CSTM-金屬材料在高溫高壓水中的應(yīng)力腐蝕腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率測量方法編制說明

附件5：CSTM標(biāo)準(zhǔn)金屬材料在高溫高壓水中的應(yīng)力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率測量方法編制說明（征求意見稿/送審稿/報(bào)批稿）標(biāo)準(zhǔn)編制組2021年7月工作簡要過程，來源及主要參加單位和工作組成員1.1工作簡要過程（1）總體過程本標(biāo)準(zhǔn)的制定過程主要分為前期準(zhǔn)備、初稿編寫階段、征求意見稿編寫階段。（2）前期準(zhǔn)備（2019年9月-2019年12月）主要任務(wù)是成立標(biāo)準(zhǔn)編制小組，分解工作任務(wù)、文件收集和調(diào)研分析、明確標(biāo)準(zhǔn)編制的進(jìn)度控制。在前期準(zhǔn)備階段成立標(biāo)準(zhǔn)編制小組和明確工作任務(wù)后，首先消化吸收上海交通大學(xué)編制的相關(guān)技術(shù)條件；收集了國標(biāo)（GB）和能源標(biāo)準(zhǔn)（NB）有關(guān)的檢測、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并對上述所有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究和分析，確立編制標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)架以及技術(shù)內(nèi)容。根據(jù)核電標(biāo)準(zhǔn)體系研究的前期工作分析結(jié)果，確定了本標(biāo)準(zhǔn)編制的進(jìn)度安排。（3）初稿編寫（2020年1月-2020年8月）在上述調(diào)研分析的基礎(chǔ)上同時結(jié)合國內(nèi)實(shí)際情況，起草了本標(biāo)準(zhǔn)的初稿。（4）征求意見稿編寫（2020年8月-2020年12月）初稿完成后，在具體章節(jié)編寫過程中，對于標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的定位和合理安排問題主編單位向各參編單位征求了相關(guān)意見。并對反饋意見主編單位內(nèi)部進(jìn)行多次反復(fù)討論和修改，最終形成本標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿。標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿編制期間主要工作如下：2020年8月19日于上海主編單位上海交通大學(xué)就本標(biāo)準(zhǔn)初稿向部分專家征求了修改意見，對初稿進(jìn)行了部分修改及完善。1.2來源及主要參加單位和工作組成員本標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會（以下簡稱：CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會）金屬材料腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域委員會審查，CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)CSTM標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料在高溫高壓水中的應(yīng)力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率測量方法》立項(xiàng)，標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目歸口管理委員會為CSTM/FC92金屬材料腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域委員會，該標(biāo)準(zhǔn)（中文版）立項(xiàng)編號為CSTMLX920000736-2021，標(biāo)準(zhǔn)（英文版）立項(xiàng)編號為CSTMLX920000736-2021E，計(jì)劃于2022年6月完成本項(xiàng)目。本項(xiàng)目由上海交通大學(xué)牽頭主編，蘇州熱工研究院有限公司、東北大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)為參編單位。本標(biāo)準(zhǔn)編制組成員情況詳見表1。