主管道材料高温力学性能研究

李朋洲; 李一磊; 姚迪; 罗家成; 孙磊; 乔红威

doi:10.13832/j.jnpe.2022.06.0139

主管道材料高温力学性能研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0139

中国核动力研究设计院，成都，610213

详细信息

作者简介:
李朋洲（1967—），男，研究员，现主要从事反应堆结构力学研究，E-mail: pengzhouli@aliyun.com

中图分类号: TL341；O341
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出版历程
- 收稿日期: 2021-12-23
- 修回日期: 2022-03-15
- 刊出日期: 2022-12-14

Research on High Temperature Mechanical Properties of Main Pipeline Materials

Nuclear Power Institute of China, Chengdu, 610213, China

摘要

摘要: 提供核电厂破前漏（LBB）设计所需材料性能参数需要测量主管道母材和焊接材料在高温下的力学性能（包括材料在地震环境下的高温动态力学性能）。基于万能伺服材料试验机和高速材料试验机测量了核电厂主管道母材控氮00Cr17Ni12Mo2不锈钢及焊接材料OK Tigrod 316L在高温（350℃）下的静动态拉伸力学性能、裂纹扩展率和静动态断裂韧性。与主管道母材和焊接材料的常温力学性能相比，2种材料在350℃下的静动态拉伸力学性能以及OK Tigrod 316L在350℃下的静动态断裂韧性都较常温有较大幅度的降低，2种材料在350℃下的抗裂纹扩展性能较常温略有下降。研究成果可为核电厂管道的LBB设计提供试验技术和材料参数支持。
- 主管道 /
- 拉伸力学性能 /
- 裂纹扩展 /
- 断裂韧性
Abstract: In order to provide material property parameters for leak before break (LBB) design of nuclear power plant, it is necessary to measure the mechanical properties of base metal and welding material of main pipeline at high temperature, including the high-temperature dynamic mechanical properties of materials in seismic environment. Based on universal servo material testing machine and high-speed material testing machine, the static-dynamic tensile mechanical properties, crack growth rate and static-dynamic fracture toughness of nitrogen controlled 00Cr17Ni12Mo2 stainless steel and OK Tigrod 316L welding material for main pipeline base metal of nuclear power plant at high temperature (350℃) are measured. Compared with the normal temperature mechanical properties of the main pipeline base metal and welding materials, the static-dynamic tensile mechanical properties of the two materials at 350℃ and the static-dynamic fracture toughness of OK Tigrod 316L at 350℃ have significantly decreased compared with the normal temperature, and the crack growth resistance of the two materials at 350℃ has slightly decreased compared with the normal temperature. The research results can provide experimental technology and material parameter support for LBB design of nuclear power plant pipelines.
- Main pipeline /
- Tensile mechanical property /
- Crack growth /
- Fracture toughness

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图 1 U型试验夹具

Figure 1. U-shaped Test Fixture

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图 2 高温环境位移装置及测量示意图

COD—裂纹张开位移

Figure 2. Schematic Diagram of Displacement System and Measurement at High Temperature

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图 3 控氮00Cr17Ni12Mo2不锈钢350℃下典型疲劳裂纹扩展试验结果

Figure 3. Typical Fatigue Crack Growth Test Result of Nitrogen Controlled 00Cr17Ni12Mo2 Stainless Steel at 350℃

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图 4 OK Tigrod 316L在350℃下典型疲劳裂纹扩展试验结果　　　　　　

Figure 4. Typical Fatigue Crack Growth Test Result of OK Tigrod 316L at 350℃

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图 5 控氮00Cr17Ni12Mo2不锈钢三点弯曲试样在350℃、0.5 m/s下试验结果

Figure 5. Testing Result of Nitrogen Controlled 00Cr17Ni12Mo2 Stainless Steel Three-point -bending Sample at 0.5 m/s and 350℃

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图 6 OK Tigrod 316L三点弯曲试样在350℃下准静态试验结果

Figure 6. Testing Result of OK Tigrod 316L Three-point-bending Sample under 350℃ and Quasi Static Condition

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图 7 OK Tigrod 316L三点弯曲试样在350℃、准静态下的J-R阻力曲线

Figure 7. J-R Resistance Curves of OK Tigrod 316L Three-point -bending Sample under 350℃ and Quasi Static Condition

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图 8 OK Tigrod 316L三点弯曲试样在350℃、0.5 m/s下的J-R阻力曲线

Figure 8. J-R Resistance Curves of OK Tigrod 316L Three-point -bending Sample under 350℃ and 0.5 m/s

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图 9 2种材料常温/高温下典型疲劳裂纹扩展试验结果

Figure 9. Typical Fatigue Crack Growth Test Result of Two Materials at Room Temperature or High Temperature

