CSTM試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)-光滑試樣在高溫高壓水中多通道應(yīng)力腐蝕裂紋萌生試驗(yàn)方法編制說明

附件5：CSTM標(biāo)準(zhǔn)光滑試樣在高溫高壓水中多通道應(yīng)力腐蝕裂紋萌生試驗(yàn)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(shí)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10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)《光滑試樣在高溫高壓水中多通道應(yīng)力腐蝕裂紋萌生試驗(yàn)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CSTMLX920000737-2021，標(biāo)準(zhǔn)（英文版）立項(xiàng)編號為CSTMLX920000737-2021E，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)備及儀器情況本標(biāo)準(zhǔn)采用光滑拉伸試樣結(jié)合直流電壓降（DCPD）技術(shù)在高溫高壓水中在線監(jiān)測應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為，獲得定量的裂紋萌生時(shí)間數(shù)據(jù)；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《GB/T15970.7-2000金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)第7部分：慢應(yīng)變速率試驗(yàn)》和《ASTMG129-00(2013)StandardPracticeforSlowStrainRateTestingtoEvaluatetheSusceptibilityofMetallicMaterialstoEnvironmentallyAssistedCracking》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(gè)核電運(yùn)行機(jī)組，總發(fā)電功率達(dá)到370GWe，此外還有108個(gè)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(gè)機(jī)組，按照這個(gè)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(gè)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)力腐蝕開裂行為及失效機(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。為填補(bǔ)國際標(biāo)準(zhǔn)空白，本課題組結(jié)合自主研制的多軸多試樣恒載荷應(yīng)力腐蝕裂紋萌生試驗(yàn)裝置，采用直流電壓降（DCPD）法，監(jiān)測裂紋萌生時(shí)間，研究恒載荷下的材料應(yīng)力腐蝕裂紋萌生性能，在大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持下，提出《光滑試樣在高溫高壓水中多通道應(yīng)力腐蝕裂紋萌生試驗(yàn)方法》，為設(shè)計(jì)者和使用者提供更新一代的標(biāo)準(zhǔn)。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；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)定均需符合科學(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(shí)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(shí)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)采用光滑拉伸試樣結(jié)合直流電壓降（DCPD）技術(shù)在高溫高壓水中在線監(jiān)測應(yīng)力腐蝕裂紋萌生行為，獲得定量的裂紋萌生時(shí)間數(shù)據(jù)；規(guī)定了試驗(yàn)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》、《GB/T15970.7-2000金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)第7部分：慢應(yīng)變速率試驗(yàn)》、《ASTME647-11StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》、《ASTME399-06StandardTestMethodforLinear-ElasticPlane-StrainFractureToughnessKICofMetallicMaterials》、《ASTMG129-00(2013)StandardPracticeforSlowStrainRateTestingtoEvaluatetheSusceptibilityofMetallicMaterialstoEnvironmentallyAssistedCracking》中關(guān)于裂紋萌生試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合自主研制的多軸多試樣恒載荷應(yīng)力腐蝕裂紋萌生試驗(yàn)裝置，采用直流電壓降（DCPD）法，監(jiān)測裂紋萌生時(shí)間，研究恒載荷下的材料應(yīng)力腐蝕裂紋萌生性能，在大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持下，提出《光滑試樣在高溫高壓水中多通道應(yīng)力腐蝕裂紋萌生試驗(yàn)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)。