表1：標(biāo)準(zhǔn)編制組成員名單序號姓名單位職務(wù)/職稱負(fù)責(zé)編寫內(nèi)容1汪家梅上海交通大學(xué)博士后編制全文2郭相龍上海交通大學(xué)副教授審核全文3陳凱上海交通大學(xué)博士后審核全文4張樂福上海交通大學(xué)研究員審定全文5薛飛蘇州熱工研究院有限公司高級工程師審定全文6彭群家蘇州熱工研究院有限公司高級工程師審核全文7梅金娜蘇州熱工研究院有限公司高級工程師審定全文8韓姚磊蘇州熱工研究院有限公司工程師審核全文9張濤東北大學(xué)教授審核全文10杜東海西北工業(yè)大學(xué)副教授審核全文標(biāo)準(zhǔn)化對象簡要情況及制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則2.1標(biāo)準(zhǔn)化對象簡要情況試驗(yàn)方法的水平及使用情況，試驗(yàn)設(shè)備及儀器情況使用緊湊拉伸試樣和直流電壓降（DCPD）進(jìn)行應(yīng)力腐蝕/腐蝕疲勞等試驗(yàn)?zāi)軌蛟诰€測量裂紋擴(kuò)展行為，獲得定量的裂紋擴(kuò)展速率，經(jīng)過國內(nèi)外多年的研究與驗(yàn)證，該方法結(jié)合電流換向技術(shù)消除由于熱電勢、周圍干擾對電勢信號的干擾，所測量的信號穩(wěn)定可靠，近年來逐漸得到認(rèn)可。對于裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，ASTME647和E399雖已經(jīng)在試樣標(biāo)準(zhǔn)、夾具、系統(tǒng)設(shè)備連接、數(shù)據(jù)獲取與分析等方面進(jìn)行了詳盡的描述，但仍缺乏對于核電設(shè)備用金屬材料在高溫高壓水環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率的在線測量流程的規(guī)范性指導(dǎo)。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了核電設(shè)備用金屬材料在循環(huán)的高溫高壓水中進(jìn)行應(yīng)力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的范圍、試樣制備和要求、試驗(yàn)原理、儀器、設(shè)備、關(guān)鍵試驗(yàn)步驟、試驗(yàn)結(jié)果觀察及評定和試驗(yàn)報(bào)告等。應(yīng)力腐蝕/腐蝕疲勞等定量分析對核電結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力腐蝕失效定量化評價(jià)數(shù)據(jù)的產(chǎn)出、開裂機(jī)理的揭示、核電安全的保障、設(shè)備壽命的預(yù)測和運(yùn)行維護(hù)成本的降低等都具有重要意義。所獲得裂紋擴(kuò)展速率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)已在華龍一號、CPR1000等核電機(jī)組設(shè)計(jì)和安全論證中得到應(yīng)用。試驗(yàn)方法的水平及使用情況，試驗(yàn)設(shè)備及儀器情況其中，直流電壓降（DCPD）技術(shù)對裂紋擴(kuò)展行為在線監(jiān)測已在ASTM標(biāo)準(zhǔn)《ASTME647-11StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》中得到標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用。試樣制備和要求可參考《ASTME647-11StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》和《ASTME399-06StandardTestMethodforLinear-ElasticPlane-StrainFractureToughnessKICofMetallicMaterials》等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)所涉及的拉伸設(shè)備、信號采集儀表、高溫高壓水回路的水化學(xué)監(jiān)測儀表等均采用標(biāo)準(zhǔn)化商用儀器儀表。2.2制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則（1）制修訂標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)或理由；目前，核能約占全世界能源的13%，在全球變暖的嚴(yán)峻形勢下，由于其具有零碳排放的優(yōu)勢，核能正逐漸重新獲得世界各國的青睞。截止到2011年，全世界已有435個核電運(yùn)行機(jī)組，總發(fā)電功率達(dá)到370GWe，此外還有108個在建核電機(jī)組(總功率108GWe)。發(fā)展核能已成為世界各國、尤其是發(fā)展中國家的重要能源戰(zhàn)略目標(biāo)之一。截止到2017年12月31日，我國投入商業(yè)運(yùn)行的核電機(jī)組共37臺，裝機(jī)容量35.8GWe，2017年核能發(fā)電量占比3.94%。目前，我國在建機(jī)組為17臺，并且每年將批準(zhǔn)新建4-6個機(jī)組，按照這個發(fā)展趨勢，預(yù)計(jì)在2035年，中國將成為全球最大的核電國。我國核電建設(shè)起步晚，平均堆齡為7.2年，但于上世紀(jì)九十年代投運(yùn)的秦山一期和大亞灣共三個機(jī)組已經(jīng)面臨著許可證延續(xù)的挑戰(zhàn)，老化管理和壽命預(yù)測也逐漸成為國內(nèi)核電機(jī)組面臨的重要問題。壓力邊界主設(shè)備，如壓力容器、蒸汽發(fā)生器和主管道等，在長期運(yùn)行過程中逐漸老化，評估其應(yīng)力腐蝕性能是這些設(shè)備完整性評價(jià)的重要內(nèi)容。