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表 1 控氮00Cr17Ni12Mo2不锈钢在350℃下拉伸性能随应变率变化规律

Table 1. Variation of Tensile Properties of Nitrogen Controlled 00Cr17Ni12Mo2 Stainless Steel at 350℃ with Strain Rate

应变率/s⁻¹	σ_s/MPa	σ_b/MPa	伸长率（δ）/%
0.001	160	317	38.2
0.01	168	332	40.3
0.1	182	323	41.6
0.3	195	378	40.0
1	195	427	40.8
3	209	425	41.1

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表 2 OK Tigrod 316L在350℃下拉伸性能随应变率变化规律　　　　　

Table 2. Variation of Tensile Properties of OK Tigrod 316L Welding Material at 350℃ with Strain Rate

应变率/s⁻¹	σ_s/MPa	σ_b/MPa	δ/%
0.001	388	440	32.4
0.01	340	444	30.2
0.1	362	457	32.3
0.3	358	472	33.7
1	370	492	30.2
3	375	487	31.7

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表 3 350℃下Paris模型参数

Table 3. Parameters of Paris Model at 350℃

材料	试样编号	C	m
控氮00Cr17Ni12Mo2不锈钢	1#	5.173×10⁻¹⁴	3.240
	2#	2.086×10⁻¹²	2.666
	3#	1.202×10⁻¹³	3.087
	4#	1.770×10⁻²⁰	5.474
OK Tigrod 316L	1#	5.895×10⁻¹⁸	4.566
	2#	3.010×10⁻¹⁶	3.970
	3#	1.116×10⁻¹⁶	4.117
	4#	1.116×10⁻¹⁶	4.163

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表 4 OK Tigrod 316L在350℃、不同加载速率下的J_Q0.2、J_Q0.5和J_Q1

Table 4. J_Q0.2、J_Q0.5 and J_Q1 of OK Tigrod 316L with Different Loading Velocities at 350℃

加载速率/(m·s⁻¹)	J_Q0.2/(kJ·m⁻²)	J_Q0.5/(kJ·m⁻²)	J_Q1/(kJ·m⁻²)
（准静态）	357	497	737
0.015	341	456	729
0.05	370	568	894
0.15	357	565	956
0.5	350	521	746

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表 5 控氮00Cr17Ni12Mo2不锈钢常温材料拉伸性能随应变率变化规律

Table 5. Variation of Tensile Properties of Nitrogen Controlled 00Cr17Ni12Mo2 Stainless Steel with Strain Rate at Room Temperature

应变率/s⁻¹	σ_s/MPa	σ_b/MPa	δ/%
0.001	249	552	65.8
0.01	271	544	55.2
0.1	323	549	55.4
0.3	382	551	53
1	403	597	50
3	427	635	50.2

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表 6 OK Tigrod 316L常温材料拉伸性能随应变率变化规律　　　　　　　

Table 6. Variation of Tensile Properties of OK Tigrod 316L with Strain Rate at Room Temperature

应变率/s⁻¹	σ_s/MPa	σ_b/MPa	δ/%
0.001	517	601	34.1
0.01	519	605	30.2
0.1	549	618	33.5
0.3	531	629	32.3
1	542	651	31.4
3	546	645	33.4

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表 7 OK Tigrod 316L在常温及0.5 m/s以内不同加载速率下的J_Q0.2、J_Q0.5和J_Q1

Table 7. J_Q0.2、J_Q0.5 and J_Q1 of OK Tigrod 316L under Normal Temperature and Different Loading Velocities within 0.5 m/s

加载速率/(m·s⁻¹)	J_Q0.2/(kJ·m⁻²)	J_Q0.5/(kJ·m⁻²)	J_Q1/(kJ·m⁻²)
（准静态）	599	875	1286
0.015	589	781	1227
0.05	616	802	1213
0.15	629	806	1153
0.5	577	722	1069

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表 8 2种材料常温下疲劳裂纹扩展Paris模型参数

Table 8. Parameters of Paris Model for Fatigue Crack Growth of Two Materials at Room Temperature

试验类型	材料	试样编号	C	m
疲劳裂纹扩展速率	控氮00Cr17Ni12Mo2	1#	1.536×10⁻¹⁴	3.322
		2#	7.695×10⁻¹⁶	3.712
		3#	5.685×10⁻¹⁶	3.775
		4#	8.860×10⁻¹⁵	3.422
	OK Tigrod 316L	1#	5.475×10⁻¹⁴	3.100
		2#	2.770×10⁻¹⁴	3.215
		3#	9.300×10⁻¹⁵	3.349
		4#	6.957×10⁻¹⁵	3.100

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