CSTM试验方法标准-光滑试样在高温高压水中多通道应力腐蚀裂纹萌生试验方法编制说明

附件5：CSTM标准光滑试样在高温高压水中多通道应力腐蚀裂纹萌生试验方法编制说明（征求意见稿/送审稿/报批稿）标准编制组2021年7月工作简要过程，来源及主要参加单位和工作组成员1.1工作简要过程（1）总体过程本标准的制定过程主要分为前期准备、初稿编写阶段、征求意见稿编写阶段。（2）前期准备（2019年9月-2019年12月）主要任务是成立标准编制小组，分解工作任务、文件收集和调研分析、明确标准编制的进度控制。在前期准备阶段成立标准编制小组和明确工作任务后，首先消化吸收上海交通大学编制的相关技术条件；收集了国标（GB）和能源标准（NB）有关的检测、检验标准，并对上述所有标准进行了研究和分析，确立编制标准的构架以及技术内容。根据核电标准体系研究的前期工作分析结果，确定了本标准编制的进度安排。（3）初稿编写（2020年1月-2020年8月）在上述调研分析的基础上同时结合国内实际情况，起草了本标准的初稿。（4）征求意见稿编写（2020年8月-2020年10月）初稿完成后，在具体章节编写过程中，对于标准内容的定位和合理安排问题主编单位向各参编单位征求了相关意见。并对反馈意见主编单位内部进行多次反复讨论和修改，最终形成本标准征求意见稿。标准征求意见稿编制期间主要工作如下：2020年8月19日于上海主编单位上海交通大学就本标准初稿向部分专家征求了修改意见，对初稿进行了部分修改及完善。1.2来源及主要参加单位和工作组成员本标准经过中国材料与试验团体标准委员会（以下简称：CSTM标准委员会）金属材料腐蚀与防护领域委员会审查，CSTM标准委员会批准CSTM标准《光滑试样在高温高压水中多通道应力腐蚀裂纹萌生试验方法》立项，标准项目归口管理委员会为CSTM/FC92金属材料腐蚀与防护领域委员会，该标准（中文版）立项编号为CSTMLX920000737-2021，标准（英文版）立项编号为CSTMLX920000737-2021E，计划于2022年6月完成本项目。本项目由上海交通大学牵头主编，苏州热工研究院有限公司、东北大学和西北工业大学为参编单位。本标准编制组成员情况详见表1。表1：标准编制组成员名单序号姓名单位职务/职称负责编写内容1汪家梅上海交通大学博士后编制全文2郭相龙上海交通大学副教授审核全文3陈凯上海交通大学博士后审核全文4张乐福上海交通大学研究员审定全文5薛飞苏州热工研究院有限公司高级工程师审定全文6彭群家苏州热工研究院有限公司高级工程师审核全文7梅金娜苏州热工研究院有限公司高级工程师审定全文8韩姚磊苏州热工研究院有限公司工程师审核全文9张涛东北大学教授审核全文10杜东海西北工业大学副教授审核全文标准化对象简要情况及制修订标准的原则2.1标准化对象简要情况试验方法的水平及使用情况，试验设备及仪器情况本标准采用光滑拉伸试样结合直流电压降（DCPD）技术在高温高压水中在线监测应力腐蚀裂纹萌生行为，获得定量的裂纹萌生时间数据；对核电结构材料应力腐蚀失效定量化评价数据的产出、开裂机理的揭示、核电安全的保障、设备寿命的预测和运行维护成本的降低等都具有重要意义。所获得关键数据已在华龙一号、CPR1000等核电机组设计和安全论证中得到应用。试验方法的水平及使用情况，试验设备及仪器情况其中，直流电压降（DCPD）技术对裂纹扩展行为在线监测已在ASTM标准《ASTME647-11StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》中得到标准化应用。试样制备和要求可参考《GB/T15970.7-2000金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第7部分：慢应变速率试验》和《ASTMG129-00(2013)StandardPracticeforSlowStrainRateTestingtoEvaluatetheSusceptibilityofMetallicMaterialstoEnvironmentallyAssistedCracking》等现行标准。标准中试验所涉及的拉伸设备、信号采集仪表、高温高压水回路的水化学监测仪表等均采用标准化商用仪器仪表。2.2制修订标准的原则（1）制修订标准的依据或理由；目前，核能约占全世界能源的13%，在全球变暖的严峻形势下，由于具有零碳排放的优势，核能正逐渐重新获得世界各国的青睐。截止到2011年，全世界已有435个核电运行机组，总发电功率达到370GWe，此外还有108个在建核电机组(总功率108GWe)。发展核能已成为世界各国、尤其是发展中国家的重要能源战略目标之一。