CSTM-金属材料在高温高压水中的应力腐蚀腐蚀疲劳裂纹扩展速率测量方法编制说明

附件5：CSTM标准金属材料在高温高压水中的应力腐蚀/腐蚀疲劳裂纹扩展速率测量方法编制说明（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12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《金属材料在高温高压水中的应力腐蚀/腐蚀疲劳裂纹扩展速率测量方法》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CSTMLX920000736-2021，标准（英文版）立项编号为CSTMLX920000736-2021E，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使用紧凑拉伸试样和直流电压降（DCPD）进行应力腐蚀/腐蚀疲劳等试验能够在线测量裂纹扩展行为，获得定量的裂纹扩展速率，经过国内外多年的研究与验证，该方法结合电流换向技术消除由于热电势、周围干扰对电势信号的干扰，所测量的信号稳定可靠，近年来逐渐得到认可。对于裂纹扩展试验，ASTME647和E399虽已经在试样标准、夹具、系统设备连接、数据获取与分析等方面进行了详尽的描述，但仍缺乏对于核电设备用金属材料在高温高压水环境下的应力腐蚀/腐蚀疲劳裂纹扩展速率的在线测量流程的规范性指导。本标准规定了核电设备用金属材料在循环的高温高压水中进行应力腐蚀/腐蚀疲劳裂纹扩展试验的范围、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。应力腐蚀/腐蚀疲劳等定量分析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。所获得裂纹扩展速率等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《ASTME647-11StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》和《ASTME399-06StandardTestMethodforLinear-ElasticPlane-StrainFractureToughnessKICofMetallicMaterials》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，由于其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失效行为及开裂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。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环境下的应力腐蚀/腐蚀疲劳裂纹扩展速率的在线测量方法，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：本标准规定了核电设备用金属材料在循环的高温高压水中进行应力腐蚀/腐蚀疲劳裂纹扩展试验的范围、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》、《ASTME647-11StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》、《ASTME399-06StandardTestMethodforLinear-ElasticPlane-StrainFractureToughnessKICofMetallicMaterials》中关于裂纹扩展试验的相关规定，结合自主研制的高温高压水应力腐蚀裂纹/腐蚀疲劳裂纹扩展试验装置，采用直流电压降（DCPD）法，监测裂纹扩展速率，研究材料、环境和载荷三个维度影响因素的影响规律，在大量的试验数据支持下，提出《金属材料在高温高压水中的应力腐蚀/腐蚀疲劳裂纹扩展速率测量方法》。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。伺服加载系统应与DCPD测量系统集成联动，以方便实现对载荷控制，从而实现疲劳裂纹向应力腐蚀裂纹的过渡、恒定应力强度因子(K)、升K、降K等控制模式。由于在高温高压水中进行腐蚀疲劳和应力腐蚀的难度大，采用标准CT或TPB试样进行测试，以获得更可靠的试验数据。标准CT试样和TPB试样形状尺寸参照ASTME399标准。根据ASTME399(2013)标准，应力腐蚀实验使用恒定K、降K控制。当K值偏离目标值0.1%后进行载荷的调整，调整周期需依据裂纹扩展的速率等进行选取。考虑裂纹长度测量的误差，如果出现试样裂纹长度下降的现象时，程序不进行载荷的调整。对于奥氏体不锈钢、镍基合金等经过退火、固溶处理或敏化的材料，以及其它硬化系数较高的金属材料，在进行应力腐蚀裂纹扩展速率试验时，可以控制K在15~25MPa√m范围；进行腐蚀疲劳试验时，可以控制K在15~35MPa√m范围。对于经过冷变形或辐照等硬化系数很小的材料，以及屈服强度较高的材料，例如冷变形的奥氏体不锈钢、镍基合金、低合金钢等，进行应力腐蚀裂纹扩展速率试验时可以控制K在15~35MPa√m范围；进行腐蚀疲劳试验时可以控制K的范围在15~40MPa√m范围内。对于1英寸以上厚度的CT试样，可选择更高的K值范围，具体数值可参考ASTME647中的推荐值。对于退火或经过敏化后等硬化系数较高的材料，可以适当控制裂纹长度比推荐标准略大；对于冷变形或辐照后等硬化系数较小的材料，可适当控制裂纹长度低于推荐标准。对于奥氏体不锈钢、690、600等镍基合金等材料，推荐应力腐蚀开裂裂纹长度不超过0.55W。试样上所注入的直流电流应尽量大，以获得更强的DCPD电势变化信号，但过高的电流会使试样发生极化、电流泄漏等问题。因而，最大电流以试样不发生极化为标准，对于0.5TCT试样，所通过的电流选择在1.5-3A范围内，对于1TCT试样电流范围建议在5～10A范围内。计算实际裂纹长度与程序测量裂纹长度的偏差。一般裂纹长度偏差小于10%时，不对K进行修正。如果偏差超过10%，需要重新计算实际的加载K值，并对裂纹扩展速率结果进行校正。如果发现裂纹偏离预期开裂平面，需要细致的分析并在报告中给出。当裂纹偏离开裂平面20°时，裂纹扩展速率的测量会有严重的偏差，应综合评价试验的有效性。为了保证试验的重复性与数据的可靠性，相同试验条件下的裂纹扩展测试不应小于3次。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。准确、定量获取核电压力边界材料应力腐蚀/腐蚀疲劳裂纹扩展速率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/腐蚀疲劳裂纹扩展速率数据测试工作，在上海交通大学自主研发设计的高温高压水应力腐蚀/腐蚀疲劳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扩展速率数据的试验方法、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扩展规律，澄清了其应力腐蚀裂纹扩展的机理问题，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/腐蚀疲劳裂纹扩展速率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。《金属材料在高温高压水中的应力腐蚀/腐蚀疲劳裂纹扩展速率测量方法》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。国际公认标准是BSENISO7539CorrosionofMetalsandAlloys–StressCorrosionTesting合订本，我国GB/T15970《金属和合金的腐蚀-应力腐蚀试验》同采用ISO标准。该系列标准给出了设计、制备和应用不同类型试样进行试验以评价金属抗应力腐蚀性能的试验程序。YB/T5344-2006给出的铁-铬-镍在高温水中应力腐蚀试验方法适用