T∕CNS 21-2020 核電廠金屬材料高溫高壓水中微動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法

1、ICS 77.040.01H 20T/CNS 212020核電廠金屬材料高溫高壓水中微動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法Test method for fretting fatigue in high temperature pressurizedwater of metallic materials for nuclear power plants2020-04-28 發(fā)布2020-08-01 實(shí)施中國(guó)核學(xué)會(huì) 發(fā)布T/CNS 212020目 次tuW ni翻i2規(guī)范性引用文件13術(shù)語(yǔ)和定義14試驗(yàn)儀器和設(shè)備15 試樣制備和要求26 試驗(yàn)條件和步驟 37 數(shù)據(jù)處理38 質(zhì)量保證49試驗(yàn)報(bào)告4附錄A （資料性附錄）

2、高溫高壓循環(huán)水微動(dòng)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng) 5附錄B （資料性附錄）微動(dòng)疲勞試樣及夾具6附錄C （資料性附錄）高溫高壓循環(huán)水微動(dòng)疲勞S-N曲線 8I學(xué)兔兔標(biāo)準(zhǔn)下載T/CNS 212020學(xué)兔兔標(biāo)準(zhǔn)下載學(xué)兔兔標(biāo)準(zhǔn)下載本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T 1.12009給出的規(guī)則起草。本標(biāo)準(zhǔn)由中國(guó)核學(xué)會(huì)提出。本標(biāo)準(zhǔn)由核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所歸口。本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院。 本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人:韓恩厚、譚季波、吳欣強(qiáng)、白亞奎、孫晨。學(xué)兔兔標(biāo)準(zhǔn)下載T/CNS 212020核電廠金屬材料高溫高壓水中微動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法1范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了核電廠高溫高壓水條件下金屬材料試樣微動(dòng)疲勞試驗(yàn)的方法和相關(guān)技術(shù)要求。

3、本標(biāo)準(zhǔn)適用于具有一定標(biāo)距長(zhǎng)度的矩形橫截面試樣在360 °C以下水介質(zhì)中微動(dòng)疲勞試驗(yàn)。2規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T 150.4壓力容器 第4部分:制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收GB/T 3075金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法GB/T 15248金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法GB/T 20120.1金屬和合金的腐蝕 腐蝕疲勞試驗(yàn) 第1部分:循環(huán)失效試驗(yàn)T/CNS 4核電廠金屬材料高溫高壓水中腐蝕疲勞試驗(yàn)方法3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T 15248,GB/

4、T 20120.1,GB/T 3075.T/CNS 4界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1法向正壓力 normal load由試樣A與疲勞試樣組成的摩擦副之間的正壓力。3.2微動(dòng) fretting兩個(gè)接觸表面發(fā)生的極小幅度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，一般其位移幅度為微米量級(jí)。4試驗(yàn)儀器和設(shè)備4.1高壓釜及水循環(huán)系統(tǒng)4.1.1高壓釜釜體、釜蓋應(yīng)采用不銹鋼或鎳基合金等耐蝕合金制造。釜體一般為整體，特殊情況下也 允許施焊，但應(yīng)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。4.1.2釜體與釜蓋之間及釜上引出的各測(cè)試孔均需具有良好的密封性能，在試驗(yàn)過(guò)程中不準(zhǔn)許有泄漏 現(xiàn)象。4.1.3可以模擬典型輕水堆核電站服役循環(huán)水環(huán)境，可在360 

5、6;C、20 MPa以下環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。 4.1.4高壓釜應(yīng)設(shè)有安全保護(hù)裝置，并定期檢查安全保護(hù)裝置的可靠性。4.1.5高壓釜中釜體、釜蓋等高溫承壓部件應(yīng)按GB/T 150.4進(jìn)行制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收。 4.1.6試樣架推薦采用耐高溫耐腐蝕材料制造，如采用奧氏體不銹鋼、鎳基合金等材料制成。4.1.7附錄A中圖A.l給出了推薦的高溫高壓循環(huán)水系統(tǒng)和高壓釜結(jié)構(gòu)示意圖。 4.1.8推薦高壓釜應(yīng)配備有相應(yīng)的外部冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，以保護(hù)位移傳感器、力傳感器、密封圈及其他 不耐高溫試驗(yàn)部件。4.2加載系統(tǒng)4.2.1高壓釜需配備疲勞機(jī)加載系統(tǒng)，推薦試驗(yàn)裝置配備壓力平衡系統(tǒng)，平衡釜內(nèi)水壓對(duì)拉伸桿施加 的壓力。4

6、.2.2在高溫高壓水環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)力控制、應(yīng)變控制或者位移控制加載模式。4.2.3能夠加載三角波、正弦波和梯形波等波形。4.2.4圖A.1給出了推薦的加載系統(tǒng)示意圖。4.3加熱及控溫裝置4.3.1推薦采用電加熱方式。4.3.2加熱裝置及控溫儀器應(yīng)具有滿足試驗(yàn)要求的升溫速度，在試驗(yàn)溫度下能長(zhǎng)期保溫，并且穩(wěn)定、可 靠、操作方便。盡量保持高壓釜內(nèi)溫度均勻，并確保高壓釜內(nèi)熱電偶在試樣附近，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣處試驗(yàn) 溫度。4.3.3控溫精度：±1 °C。4.4應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，可采用線性可變差動(dòng)變壓位移傳感器或應(yīng)變引伸計(jì)等方法原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣 在高溫高壓水中的應(yīng)變，測(cè)量精度一般