截止到2017年12月31日，我国投入商业运行的核电机组共37台，装机容量35.8GWe，2017年核能发电量占比3.94%。目前，我国在建机组为17台，并且每年将批准新建4-6个机组，按照这个发展趋势，预计在2035年，中国将成为全球最大的核电国。我国核电建设起步晚，平均堆龄为7.2年，但于上世纪九十年代投运的秦山一期和大亚湾共三个机组已经面临着许可证延续的挑战，老化管理和寿命预测也逐渐成为国内核电机组面临的重要问题。压力边界主设备，如压力容器、蒸汽发生器和主管道等，在长期运行过程中逐渐老化，评估其应力腐蚀性能是这些设备完整性评价的重要内容。因此，深入研究核电结构材料应力腐蚀开裂行为及失效机理对于保障核电安全、设备寿命预测和降低运行维护成本等都有着重要的意义。为填补国际标准空白，本课题组结合自主研制的多轴多试样恒载荷应力腐蚀裂纹萌生试验装置，采用直流电压降（DCPD）法，监测裂纹萌生时间，研究恒载荷下的材料应力腐蚀裂纹萌生性能，在大量的试验数据支持下，提出《光滑试样在高温高压水中多通道应力腐蚀裂纹萌生试验方法》，为设计者和使用者提供更新一代的标准。通过本标准的制定，可以规范核电设备用金属材料在高温高压水中多通道应力腐蚀裂纹萌生在线测量方法，促进国内相关科研机构间测试方法和试验结果的规范性、通用性、一致性以及可靠性；对核电结构材料应力腐蚀失效定量化评价数据的产出、开裂机理的揭示、核电安全的保障、设备寿命的预测和运行维护成本的降低等都具有重要意义。（2）制修订标准的原则。（1）合规合法性本标准的制定符合国家现行有关法律、法规和政策。（2）科学合理性本标准的制定和对试验的各项规定均需符合科学规律，具有科学合理性。（3）先进性本标准的制定有利于促进技术进步和科技发展，反映了本行业的具体情况和未来发展方向，充分论证与界定了标准的适用范围，其技术水平为国内领先、国际先进水平。（4）通用性标准的制定主要为了规范核电设备用金属材料在高温高压水中多通道应力腐蚀裂纹萌生在线测量方法，促进国内相关科研机构间测试方法和试验结果的规范性、通用性、一致性以及可靠性。（5）规范性本标准制定时严格遵循GB/T1.1-2020《标准化工作导则》规定，文字表达力求准确简明，内容严谨合理。标准主要内容确定的论据本标准主要内容确定的论据：本标准按照GB/T1.1-2020标准规定的结构、格式和表达方式编辑；基本物理概念表示方法，考虑测试方法的规范性、统一性以及使用习惯；在测试方法使用的可指导性方面，规定了核电设备用金属材料在高温高压水中进行应力腐蚀裂纹萌生时间定量测量试验的适用范围、试样制备和要求、试验原理、仪器、设备、关键试验步骤、试验结果观察及评定和试验报告等；本标准主要内容：本标准采用光滑拉伸试样结合直流电压降（DCPD）技术在高温高压水中在线监测应力腐蚀裂纹萌生行为，获得定量的裂纹萌生时间数据；规定了试验适用范围、试样制备和要求、试验原理、仪器、设备、关键试验步骤、试验结果观察及评定和试验报告等在本标准编写过程中，参考了《GB/T15970.1金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第1部分：试验方法总则》、《GB/T15970.6金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第6部分：恒载荷或恒位移下预裂纹试样的制备和应用》、《GB/T15970.7-2000金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第7部分：慢应变速率试验》、《ASTME647-11StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》、《ASTME399-06StandardTestMethodforLinear-ElasticPlane-StrainFractureToughnessKICofMetallicMaterials》、《ASTMG129-00(2013)StandardPracticeforSlowStrainRateTestingtoEvaluatetheSusceptibilityofMetallicMaterialstoEnvironmentallyAssistedCracking》中关于裂纹萌生试验的相关规定，结合自主研制的多轴多试样恒载荷应力腐蚀裂纹萌生试验装置，采用直流电压降（DCPD）法，监测裂纹萌生时间，研究恒载荷下的材料应力腐蚀裂纹萌生性能，在大量的试验数据支持下，提出《光滑试样在高温高压水中多通道应力腐蚀裂纹萌生试验方法》。