核一级管道用双相不锈钢长时热老化组织演化及寿命预测

The parts made of casting duplex stainless steels in primary coolant pipes of PWR are very difficult to be replaced with high costs and hard to be detected by nondestructive examination (NDE). The microsturctures and properties evolutions with long-term service have not yet been reported. The project conducts a thermal ageing test at high temperature and pressure steam of 300,350and 400℃,respectively, and 15MPa with boron ions up to 30000 hrs to casting duplex stainless steels and the microstructure evolution, including dislocation configuration changes, interaction between dislocations and twins and stacking faults, precipitations of secondary phase particles and spinodal decomposition, and properties changes involving impact toughness, fracture toughness and low cycle fatigue properites are investigated by means of OM, EBSD, TEM, SEM and XRD, and then the mathematics models of thermal ageing embrittleness evaluation and lifetime prediction are established for casting duplex stainless steel in our nuclear power plant. The research results not only clarify the thermal ageing embrittlement mechanism of casting duplex stainless steels but also are of great significance to the urgent ageing and life management, life extension and the safe operation of nuclear power plant in our country.

压水堆核电站主冷却剂管道用铸造双相不锈钢部件更换难度大、费用高、无损检测不易，而目前国内外对该类钢在工况条件下长期运行的组织和性能变化规律的研究未见公开报道。本项目对核一级管道用铸造双相不锈钢在温度分别为300、350和400℃，压力为15MPa的含硼高压水蒸气中进行长达3万小时的模拟工况试验，采用OM、EBSD、SEM、TEM和XRD等手段，研究其在热老化过程中的组织演化规律，包括位错组态的变化、位错和孪晶、层错的交互作用、第二相粒子的析出以及调幅分解等，和性能变化趋势，包括冲击韧性、断裂韧性和低周疲劳性能等。在此基础上，采用时效参数法建立适合我国核电站用铸造双相不锈钢的热老化脆化评估和剩余寿命预测的数学模型。本项目的研究结果不仅可以弄清该钢的热老化脆化机理，而且对我国迫在眉睫的核电站老化评估、寿命管理和延寿工作以及核电站的安全运行具有十分重要的意义。

压水堆核电站一回路主冷却剂管道在反应堆冷却剂运行温度（一般范围为288-327℃）下长期工作，铸造双相不锈钢会产生热老化脆化，并且随着热老化脆化程度的增加，会引起压力边界部件的临界裂纹尺寸下降，进而威胁一回路压力边界的完整性和核电站的运行安全。因此，基于Z3CN20-09M铸造双相不锈钢的服役条件，展开长时模拟工况加速热老化后组织结构、力学性能、变形和断裂机理、服役退化机制以及寿命预测模型等方面的研究工作，对核电站老化评估和寿命管理以及延寿工作都有十分重要的意义。.本项目的研究结果表明：1）400℃长达30000小时的加速热老化对核电一回路主管道用钢的金相组织和铁素体含量基本没有影响，但会引起组织中奥氏体相全位错的密度大幅降低、位错网络、亚晶界和不可动位错的形成。长时热老化后组织中铁素体相调幅分解形成的富铬的α'相以及铁素体内和位错线上析出的G相是该钢热老化脆化的主要原因。2）长时热老化主要造成铁素体相的显微硬度、抗拉强度、微型杯突最大强度Pu/t02和韧-脆转变温度的上升以及裂纹不稳定扩展起始功Wiu、裂纹不稳定扩展终止功Wa和冲击总功Wt和微型杯突比断裂能的下降，而冲击裂纹扩展功Wt-Wiu基本不受热老化时长的影响。3）长时热老化不会影响主管道钢的室温和350℃的拉伸变形模式，室温以位错的滑移和孪生变形为主，而350℃拉伸时仅以位错的滑移为主。长时热老化主要影响主管道钢中裂纹的萌生方式。未老化时裂纹在奥氏体-铁素体相界萌生，而长时热老化后裂纹萌生于铁素体内的滑移台阶处。4）随热老化时间的延长，室温下主管道钢常规拉伸、微型杯突和示波冲击断裂机理均有微孔聚集型韧性破断向准解理型韧脆混合断裂转变。5）当时效参数P=3.48的时效状态下，Z3CN20-09M钢中的铁素体发生了调幅分解。所获得基于冲击吸收功和时效参数P的数学模型可以很好地预测该钢长时热老化后的冲击韧性。6）主管道冷腿用钢在接近延寿期60EFYS时，而热腿用钢则要在其接近设计寿命40EFYS时，需要关注其热老化脆化问题。