因此，深入研究核電結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力腐蝕失效行為及開裂機(jī)理對于保障核電安全、設(shè)備壽命預(yù)測和降低運(yùn)行維護(hù)成本等都有著重要的意義。通過本標(biāo)準(zhǔn)的制定，可以規(guī)范核電設(shè)備用金屬材料在高溫高壓水環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率的在線測量方法，促進(jìn)國內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)間測試方法和試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)范性、通用性、一致性以及可靠性；對核電結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力腐蝕失效定量化評價(jià)數(shù)據(jù)的產(chǎn)出、開裂機(jī)理的揭示、核電安全的保障、設(shè)備壽命的預(yù)測和運(yùn)行維護(hù)成本的降低等都具有重要意義。（2）制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則。（1）合規(guī)合法性本標(biāo)準(zhǔn)的制定符合國家現(xiàn)行有關(guān)法律、法規(guī)和政策。（2）科學(xué)合理性本標(biāo)準(zhǔn)的制定和對試驗(yàn)的各項(xiàng)規(guī)定需符合科學(xué)規(guī)律，具有科學(xué)合理性。（3）先進(jìn)性本標(biāo)準(zhǔn)的制定有利于促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和科技發(fā)展，反映了本行業(yè)的具體情況和未來發(fā)展方向，充分論證與界定了標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍，其技術(shù)水平為國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。（4）通用性標(biāo)準(zhǔn)的制定主要為了規(guī)范核電設(shè)備用金屬材料在高溫高壓水中多通道應(yīng)力腐蝕裂紋萌生在線測量方法，促進(jìn)國內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)間測試方法和試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)范性、通用性、一致性以及可靠性。（5）規(guī)范性本標(biāo)準(zhǔn)制定時嚴(yán)格遵循GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則》規(guī)定，文字表達(dá)力求準(zhǔn)確簡明，內(nèi)容嚴(yán)謹(jǐn)合理。標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容確定的論據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容確定的論據(jù)：本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1-2020標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)、格式和表達(dá)方式編輯；基本物理概念表示方法，考慮測試方法的規(guī)范性、統(tǒng)一性以及使用習(xí)慣；在測試方法使用的可指導(dǎo)性方面，規(guī)定了核電設(shè)備用金屬材料在高溫高壓水中進(jìn)行應(yīng)力腐蝕裂紋萌生時間定量測量試驗(yàn)的適用范圍、試樣制備和要求、試驗(yàn)原理、儀器、設(shè)備、關(guān)鍵試驗(yàn)步驟、試驗(yàn)結(jié)果觀察及評定和試驗(yàn)報(bào)告等；本標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容：本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了核電設(shè)備用金屬材料在循環(huán)的高溫高壓水中進(jìn)行應(yīng)力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的范圍、試樣制備和要求、試驗(yàn)原理、儀器、設(shè)備、關(guān)鍵試驗(yàn)步驟、試驗(yàn)結(jié)果觀察及評定和試驗(yàn)報(bào)告等。