316L 不銹鋼管材內(nèi)壓爆破性能的研究

劉 洋，馬海濱，黃 恒，王占偉，翟劍晗

（1.中廣核研究院有限公司ATF 研發(fā)項(xiàng)目部，廣東 深圳 518000；2.深圳核電站高安全性事故容錯燃料技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518000）

目前，世界常見的核電站堆型有壓水堆，沸水堆、重水堆和快中子堆等，其中大多結(jié)構(gòu)部件均采用不同類型鋼材，如：304L、316L、321H 和Cr-Ni 型雙相不銹鋼等，因此鋼材的可靠性直接影響核電站運(yùn)行安全［1-4］。尤其是引領(lǐng)未來核電發(fā)展的第四代先進(jìn)核電技術(shù)，更是將改進(jìn)型高性能鋼材作為許多關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的候選材料，它們處于溫度更高、輻照損傷更為強(qiáng)烈、腐蝕環(huán)境更為復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境［5-7］，對鋼材性能提出更為苛刻的要求。

文章采用核電中應(yīng)用較為廣泛的316L 不銹鋼管材作為研究對象，對目前研究較少的內(nèi)壓爆破性能進(jìn)行研究，為后續(xù)316L 不銹鋼改性提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)一步推動其在核電領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)材料為316L 不銹鋼管材，材料名義化學(xué)成分見表1。

表1 316L 不銹鋼名義化學(xué)成分（wt.%）

依據(jù)ASTM B811-02（2007）內(nèi)壓爆破標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)壓爆破試驗(yàn)管材需滿足長徑比大于10，樣品尺寸長22 cm，外徑9.5 mm，壁厚0.8 mm。316L 不銹鋼管材樣品如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

內(nèi)壓爆破試機(jī)采用液氣復(fù)合加載模式加壓，溫度低于400 ℃，采用高溫硅油加載；溫度高于400 ℃時，采用Ar 氣進(jìn)行加壓。試驗(yàn)升壓速率為13.8 MPa/min，試驗(yàn)溫度分別為室溫、350 ℃、400 ℃、600 ℃。試驗(yàn)后對破口周長進(jìn)行測量（破口周長不包含開口長度）。采用Gemini SEM500 場發(fā)射電子顯微鏡對爆破破口微觀形貌進(jìn)行分析。

圖1 316L 不銹鋼管材樣品

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)壓爆破曲線

不同溫度316L 管材壓力-時間曲線如圖2 所示。可以看出，隨著溫度升高，爆破壓力逐漸下降。室溫時，管材爆破壓力為109.4 MPa；溫度升高至350 ℃時，爆破壓力降為85.1 MPa；進(jìn)一步升高溫度至400 ℃，爆破壓力降為81.9 MPa；溫度為600 ℃時，爆破曲線平穩(wěn)性有所下降，加載后期升壓速率有所下降，總體滿足試驗(yàn)升壓速率要求。相比于400 ℃試驗(yàn)，爆破壓力進(jìn)一步降為69.4 MPa。

2.2 爆破強(qiáng)度

式中：Qz為周向強(qiáng)度，MPa；P 為管材內(nèi)壓力，MPa；D為管材直徑減去平均壁厚，mm；t 為管材最小壁厚，mm。

試驗(yàn)件平均外徑尺寸、壁厚、最小壁厚、爆破壓力和周向強(qiáng)度列于表2 中。可以看出，隨著溫度升高，周向強(qiáng)度逐漸下降，但在600 ℃高溫時，仍保持一定強(qiáng)度。室溫時，周向強(qiáng)度為558.6 MPa；溫度升高至350 ℃時，周向強(qiáng)度降至439.1 MPa；進(jìn)一步升高溫度至400 ℃，周向強(qiáng)度降至417.5 MPa；溫度為600 ℃時，周向強(qiáng)度下降至355.9 MPa。

圖2 316L 不銹鋼管材不同溫度內(nèi)壓爆破曲線

表2 316L 不銹鋼爆破數(shù)據(jù)

2.3 破口分析

圖3 為316L 不銹鋼管材破口宏觀和微觀形貌圖。宏觀破口可以看出，管材破口均為軸向撕裂，且隨著溫度升高，破口撕裂程度加劇。破口微觀形貌分析可以看出，不同溫度下管材破口均存在不同數(shù)量、大小的韌窩，韌窩是金屬材料韌性斷裂的主要特征，表明316L 不銹鋼管材在不同試驗(yàn)溫度下均具有較好的韌性。

破口腫脹變形數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 破口腫脹變形數(shù)據(jù)

由于試驗(yàn)件破口部分在爆破過程（尤其是氣壓爆破）中受到損壞，故破口腫脹變形數(shù)據(jù)僅具有一定的參考性。

3 結(jié)果與分析

文章針對316L 不銹鋼管材內(nèi)壓爆破和高溫拉伸性能進(jìn)行研究，得出結(jié)論如下：

（1）316L 不銹鋼管材具有較好的周向強(qiáng)度。隨溫度升高，周向強(qiáng)度逐漸降低，600 ℃時，周向強(qiáng)度仍保持355.9 MPa。

（2）SEM 結(jié)果分析表明，不同溫度下管材破口均存存在不同數(shù)量、大小的韌窩，表明316L 不銹鋼管材具有較好的韌性。

圖3 316L 不銹鋼管材破口宏觀和微觀形貌圖