具体技术内容说明如下。高温高压水环境应力腐蚀/腐蚀疲劳实验系统应包括伺服加载系统、水化学控制回路、高压釜、加热及温度控制器、信号采集与集成控制软件系统。伺服加载和计算机应能够实现交互控制。可以实现电脑控制的载荷加载方式，至少要有20kN的拉伸载荷，试验机至少能够达到1E-7～1mm/s的加载速率范围，以适应裂纹萌生试样的不同加载要求。一般采用可调流量的高压计量泵为高压釜系统提供压力和介质流量。高压计量泵的流量应与高压釜容积相匹配，控制高压计量泵流量的目标是保证高压釜内的水质恒定、且为可控的目标值。对于模拟压水堆核电厂一、二回路的一般环境情况下，应至少保证高压釜内换水率大于2次/小时，即高压泵每小时的流量大于高压釜的容积，在较纯净水质工况要求下，建议高压釜换水率大于4次/小时。由于长期的试验过程中，环境温度的波动对电极的热电势以及仪器设备的测量精度有影响。实验设备系统建议安装在室内温度比较稳定的实验室中，有条件时建议安装恒温空调系统，以减小室内温度波动对精密仪器测量精度的影响。对于应力腐蚀裂纹萌生试验，国内外普遍采用标距段光滑的圆棒状或片状拉伸试样。试样的取样、形状尺寸推荐参照GBT15970.7-2000标准，实际可以根据材料尺寸限制和试验目的进行适当调整。为保证试样标距段表面的均匀一致性，通常采用打磨抛光试样进行试验。通常裂纹萌生试验采用恒应力加载方法，加载载荷通常选取0.6~1.2倍屈服强度。通常屈服强度随温度会发生显著变化，必须采用试验温度下的屈服强度。对于腐蚀性较强的环境，需要预先在试验介质中进行拉伸试验，获得应力-应变曲线和相应温度下的屈服强度。通常对于恒载荷裂纹萌生试验，可选用弹簧加载和独立拉伸机加载的方式进行，弹簧加载装置简单，无需独立拉伸机，但试验过程中载荷波动较大，推荐使用独立拉伸机进行载荷的维持。根据事先获得的屈服强度，计算每根拉伸轴需要提供的载荷，缓慢（建议低于0.01mm/s）加载至目标载荷，记录相应的应力-应变曲线，同时打开DCPD测量系统，进行电位监测，实时计算参比应变。一旦发现电位或参比应变发生显著增加，表明试样标距段出现萌生裂纹，此时应在较短时间内停止试验，取出试样进行SEM形貌观察，根据裂纹分布情况结合DCPD曲线确定裂纹萌生时间。主要试验（或验证）结果的分析、综述报告、技术经济论证，预期的经济效果等。高效、定量获取核电压力边界材料应力腐蚀开裂裂纹萌生时间参数是本标准的主要目的。为起草本标准，标准编制组进行了大量试验验证工作，各参与单位分工负责反应堆一、二回路中多种牌号结构材料的应力腐蚀开裂裂纹萌生行为及裂纹萌生时间数据测试工作，在上海交通大学自主研发设计的高温高压水应力腐蚀开裂裂纹萌生试验机上开展试验研究工作，充分验证标准中给出的测试方法的通用性和合理性，从而按照本标准的编制原则和要求，形成高温高压水环境中不同金属材料的裂纹萌生时间数据的试验方法、步骤、结果观察及评定等要素。通过试验获取主要反应堆材料在一回路高温高压水环境下的应力腐蚀裂纹萌生和扩展规律，澄清了其应力腐蚀裂纹萌生和扩展的机理问题，一方面可用于现役设备的寿命预测，完善核级设备老化管理体系，另一方面也将为新型材料的开发应用论证提供标准化手段。显然，该项技术预期可引领长寿命免/少维护反应堆的主流发展方向，有望转入“十四五”预研/国家安全重大基础研究项目继续开展研究。标准试验所形成的反应堆材料的应力腐蚀裂纹萌生数据和预测模型在现有核电关键材料中的应用将有利于保障核电站的安全可靠运行，减少非计划停堆，创造巨大的经济效益。据测算，1台百万千瓦机组非计划停堆一天将造成1000万元人民币的经济损失。另外，通过项目的实施，既可以培养一批具有材料服役行为评价与预测新思想和新理念，掌握新模式和新方法，富有创新精神和协同创新能力的高素质核电人才队伍；也可以向公众普及核电知识，提高公众对核电的认识，为核电建设营造良好的社会环境。与有关的现行的方针、政策、法律、法规和强制性标准的关系。与相关法律法规的协调关系。《光滑试样在高温高压水中多通道应力腐蚀裂纹萌生试验方法》系列标准满足核安全法规（HAF）、核安全导则（HAD）。与相关标准的协调关系。目前国内外并无统一的裂纹萌生试验标准。GB10126-88《铁-铬-镍合金在高温水中应力腐蚀试验方法》以恒变形方法，采用U型弯曲试样和C型环试样，评价奥氏体不锈钢、铁镍基合金、镍基合金在高温水中应力腐蚀破裂敏感性。该试验方法简单、操作方便、费用较低，但应力状态不明确，一旦发生应力松弛，即试验过程中裂纹萌生，试样加载时所储存的弹性应变能会部分或全部转变为塑性变形得以释放，导致已有裂纹扩展缓慢或者停止，对试验结果有显著影响。G