在本標(biāo)準(zhǔn)編寫過程中，參考了《GB/T15970.1金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法總則》、《GB/T15970.6金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)第6部分：恒載荷或恒位移下預(yù)裂紋試樣的制備和應(yīng)用》、《ASTME647-11StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》、《ASTME399-06StandardTestMethodforLinear-ElasticPlane-StrainFractureToughnessKICofMetallicMaterials》中關(guān)于裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合自主研制的高溫高壓水應(yīng)力腐蝕裂紋/腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，采用直流電壓降（DCPD）法，監(jiān)測裂紋擴(kuò)展速率，研究材料、環(huán)境和載荷三個維度影響因素的影響規(guī)律，在大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持下，提出《金屬材料在高溫高壓水中的應(yīng)力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率測量方法》。具體技術(shù)內(nèi)容說明如下：高溫高壓水環(huán)境應(yīng)力腐蝕/腐蝕疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)包括伺服加載系統(tǒng)、水化學(xué)控制回路、高壓釜、加熱及溫度控制器、信號采集與集成控制軟件系統(tǒng)。伺服加載系統(tǒng)應(yīng)與DCPD測量系統(tǒng)集成聯(lián)動，以方便實(shí)現(xiàn)對載荷控制，從而實(shí)現(xiàn)疲勞裂紋向應(yīng)力腐蝕裂紋的過渡、恒定應(yīng)力強(qiáng)度因子(K)、升K、降K等控制模式。由于在高溫高壓水中進(jìn)行腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕的難度大，采用標(biāo)準(zhǔn)CT或TPB試樣進(jìn)行測試，以獲得更可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)CT試樣和TPB試樣形狀尺寸參照ASTME399標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)ASTME399(2013)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)使用恒定K、降K控制。當(dāng)K值偏離目標(biāo)值0.1%后進(jìn)行載荷的調(diào)整，調(diào)整周期需依據(jù)裂紋擴(kuò)展的速率等進(jìn)行選取?？紤]裂紋長度測量的誤差，如果出現(xiàn)試樣裂紋長度下降的現(xiàn)象時，程序不進(jìn)行載荷的調(diào)整。對于奧氏體不銹鋼、鎳基合金等經(jīng)過退火、固溶處理或敏化的材料，以及其它硬化系數(shù)較高的金屬材料，在進(jìn)行應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)時，可以控制K在15~25MPa√m范圍；進(jìn)行腐蝕疲勞試驗(yàn)時，可以控制K在15~35MPa√m范圍。對于經(jīng)過冷變形或輻照等硬化系數(shù)很小的材料，以及屈服強(qiáng)度較高的材料，例如冷變形的奧氏體不銹鋼、鎳基合金、低合金鋼等，進(jìn)行應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)時可以控制K在15~35MPa√m范圍；進(jìn)行腐蝕疲勞試驗(yàn)時可以控制K的范圍在15~40MPa√m范圍內(nèi)。對于1英寸以上厚度的CT試樣，可選擇更高的K值范圍，具體數(shù)值可參考ASTME647中的推薦值。對于退火或經(jīng)過敏化后等硬化系數(shù)較高的材料，可以適當(dāng)控制裂紋長度比推薦標(biāo)準(zhǔn)略大；對于冷變形或輻照后等硬化系數(shù)較小的材料，可適當(dāng)控制裂紋長度低于推薦標(biāo)準(zhǔn)。對于奧氏體不銹鋼、690、600等鎳基合金等材料，推薦應(yīng)力腐蝕開裂裂紋長度不超過0.55W。試樣上所注入的直流電流應(yīng)盡量大，以獲得更強(qiáng)的DCPD電勢變化信號，但過高的電流會使試樣發(fā)生極化、電流泄漏等問題。因而，最大電流以試樣不發(fā)生極化為標(biāo)準(zhǔn)，對于0.5TCT試樣，所通過的電流選擇在1.5-3A范圍內(nèi)，對于1TCT試樣電流范圍建議在5～10A范圍內(nèi)。計(jì)算實(shí)際裂紋長度與程序測量裂紋長度的偏差。一般裂紋長度偏差小于10%時，不對K進(jìn)行修正。如果偏差超過10%，需要重新計(jì)算實(shí)際的加載K值，并對裂紋擴(kuò)展速率結(jié)果進(jìn)行校正。如果發(fā)現(xiàn)裂紋偏離預(yù)期開裂平面，需要細(xì)致的分析并在報(bào)告中給出。當(dāng)裂紋偏離開裂平面20°時，裂紋擴(kuò)展速率的測量會有嚴(yán)重的偏差，應(yīng)綜合評價(jià)試驗(yàn)的有效性。為了保證試驗(yàn)的重復(fù)性與數(shù)據(jù)的可靠性，相同試驗(yàn)條件下的裂紋擴(kuò)展測試不應(yīng)小于3次。主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）結(jié)果的分析、綜述報(bào)告、技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果等。