基于主曲線法的核電主管道材料斷裂韌性研究

劉 慶，王 慶，馬若群，徐 宇

(1.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083；2.生態環境部 核與輻射安全中心，北京 102445)

目前核電工程的防脆斷設計和在役缺陷評價主要應用線彈性斷裂力學。在線彈性斷裂力學中，表征材料斷裂韌性的參數為平面應變斷裂韌性，它與裂紋本身的大小、形狀及應力無關，是材料的固有特性。平面應變斷裂韌性一般用KIC表示，該參數可試驗測定，國際上大多采用與美國材料試驗協會(ASTM)的標準ASTM E399[1]類似的方法進行測量，我國一般采用GB/T 4161—2007[2]或采用法國壓水堆核島機械設備設計和建造規則[3]的方法進行測量，但在核電工程應用中，標準針對鐵素體鋼在一定溫度范圍內存在無延性現象，主要還是采用落錘試驗和V型缺口沖擊試驗共同確定的無延性轉變溫度(RTNDT)來進行衡量，將參考溫度和材料溫度作為變量建立關系式描述材料的斷裂韌性。另外，參考溫度的確定可采用另外一個替代方法，依據《測定鐵素體鋼轉變溫度范圍內的參考溫度T0的試驗方法》(ASTM E1921)[4]標準采用主曲線法進行測定，該方法已越來越多地應用于工程中。主曲線方法于1999年通過規范案例N-629[5]被納入到ASME體系內，規范案例中規定了RTNDT與另一個材料韌性表征參數“參考溫度(T0)”的等效方式，采用T0加19.4 ℃等效于RTNDT。采用T0代替RTNDT應用于ASME標準第Ⅲ卷附錄G斷裂韌性轉換關系只是第1步，后續有望推動直接采用主曲線法確定斷裂韌性，代替目前附錄G中采用的RTNDT與斷裂韌性轉換曲線[6]。

本文應用主曲線法測定某核電廠主管道材料的T0，并討論主曲線法確定斷裂韌性的保守性。

1 主曲線確定斷裂韌性方法

斷裂韌性基于參考溫度T0的主曲線方法是國際上目前推薦的新方法。ASTM在1997年發布了斷裂韌性測試標準ASTM E1921，測定鐵素體鋼T0的試驗方法，即主曲線法。ASTM E1921是建立在韌脆轉換溫度區內斷裂韌性數據統計分析基礎之上，使用主控曲線描述材料斷裂阻力隨溫度變化的關系。Wallin通過試驗結果統計及理論分析提出了任何鐵素體材料斷裂韌性的平均值隨溫度變化曲線形狀基本相同的結論[7-8]，即主曲線理論，基于該理論，某種材料的斷裂韌性曲線的變化趨勢是一定的，因此可由測定單一的溫度參數推定該種材料的全部斷裂韌性曲線。在ASTM E1921標準中，該參數規定為厚度25 mm的試件，其基于J積分的彈塑性應力強度因子KJC平均值為100 MPa·m1/2時對應的溫度為T0。主曲線法采用一個三參數的韋布爾分布來描述斷裂韌性，因此可給出斷裂韌性的置信區間。在ASME標準第Ⅲ卷附錄G[9]中的斷裂韌性KIR和第Ⅺ卷附錄G[10]中斷裂韌性KIC均是通過與無延性轉變溫度之間的轉換間接得到的，無延性轉變溫度是由沖擊試驗和落錘試驗共同確定的參數。斷裂韌性KIR和KIC與無延性轉變溫度之間的轉換關系采用SA-533 B1級、SA-508-1級、SA-508-2 1級以及SA-508-3 1級鋼種試件測得的與溫度有關的靜態、動態以及止裂臨界值KI的下包絡值[11-12]。主曲線相比以往測韌脆轉變溫度來間接反映材料的防斷裂性能更科學、更合理，并且能提供定量的安全裕量描述[13]。

ASTM E1921標準適用于屈服強度在275～825 MPa范圍內的鐵素體鋼，以及經過消除應力熱處理，焊縫強度與母材強度差小于10%的焊縫材料。通過主曲線法，可最少使用6個有效試樣即可得到某種鐵素體材料不同失效概率下的斷裂韌性轉變溫度曲線，主曲線法允許使用小試樣測得J積分，再轉換成KJC，與ASME標準中得到KIC采用的下包絡法相比，需要的試樣尺寸大幅減小，試樣數量也大幅減少。

