrecommendedthattheperimentalsystemisequippedwithapressurebalancedevicetokeepthespecimenfromadditionalstress.ex-4.2.2Thefatiguemachinecanprovideloadcontrol，straincontrolorstrokecontrolmodeinhightemperaturehighpressurewaterenvironment.4.2.3Thefatiguemachinecanprovideloadingoftriangularwave,sinewave,trapezoidwave,etc.4.2.4Figure1showsaschematicdiagramofarecommendedloadingsystem.4.3Heatingandtemperaturecontroldevice4.3.1Electricalheatingisrecommended.4.3.2Heatingandtemperaturecontroldeviceshouldhaveasuitableheatingratetomeetthetestrequirement,keepthetesttemperatureforlongperiod,andbestable,reliableandeasytooperate.Thetemperatureintheautoclaveshouldbedistributedhomogeneously.Thethermalcoupleshouldbeplacednearthespecimentomonitorthespecimentemperatureinstantaneously.4.3.3Thetemperatureaccuracyshouldbecontrolledwithin1C.4.4StrainmonitoringsystemThestrainofspecimenshallbemonitoredduringfatiguetestinhightemperaturehighpressurewa-ter.Itisreconmmendedtouselinearvariabledifferentialtransformer(LVDT)sensororstrainexten-sometertomonitorthestrain.Themeasurementaccuracyshallbebetterthan5nmor5%.ftVentvalve-Tl；oAlon|THeatingAutoclave-SpecimenFlowmeterexchangeresin|TankBackpressureregulator1Pre-heaterDOIStabilizerConSafetyvalveCoolmypHIif-StrainImonitorinZJsystemHeatexchangerN,o2H-23rr/2KeyTthethicknessLthelengthofthegaugesectionHthewidthofthegaugesectionWthewidthoftheclampingsectionFigure3Specimenwithrectangularcrosssection15T/CNS420185.5SurfaceroughnessItisrecommendedtousewaterproofabrasivepaperorpolishingclothtomechanicallypolishthespecimensurfaceinaxisdirection.Thesurfaceroughnessofgaugesectionshallbelowerthan0.8orinaccordancewiththerequirement.5.6SpecimenstorageTopreventspecimensfrombeingoxidizedorcontaminated,theyshouldbebestoredinasuitableenvironment,suchasinadesiccator,especiallyforcarbonsteelandlowalloysteel.冬。z:1SMdKeydthediameterofgaugesectionrtheradiusoftransitionarcFigure2Specimenwithcircularcrosssectioni-fliZmv/HT/CNS42018NOTE：1specimenwithcircularcrosssection；2cylindricalsplitcollar；3bodyoffixture；4specimenholder；5bolts.Figure4SchematicofclampingmethodforspecimenwithcircularcrosssectionNOTE：1specimenwithrectangularcrosssection；2cylindricalchuck；3ohmchuck；4bodyoffixture；5specimenholder；6bolts.Figure5Schematicofclampingmethodforspecimenwithrectangularcrosssection16T/CNS420186Testconditionandprocedure6.1Solutionpreparation6.1.1Deionizedordistilledwaterwithaconductivitylessthan1MS/CIDshallbeusedtopreparethetestsolution.6.1.2Analyticalreagentsarerecommendedtopreparethesolutioninaccordancewiththetestre-quirement.6.2Testcondition6.2.1Fordynamiccirculationautoclave,itschambershallbefilledwithsolution.Theappliedpres-sureshallbehigherthanitssaturatedvaporpressure.6.2.2Adjusthighpressurepumptogettheappropriateflowtoensurethesolutionintheautoclaveberecycledatleastonceperhour.6.2.3Theheatingrateisrecommendedas700C/h100C/h.6.3Testingprocedure6.3.1data.Thespecimenshallbeinstalledwithaxialitygoodenoughtoensurethevalidityoffatiguetest6.3.2Astrainmonitoringdeviceshallbeinstalledonthespecimen.6.3.3Thetestsolutionispumpedintotheautoclaveaftertheautoclaveissealed.Pressure,flowrateanddissolvedoxygenconcentrationshallbeadjustedaccordingtotestrequirement.6.3.4Aftercheckingallthetemperatureandpressuremeasuringandprotectiondevices,raisethepressuretothesetvalue,andthenstartheatingafterconfirmingthereisnoleakage.6.3.5Afterthetemperatureandpressurearestableatthetargetvalue,setteststrokeorstrainamplitude,strainrate,loadingwaveonthefatiguemachine,andthenstartfatiguetest.6.3.6Afterthetensilestressisstable,setthetestterminationcondition,forexample,thetensilestressdropsto75%ofthepeaktensilestress.6.3.7Afterthefatiguetestisfinished,removeandstorethespecimen.17T/CNS420187Testdataprocessing7.1ValidityoftestresultsThetestresultsarevalidonlyifthefatiguecrackinitiatesatthegaugeregionandthefatiguespeci-menhasnoobviousbendingandtorsion.7.2Testdataprocessing7.2.1Themacroscopicmorphologyoffatiguecrackonspecimensurfaceshallberecorded.7.2.2Atypicalfatiguespecimenshallbechosenanditsfatiguefracturesurfacemorphologyshallbeanalyzed.Itisrecommendedtobreakapartthetestedspecimeninliquidnitrogen.Themorphologycharacteristicsoffatiguecrack,includingcrackintiationandpropagationregion,shallberecordedbyscanningelectronmicroscope.7.2.3Ifnecesarry,thefatiguedatashallbefittedtoobtainthestrain-fatiguelife(S-N)curve.Gen-erally,fatiguedatashallbeobtainedatleast4differentstrainamplituelevelsandeachexperimentshallberepeatedatleast3times.Figure6showsatypicalS-Ncurveformetallicmaterialtestedinhightemperaturehighpressurewater.8Qualityassurance8.1TestpersonnelrequirementTestpersonnelshouldbetrainedandmeetthefollowingrequirements.a)Beabletooperatethefatiguemachineandsettheteststrainamplitude,strainrate,strainratioandloadingwaveonthefatiguemachine.b)Beskillfulintheoperationoftheautoclave.c)Beabletooperatethehightemperaturehighpressurecirculatingwatersystem,adjustinternalpressure,temperature,dissolvedoxygenconcentration,conductivity,etc.d)BeAbletoinstallandremovethefatiguespecimen.8.2TestsystemcalibrationrequirementTheforcetransducer,displacementsensor,LVDTsensor,thermocouple,dissolvedoxygensensor,pressuresensorandpHsensorshallbecheckedorcalibratedregularlyaccordingtorelevantrequire-ments.180.051041010105010-FatiguelifeFigure6TypicalS-NcurveformetallicmaterialtestedinhightemperaturehighpressurewaterT/CNS420189TestreportThistestreportshallcontainbutnotlimitedtothefollowingcontents.a)thisstandardnumber；b)specimenmaterial,itsheattreatmentconditionandtensileproperties；c)specimenshapeanddimension,surfacecondition,samplinglocationanddirection；d)testparameters，suchasstrainamplitde，strainrate,strainratio,loadingwave,temperature,pressure，anddissolvedoxygenconcentration；e)testresults,includingfatiguedata,fatiguecrackandfracturesurfacemorphology；f)testanomalyrecord；g)testeranddate.%/3T3nlul-s.IJS中国核学会团体标准核电厂金属材料局温局压水中腐蚀疲劳试验方法T/CNS42018中 国 标 准 出 版 社 出 版 发 行北京市朝阳区和平里西街甲2号（100029)北京市西城区三里河北街16号（100045)网址：服务热线：400-168-001020 2 0年1 0月 第 一 版书号：1550665-2340版 权 专 有 侵 权 必 究T/CNS4-20188L0OSJ寸SZU/H