準(zhǔn)確、定量獲取核電壓力邊界材料應(yīng)力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)是本標(biāo)準(zhǔn)的主要目的。為起草本標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)編制組進(jìn)行了大量試驗(yàn)驗(yàn)證工作，各參與單位分工負(fù)責(zé)反應(yīng)堆一、二回路中多種牌號結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力腐蝕開裂/腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率數(shù)據(jù)測試工作，在上海交通大學(xué)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的高溫高壓水應(yīng)力腐蝕/腐蝕疲勞試驗(yàn)機(jī)上開展試驗(yàn)研究工作，充分驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)中給出的測試方法的通用性和合理性，從而按照本標(biāo)準(zhǔn)的編制原則和要求，形成高溫高壓水環(huán)境中不同金屬材料的裂紋擴(kuò)展速率數(shù)據(jù)的試驗(yàn)方法、步驟、結(jié)果觀察及評定等要素。通過試驗(yàn)獲取主要反應(yīng)堆材料在一回路高溫高壓水環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展規(guī)律，澄清了其應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的機(jī)理問題，一方面可用于現(xiàn)役設(shè)備的壽命預(yù)測，完善核級設(shè)備老化管理體系，另一方面也將為新型材料的開發(fā)應(yīng)用論證提供標(biāo)準(zhǔn)化手段。顯然，該項(xiàng)技術(shù)預(yù)期可引領(lǐng)長壽命免/少維護(hù)反應(yīng)堆的主流發(fā)展方向，有望轉(zhuǎn)入“十四五”預(yù)研/國家安全重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目繼續(xù)開展研究。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)所形成的反應(yīng)堆材料的應(yīng)力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率數(shù)據(jù)和預(yù)測模型在現(xiàn)有核電關(guān)鍵材料中的應(yīng)用將有利于保障核電站的安全可靠運(yùn)行，減少非計(jì)劃停堆，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)測算，1臺百萬千瓦機(jī)組非計(jì)劃停堆一天將造成1000萬元人民幣的經(jīng)濟(jì)損失。另外，通過項(xiàng)目的實(shí)施，既可以培養(yǎng)一批具有材料服役行為評價(jià)與預(yù)測新思想和新理念，掌握新模式和新方法，富有創(chuàng)新精神和協(xié)同創(chuàng)新能力的高素質(zhì)核電人才隊(duì)伍；也可以向公眾普及核電知識，提高公眾對核電的認(rèn)識，為核電建設(shè)營造良好的社會環(huán)境。與有關(guān)的現(xiàn)行的方針、政策、法律、法規(guī)和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系。與相關(guān)法律法規(guī)的協(xié)調(diào)關(guān)系?！督饘俨牧显诟邷馗邏核械膽?yīng)力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率測量方法》系列標(biāo)準(zhǔn)滿足核安全法規(guī)（HAF）、核安全導(dǎo)則（HAD）。與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)關(guān)系。國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)是BSENISO7539CorrosionofMetalsandAlloys–StressCorrosionTesting合訂本，我國GB/T15970《金屬和合金的腐蝕-應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)》同采用ISO標(biāo)準(zhǔn)。該系列標(biāo)準(zhǔn)給出了設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用不同類型試樣進(jìn)行試驗(yàn)以評價(jià)金屬抗應(yīng)力腐蝕性能的試驗(yàn)程序。YB/T5344-2006給出的鐵-鉻-鎳在高溫水中應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法適用