薄壁管高溫爆破試驗(yàn)裝置研制及應(yīng)用

韓志博，楊洪廣，張建通

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

在核電迅速發(fā)展的形勢下，對(duì)核電廠燃料組件(燃料元件)和燃料相關(guān)組件(控制棒、可燃毒物棒等)的安全要求越來越高。壓水堆核電廠燃料組件和燃料相關(guān)組件在整個(gè)設(shè)計(jì)壽期內(nèi)都處于高溫、高壓、強(qiáng)中子輻照、流體的振動(dòng)與沖刷、壓力波動(dòng)等非常苛刻的條件下，在整個(gè)設(shè)計(jì)壽期內(nèi)應(yīng)保持結(jié)構(gòu)的完整性[1-3]。燃料元件及燃料相關(guān)組件的包殼管作為承受高壓部件和放射性物質(zhì)包容的第一道屏障，將直接決定燃料元件及相關(guān)組件棒的完整性和安全性。

美國、法國、日本、韓國等核電發(fā)達(dá)國家對(duì)燃料包殼管(Zr-4、Zirlo、M5、HANA等)在模擬壓水堆失水事故(LOCA)工況下進(jìn)行了大量研究，尤其是高燃耗燃料元件包殼管在模擬LOCA工況下的高溫爆破試驗(yàn)研究[4-7]，美國開展了316L不銹鋼包殼管在模擬LOCA溫度條件下的瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗(yàn)[8]。國內(nèi)針對(duì)鋯合金包殼管開展了室溫爆破和運(yùn)行工況下的高溫爆破試驗(yàn)研究。張長義等[9]、周靜等[10]、彭繼華等[11]開展了M5合金和N36合金包殼管及田春燕等[12]、陳波全等[13]、溫敦古等[14]開展了Zr-4合金和兩種其他鋯合金包殼管的室溫爆破及運(yùn)行工況下的等溫高溫爆破試驗(yàn)研究；黃玉才等[15]開展了Zr-4合金包殼管在模擬LOCA工況下的臌脹爆破試驗(yàn)。丁學(xué)鋒等[16]、王德華等[17]、李江江等[18]自主研制了采用液壓油作為介質(zhì)的爆破試驗(yàn)裝置。國內(nèi)的包殼管爆破試驗(yàn)和高溫爆破試驗(yàn)裝置除文獻(xiàn)[15]中的試驗(yàn)外均為室溫爆破或(和)運(yùn)行工況下的等溫高溫爆破試驗(yàn)，未開展針對(duì)壓水堆用不銹鋼包殼管的等溫爆破試驗(yàn)及模擬事故工況下的瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗(yàn)。

在假想的壓水堆LOCA工況下，燃料元件的溫度迅速升高，可燃毒物棒的溫度隨之快速升高，燃料元件和可燃毒物棒的內(nèi)部壓力也隨之增加；由于包殼管的溫度升高，其機(jī)械性能降低，同時(shí)，包殼管在高溫蒸汽中急劇氧化及大量吸氫，從而加劇了包殼管的脆化，尤其是壽期末包殼管的內(nèi)壓較高，可能導(dǎo)致包殼管的鼓脹和破裂，第一道屏障失效后燃料芯塊和中子吸收體從包殼管內(nèi)噴出，棒內(nèi)產(chǎn)生空位，放射性物質(zhì)及中子吸收體進(jìn)入一回路冷卻劑中，引起反應(yīng)性變化，從而影響反應(yīng)堆的安全及放射性物質(zhì)的排放。因此，為更好地模擬反應(yīng)堆內(nèi)包殼管的真實(shí)條件，采用高壓氣體介質(zhì)的等溫高溫爆破及瞬態(tài)加熱高溫爆破方法，獲得包殼管的高溫爆破性能數(shù)據(jù)是非常必要的，對(duì)燃料組件及燃料相關(guān)組件的設(shè)計(jì)、安全分析及反應(yīng)堆的安全運(yùn)行具有重要意義。

高溫爆破試驗(yàn)包括等溫高溫爆破試驗(yàn)及瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗(yàn)。等溫高溫爆破試驗(yàn)是以設(shè)定的升溫速率升溫到試驗(yàn)溫度，穩(wěn)定一定時(shí)間后再向樣品管內(nèi)以恒定的加壓速率充入高壓惰性氣體，直到樣品管爆破。瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗(yàn)是室溫時(shí)預(yù)先向樣品管內(nèi)充入一定壓力的惰性氣體，然后以恒定的升溫速率升溫，直到樣品管爆破。

為研究壓水堆LOCA溫度條件下的包殼管高溫爆破行為，本文擬研制一套更接近于包殼管實(shí)際工況、采用高壓氣體作為試驗(yàn)介質(zhì)的高溫爆破試驗(yàn)裝置，以開展等溫高溫爆破及瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗(yàn)，并完成初步的模擬壓水堆LOCA溫度條件的不銹鋼薄壁管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗(yàn)。