2 主曲線法在某核電站主管道材料上的應用

某核電站主管道材料為10ГН2МФA合金鋼，其性能列于表1[14]。從該材料的主要性能看，滿足ASTM E1921中規定的特殊類型的鋼及焊縫屈服強度275～825 MPa(40～120 ksi)之間，可按照ASTM E1921的相關要求進行試驗。試驗采用緊湊拉伸試件，在20、60、80、100和290 ℃共進行了40件試件的試驗，由于試驗在多個溫度條件下進行，按ASTM E1921進行數據處理時，涉及數據有效性的問題，標準中規定在T=T0±50 ℃范圍內的數據為有效數據，結合判斷準則，共有20、60和80 ℃的23個數據為有效數據，試驗有效結果列于表2。依據標準第10.3節的方法進行數據處理，得到T0=33.7 ℃，同時得到T0的不確定性，當置信度為95%時，按單尾偏差確定的T0=39.97 ℃，按雙尾偏差確定的T0=41.05 ℃，本文保守取雙尾偏差結果，其KJC-(T-T0)曲線如圖1所示。

表1 主管道材料性能Table 1 Material property of main pipeline

表2 斷裂韌性試驗結果Table 2 Fracture toughness test result

計算得到主曲線和計算公差帶，主曲線方程為：

KJC(med)=30+70exp[0.019(T-33.7)]

(1)

公差帶方程為：

KJC(0.05)=25.2+36.6exp[0.019(T-33.7)]

KJC(0.95)=34.5+101.3exp[0.019(T-33.7)]

(2)

為校核試驗結果，采用文獻[15]中發表的7個10ГН2МФА材料在20 ℃的斷裂韌性數據和3個表2中試驗測定的20 ℃下的KJC結果，共計10個20 ℃的斷裂韌性數據進行驗證。按ASTM E1921標準第10.4節方法進行數據處理，確定T0=33.3 ℃，KJC(med)=84.4 MPa·m1/2。當置信度為85%時，標準差ΔT0為8 ℃，將該值附加于T0，得到保守的T0(裕)為41 ℃。

圖1 主管道的KJC-(T-T0)曲線和其公差帶Fig.1 KJC-(T-T0) curve of main pipeline and its tolerance zone

依據標準第9.3節檢驗數據偶然性，以2%和98%公差帶為判斷偶發的準則，則有效數據的下限和上限分別為式(3)和式(4)。

KJC(0.02)=0.415KJC(med)+11.7=84.4×

0.415+11.7=46.7(MPa·m1/2)

(3)

KJC(0.98)=1.547KJC(med)-10.94=

119.63(MPa·m1/2)

(4)

測定數據均在KJC(0.02)與KJC(0.98)范圍內，均為有效數據。由上述可知：兩種方法考慮不確定性后，均為T0=41 ℃。

如果采用ASME規范案例N-629，將T0等效為RTNDT，則等效RTNDT為53.1 ℃。根據ASME標準第Ⅺ卷附錄G中RTNDT與KIC之間的轉換關系有：

KIC=36.5+22.78exp[0.036(T-53.1)]

(5)

圖2為轉換后的KIC與主曲線5%置信度的KJC對比，從圖2可看出，兩種方式得到的斷裂韌性值基本相當。除了在-20 ℃以下KIC的取值稍低以外，在-20 ℃以上，下包絡方式得到的KIC較5%置信度的KJC取值要更加保守，而且隨著溫度的升高，保守程度也在增加，在70 ℃時KIC較5%置信度的KJC低了20 MPa·m1/2。更高的斷裂韌性值材料，對于核電設備的運行意味著更大的運行參數范圍，更長的運行壽命，也意味著更高的經濟效益。

圖2 5%置信度KJC-(T-T0)與KIC-(T-RTNDT)對比Fig.2 Comparison of 5% confidence KJC-(T-T0) and KIC-(T-RTNDT)

3 結論

本文采用ASTM E1921標準，應用主曲線法測量了某核電廠主管道材料的參考溫度，確定了材料的斷裂韌性，并與ASME第Ⅺ卷附錄G中的斷裂韌性進行了比較，得到如下結論。

1) 某核電廠主管道材料(10ГН2МФА)的斷裂韌性可采用主曲線法進行測量，對試驗采用多溫度法進行數據處理和采用單溫度法得到的結果非常吻合。

2) 采用主曲線方法測定的參考溫度以及對應的斷裂韌性可在提供結果高置信度的前提下，適當降低結果的保守裕量。