7、應(yīng)優(yōu)于±5或者±5%。4.5法向正壓力施加裝置在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，試樣A與片狀疲勞試樣之間的法向正壓力施加如附錄B中圖B.1所示，試樣 A與片狀疲勞試樣側(cè)面（窄面）面-面接觸，法向正壓力的施加推薦使用拉伸彈簧或壓縮彈簧或帶有載 荷傳感器的載荷施加裝置。使用彈簧加載時(shí)，應(yīng)在試驗(yàn)溫度條件下校準(zhǔn)彈簧的彈性系數(shù)。法向正壓力 控制精度一般應(yīng)優(yōu)于±5 N或±5%。5試樣制備和要求5.1試樣的材料要求試樣A和疲勞試樣為核電廠用金屬材料，包括碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鋯合金 等，取樣應(yīng)具有代表性。5.2試樣的形狀尺寸通常試樣A端面可為正方形、矩形、圓形或其他

8、規(guī)則形狀。疲勞試樣可采取如圖B.2所示的 平行部分與夾持端具有切向過(guò)渡圓弧的矩形橫截面試樣。疲勞試樣形狀尺寸、同軸度等要求按 GB/T 15248 執(zhí)行。5.3夾持要求推薦夾持方式如圖B.3所示，由疲勞試樣、夾塊、歐姆夾、底座、樣品臺(tái)、螺栓組成。利用歐姆夾與夾 塊夾持疲勞試樣，夾塊、底座通過(guò)臺(tái)階方式配合安裝，通過(guò)螺栓與樣品臺(tái)連接，在疲勞過(guò)程中能夠穩(wěn)定對(duì) 疲勞試樣施加載荷。其他能夠保證試樣對(duì)中性、對(duì)試樣提供穩(wěn)定夾持力的夾持方式亦可采用。5.4 試樣加工試樣A和疲勞試樣的取樣部位和取向應(yīng)按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或雙方協(xié)議。所采用的機(jī)加工在試樣表面產(chǎn) 生的殘余應(yīng)力和加工硬化應(yīng)盡可能小，推薦按GB/T 15248執(zhí)

9、行。5.5表面粗糙度推薦采用水磨砂紙對(duì)試樣A和疲勞試樣進(jìn)行機(jī)械拋光，試樣A端面（與疲勞試樣接觸面）和疲勞 試樣標(biāo)距段表面粗糙度RaO.8亦可根據(jù)需求決定。5.6試樣保存試樣A和疲勞試樣需妥善保存，尤其是易氧化的低合金鋼、碳鋼等材料，需在干燥皿中密封保存， 防止試樣氧化、受雜質(zhì)污染。6試驗(yàn)條件和步驟6.1溶液配制6.1.1采用電導(dǎo)率小于1 MS/cm的去離子水或蒸餾水配制試驗(yàn)溶液。6.1.2根據(jù)試驗(yàn)要求，采用分析純級(jí)試劑配制試驗(yàn)溶液。6.2試驗(yàn)條件6.2.1試驗(yàn)溫度可根據(jù)需求確定，一般在360 °C以下。6.2.2對(duì)于動(dòng)態(tài)循環(huán)高壓釜，溶液應(yīng)充滿高壓釜腔，壓力高于試驗(yàn)溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓

10、。6.2.3調(diào)節(jié)高壓泵選擇合適的溶液流量，確保高壓釜內(nèi)溶液在1 h內(nèi)至少更換1次。6.2.4推薦升溫速度控制在70 °C/h100 °C/h。6.3試驗(yàn)步驟6.3.1將試樣A和疲勞試樣安裝在夾具上，安裝后疲勞試樣同軸度良好，確保疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。6.3.2在疲勞試樣上安裝原位應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。6.3.3在摩擦副上安裝法向正壓力施加裝置，并設(shè)定試驗(yàn)需施加的法向正壓力。6.3.4高壓釜擰緊后，將試驗(yàn)溶液配制好后注人儲(chǔ)水罐及高壓釜中，并按具體試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)壓力、流 量、溶解氧。6.3.5確認(rèn)測(cè)溫、測(cè)壓及安全保護(hù)裝置均處于正常狀態(tài)后，開(kāi)始加壓并達(dá)到壓力設(shè)定值，確認(rèn)無(wú)泄漏后 開(kāi)始加熱升溫。