1 裝置設(shè)計(jì)及組成

1.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)壓水堆LOCA工況下的計(jì)算分析結(jié)果及實(shí)際條件，高溫爆破試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)技術(shù)要求如下：1) 最高工作溫度為1 200 ℃，升溫速率為1～10 ℃/s，偏差≤±10%；2) 最大工作壓力為100 MPa；3) 試驗(yàn)介質(zhì)為惰性氣體；4) 環(huán)境氣氛為水蒸氣/惰性氣體/空氣；5) 試驗(yàn)樣品管外徑為8～15 mm，有效長度不小于10倍外徑；6) 試驗(yàn)樣品管內(nèi)為填充棒，填充棒與樣品管之間的間隙為(0.25±0.05) mm。

1.2 裝置組成及功能

試驗(yàn)裝置由高壓氣源單元、試驗(yàn)氣氛單元、加熱單元、試驗(yàn)臺(tái)架及測控單元5部分組成，試驗(yàn)裝置總體構(gòu)成示意圖如圖1所示。試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)的最高試驗(yàn)溫度為1 200 ℃，可模擬反應(yīng)堆運(yùn)行工況和事故工況下的升溫速率；可實(shí)現(xiàn)的最大試驗(yàn)壓力為100 MPa，加壓速率符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)[19-20]中規(guī)定的要求。

圖1 高溫爆破試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of high temperature burst facility

高壓氣源單元主要由高壓氣體增壓系統(tǒng)、高壓數(shù)字壓力計(jì)、高壓閥門及高純He/Ar氣瓶等組成，用來提供試驗(yàn)所需的高壓惰性氣體及氣體增壓速率，高壓氣體增壓系統(tǒng)輸出惰性氣體的最大壓力為170 MPa。

試驗(yàn)氣氛單元主要由微型蒸汽發(fā)生器、高純He/Ar氣瓶、真空泵、數(shù)字壓力計(jì)、閥門等組成，用來對(duì)試驗(yàn)氣腔內(nèi)抽真空及提供不同試驗(yàn)所需的試驗(yàn)氣氛。

加熱單元主要由快速加熱電源、加熱電極組成，用來實(shí)現(xiàn)不同條件下樣品管的試驗(yàn)溫度及升溫速率。

試驗(yàn)臺(tái)架主要由電子拉壓試驗(yàn)機(jī)臺(tái)架、樣品固定支架及安全防護(hù)網(wǎng)組成。

測控單元主要由高壓數(shù)字壓力計(jì)、高溫測溫計(jì)、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊、測控軟件及計(jì)算機(jī)組成。高溫爆破試驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)為樣品的內(nèi)壓和表面溫度，測量樣品內(nèi)壓的數(shù)字壓力計(jì)(GS4200，0～100 MPa，±0.1%)的測點(diǎn)設(shè)置在樣品入口處；測量樣品表面溫度的高溫測溫計(jì)(IGAR 12-LO，350～1 300 ℃，±0.5%讀數(shù)+1 ℃)的測點(diǎn)在樣品管有效長度段中間偏上15 mm處的表面最高溫度點(diǎn)處。

2 試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)樣品

樣品結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗(yàn)樣品管材料為316L不銹鋼，其化學(xué)成分列于表1，冷加工量為14%。試驗(yàn)樣品管的尺寸為φ10 mm×0.53 mm×210 mm，加熱長度為180 mm，有效長度為150 mm。填充棒材料為氧化鋁陶瓷，尺寸為φ8.5 mm×45 mm。

圖2 爆破試驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of burst test sample structure

元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%C0.017S0.004Cr16.89Cu0.006Ni15.07V<0.005Mo2.26Al0.004Si0.52Nb0.010Mn1.25Co<0.005P0.006Ti0.010

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)溫度為600～1 200 ℃，升溫速率為1～10 ℃/s；室溫預(yù)充壓力為8～50 MPa的高純He氣。

2.3 爆破性能參數(shù)計(jì)算

根據(jù)美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)[19-20]中的公式計(jì)算分析試驗(yàn)樣品的爆破強(qiáng)度(極限環(huán)向應(yīng)力)和周向延伸率。

1) 爆破強(qiáng)度

爆破強(qiáng)度即極限環(huán)向應(yīng)力，按下式計(jì)算：

σ=pD/2t

(1)

其中：σ為樣品管在試驗(yàn)條件下的極限環(huán)向應(yīng)力，MPa；p為樣品管在試驗(yàn)條件下的爆破壓力，MPa；D為樣品管的平均中徑，即平均外徑與平均壁厚之差，mm；t為樣品管的最小壁厚，mm。

2) 周向延伸率

周向延伸率按下式計(jì)算：

δ=(L1-L0)/L0×100%

(2)

其中：δ為樣品管在試驗(yàn)條件下的周向延伸率，%；L0為試驗(yàn)前樣品管的外表面周長，mm；L1為試驗(yàn)后樣品管破口處的最大外表面周長，mm。

3 結(jié)果與討論

3.1 裝置的升溫速率及溫度控制穩(wěn)定性

在進(jìn)行316L不銹鋼薄壁管高溫爆破試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了6種等溫高溫爆破試驗(yàn)條件(3種升溫速率、2個(gè)溫度)的溫度控制穩(wěn)定性及2種模擬事故溫度條件的瞬態(tài)加熱升溫速率控制測試。等溫高溫爆破試驗(yàn)的測試方法是以恒定的升溫速率(1、2、5 ℃/s)由室溫(20 ℃)升溫到試驗(yàn)溫度(700、897 ℃)并保溫～3 min后停止加熱，空冷至室溫；模擬事故溫度條件的瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗(yàn)的測試方法是在室溫(20 ℃)時(shí)先向樣品管內(nèi)充入1 MPa的高純He氣，以1 ℃/s的恒定升溫速率升溫到350 ℃并保溫～3 min，然后再以恒定的升溫速率(5、10 ℃/s)升溫到試驗(yàn)溫度(915、1 195 ℃)后停止加熱，空冷至室溫。

以2 ℃/s的恒定升溫速率加熱至700 ℃保溫和以5 ℃/s的恒定升溫速率加熱至897 ℃保溫的試驗(yàn)結(jié)果示于圖3a、b，實(shí)際升溫速率分別為(2.0±0.1) ℃/s和(5.0±0.2) ℃/s。以1 ℃/s的恒定升溫速率升溫至350 ℃并保溫～3 min，然后再以5 ℃/s的恒定升溫速率升溫至1 195 ℃和以10 ℃/s的恒定升溫速率升溫至915 ℃的試驗(yàn)結(jié)果示于圖3c、d，實(shí)際升溫速率分別為(5.0±0.3) ℃/s和(10.0±0.3) ℃/s。測試結(jié)果表明：試驗(yàn)裝置的最高試驗(yàn)溫度可達(dá)1 200 ℃，升溫速率為1～10 ℃/s，升溫速率相對(duì)偏差不超過±10%，溫度控制穩(wěn)定性為±3 ℃。

3.2 爆破性能

在高溫爆破試驗(yàn)裝置上，采用試驗(yàn)樣品管在600～1 200 ℃、升溫速率為5 ℃/s條件下進(jìn)行瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗(yàn)。本試驗(yàn)?zāi)M壓水堆LOCA工況溫度條件，室溫(20 ℃)時(shí)先向樣品管內(nèi)充入8～50 MPa的高純He氣，然后以1 ℃/s的恒定升溫速率升溫到350 ℃并保溫～3 min，再以5 ℃/s的恒定升溫速率升溫至樣品管爆破。

圖3 高溫爆破試驗(yàn)裝置的控溫曲線Fig.3 Temperature control curve of high temperature burst facility

高溫爆破強(qiáng)度、周向延伸率隨溫度的變化示于圖4。由圖4可見，試驗(yàn)樣品管的高溫爆破強(qiáng)度隨溫度的升高線性降低，周向延伸率隨溫度的升高而增加，尤其是約950 ℃以上增幅明顯，但周向延伸率均較低。試驗(yàn)樣品管的爆破溫度最高為1 184 ℃，爆破最高壓力為70 MPa。

圖4 爆破強(qiáng)度和周向延伸率與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between burst strength and elongation vs temperature

3.3 樣品宏觀形貌

試驗(yàn)樣品管瞬態(tài)加熱高溫爆破后外觀及破口形貌如圖5所示。可看出，破口鼓脹較小，由高溫低壓時(shí)的開裂到低溫高壓時(shí)的撕破，甚至是撕斷，表明樣品管的周向延伸率較低。破口的外觀形貌與爆破溫度、爆破壓力及樣品材料有關(guān)。

圖5 高溫爆破試驗(yàn)樣品外觀及破口形貌Fig.5 Appearance and fracture morphology of burst test sample

3.4 樣品破口微觀形貌

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)316L不銹鋼試驗(yàn)樣品的破口截面進(jìn)行微觀形貌分析，結(jié)果如圖6所示。圖6表明，試驗(yàn)樣品破口具有韌性斷裂特征，韌窩拉長方向由內(nèi)壁向外壁，表明力的方向由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展；韌窩多為小而淺且大小不均勻，表明它們的韌性較差；微觀形貌分析結(jié)果與高溫爆破試驗(yàn)樣品外觀的破口鼓脹較小及破口周向延伸率較低的試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。

4 結(jié)論

1) 研制了采用高壓氣體作為試驗(yàn)介質(zhì)的薄壁金屬管高溫爆破試驗(yàn)裝置，該裝置靈活方便、控制精度高，滿足試驗(yàn)要求。

圖6 高溫爆破試驗(yàn)樣品破口SEM微觀形貌Fig.6 SEM observation on fracture of burst test sample

2) 完成了316L不銹鋼薄壁管在模擬LOCA工況溫度條件的瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗(yàn)，獲得了316L不銹鋼薄壁管的高溫爆破性能數(shù)據(jù)及與溫度的關(guān)系。

本工作得到TMT團(tuán)隊(duì)成員的大力支持和幫助，在此表示衷心的感謝。