11、6.3.6當(dāng)溫度、壓力穩(wěn)定到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值后，設(shè)置疲勞機(jī)試驗(yàn)位移、應(yīng)變速率、加載波形等參數(shù)，開(kāi)始進(jìn)行 疲勞試驗(yàn)。6.3.7當(dāng)峰值拉應(yīng)力到達(dá)穩(wěn)定值后，設(shè)置試驗(yàn)終止條件，如峰值拉應(yīng)力下降至最大峰值拉應(yīng)力的75% 時(shí)停止。6.3.8試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣取出，妥善保存。7數(shù)據(jù)處理7.1試驗(yàn)結(jié)果有效性判定疲勞裂紋萌生于疲勞試樣標(biāo)距段內(nèi)，且疲勞試樣無(wú)明顯彎扭變形，則試驗(yàn)結(jié)果有效。7.2數(shù)據(jù)處理方法和要求7.2.1記錄試樣標(biāo)距段表面磨損和疲勞裂紋宏觀形貌。7.2.2記錄試樣A表面磨損宏觀形貌。7.2.3選擇典型的疲勞試樣，分析微動(dòng)疲勞磨損形貌及疲勞斷口形貌，疲勞斷口分析宜在液氮中冷卻 后敲斷。利用掃描電鏡、金相顯

12、微鏡記錄微動(dòng)疲勞磨損形貌、疲勞裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)等的形貌特征。 7.2.4需要時(shí)，將獲得的微動(dòng)疲勞數(shù)據(jù)匯總，繪制相應(yīng)的應(yīng)變-疲勞壽命（S-N）曲線。一般獲得S-N曲 線需要4個(gè)以上不同應(yīng)變幅條件下的疲勞壽命，且每個(gè)實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次。典型的高溫高壓循環(huán)水微 動(dòng)疲勞S-N曲線如附錄C中圖C.1所示。8質(zhì)量保證8.1試驗(yàn)人員要求高溫高壓水微動(dòng)疲勞試驗(yàn)人員應(yīng)經(jīng)過(guò)培訓(xùn)且滿足以下要求：a）能熟練操作疲勞機(jī)，設(shè)置預(yù)定的應(yīng)變幅、應(yīng)變速率、應(yīng)變比和加載波形；b）能熟練操作高壓釜的升降，高壓釜硬密封擰緊程序；c）能熟練操作高溫高壓循環(huán)水系統(tǒng)，如溶解氧、電導(dǎo)率等水化學(xué)參數(shù)設(shè)置、高壓釜內(nèi)壓力調(diào)節(jié)、高 壓釜內(nèi)溫度調(diào)節(jié)等

13、的控制；d）能熟練安裝、卸裝試樣A和疲勞試樣。8.2試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)要求按照相關(guān)規(guī)定定期對(duì)疲勞機(jī)力傳感器、位移傳感器、高精度線性可變差動(dòng)變壓位移傳感器、高壓釜 熱電偶、預(yù)熱器熱電偶、溶解氧探頭、壓力傳感器、pH探頭、彈簧等進(jìn)行計(jì)量標(biāo)定，并在有效期內(nèi)使用。 9試驗(yàn)報(bào)告本試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括但不限于以下內(nèi)容：a）本標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)；b）材料名稱、化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)和力學(xué)性能；c）試樣A和疲勞試樣形狀尺寸、表面狀態(tài)、取樣位置、取樣方向；d）試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)及相關(guān)說(shuō)明；e）試驗(yàn)參數(shù)，如應(yīng)變幅值、應(yīng)變速率、法向正壓力、應(yīng)變比、加載波形、溫度、壓力、試驗(yàn)介質(zhì)（包括 溶解氧濃度）；f）試驗(yàn)結(jié)果，包括微動(dòng)疲勞數(shù)據(jù)、微動(dòng)磨損形貌、

14、疲勞裂紋形貌、斷口形貌等；g）試驗(yàn)異常記錄；h）試驗(yàn)人員和日期。附錄 A（資料性附錄）高溫高壓循環(huán)水微動(dòng)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)典型的高溫高壓循環(huán)水微動(dòng)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖A.1。7循環(huán)泵熱交換器加熱爐高壓釜試樣疲勞機(jī)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)法向正壓力施加裝置預(yù)熱器圖A.1典型的高溫高壓循環(huán)水微動(dòng)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)附錄B（資料性附錄）微動(dòng)疲勞試樣及夾具典型的法向正壓力施加裝置見(jiàn)圖B.1。矩形橫截面試樣見(jiàn)圖B.2。矩形橫截面試樣夾持方式見(jiàn)圖B.3。圖B.1典型的法向正壓力施加裝置z/AiH說(shuō)明：T厚度；L標(biāo)距段長(zhǎng)度；W夾持段寬度。圖B.2矩形橫截面試樣說(shuō)明：1疲勞試樣;2 夾塊；3 歐姆夾；4 底座；5 樣品臺(tái):6螺栓。圖B.3 矩形橫截面試樣夾持方式T/CNS 212020附錄c（資料性附錄）高溫高壓循環(huán)水微動(dòng)疲勞S-N曲線典型的高溫高壓循環(huán)水微動(dòng)疲勞S-N曲線見(jiàn)圖C.1。%/蒙®法向正應(yīng)力：11. 1 MPa0. 10. 05