伺服加載和計(jì)算機(jī)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)交互控制?？梢詫?shí)現(xiàn)電腦控制的載荷加載方式，至少要有20kN的拉伸載荷，試驗(yàn)機(jī)至少能夠達(dá)到1E-7～1mm/s的加載速率范圍，以適應(yīng)裂紋萌生試樣的不同加載要求。一般采用可調(diào)流量的高壓計(jì)量泵為高壓釜系統(tǒng)提供壓力和介質(zhì)流量。高壓計(jì)量泵的流量應(yīng)與高壓釜容積相匹配，控制高壓計(jì)量泵流量的目標(biāo)是保證高壓釜內(nèi)的水質(zhì)恒定、且為可控的目標(biāo)值。對于模擬壓水堆核電廠一、二回路的一般環(huán)境情況下，應(yīng)至少保證高壓釜內(nèi)換水率大于2次/小時(shí)，即高壓泵每小時(shí)的流量大于高壓釜的容積，在較純凈水質(zhì)工況要求下，建議高壓釜換水率大于4次/小時(shí)。由于長期的試驗(yàn)過程中，環(huán)境溫度的波動對電極的熱電勢以及儀器設(shè)備的測量精度有影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)建議安裝在室內(nèi)溫度比較穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室中，有條件時(shí)建議安裝恒溫空調(diào)系統(tǒng)，以減小室內(nèi)溫度波動對精密儀器測量精度的影響。對于應(yīng)力腐蝕裂紋萌生試驗(yàn)，國內(nèi)外普遍采用標(biāo)距段光滑的圓棒狀或片狀拉伸試樣。試樣的取樣、形狀尺寸推薦參照GBT15970.7-2000標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際可以根據(jù)材料尺寸限制和試驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。為保證試樣標(biāo)距段表面的均勻一致性，通常采用打磨拋光試樣進(jìn)行試驗(yàn)。通常裂紋萌生試驗(yàn)采用恒應(yīng)力加載方法，加載載荷通常選取0.6~1.2倍屈服強(qiáng)度。通常屈服強(qiáng)度隨溫度會發(fā)生顯著變化，必須采用試驗(yàn)溫度下的屈服強(qiáng)度。對于腐蝕性較強(qiáng)的環(huán)境，需要預(yù)先在試驗(yàn)介質(zhì)中進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線和相應(yīng)溫度下的屈服強(qiáng)度。通常對于恒載荷裂紋萌生試驗(yàn)，可選用彈簧加載和獨(dú)立拉伸機(jī)加載的方式進(jìn)行，彈簧加載裝置簡單，無需獨(dú)立拉伸機(jī)，但試驗(yàn)過程中載荷波動較大，推薦使用獨(dú)立拉伸機(jī)進(jìn)行載荷的維持。根據(jù)事先獲得的屈服強(qiáng)度，計(jì)算每根拉伸軸需要提供的載荷，緩慢（建議低于0.01mm/s）加載至目標(biāo)載荷，記錄相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時(shí)打開DCPD測量系統(tǒng)，進(jìn)行電位監(jiān)測，實(shí)時(shí)計(jì)算參比應(yīng)變。一旦發(fā)現(xiàn)電位或參比應(yīng)變發(fā)生顯著增加，表明試樣標(biāo)距段出現(xiàn)萌生裂紋，此時(shí)應(yīng)在較短時(shí)間內(nèi)停止試驗(yàn)，取出試樣進(jìn)行SEM形貌觀察，根據(jù)裂紋分布情況結(jié)合DCPD曲線確定裂紋萌生時(shí)間。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。高效、定量獲取核電壓力邊界材料應(yīng)力腐蝕開裂裂紋萌生時(shí)間參數(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)力腐蝕開裂裂紋萌生行為及裂紋萌生時(shí)間數(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)力腐蝕開裂裂紋萌生試驗(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萌生時(shí)間數(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)力腐蝕裂紋萌生和擴(kuò)展規(guī)律，澄清了其應(yīng)力腐蝕裂紋萌生和擴(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)力腐蝕裂紋萌生數(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?！豆饣嚇釉诟邷馗邏核卸嗤ǖ缿?yīng)力腐蝕裂紋萌生試驗(yàn)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。目前國內(nèi)外并無統(tǒng)一的裂紋萌生試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。GB10126-88《鐵-鉻-鎳合金在高溫水中應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法》以恒變形方法，采用U型彎曲試樣和C型環(huán)試樣，評價(jià)奧氏體不銹鋼、鐵鎳基合金、鎳基合金在高溫水中應(yīng)力腐蝕破裂敏感性。該試驗(yàn)方法簡單、操作方便、費(fèi)用較低，但應(yīng)力狀態(tài)不明確，一旦發(fā)生應(yīng)力松弛，即試驗(yàn)過程中裂紋萌生，試樣加載時(shí)所儲存的彈性應(yīng)變能會部分或全部轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃蔚靡葬尫?，?dǎo)致已有裂紋擴(kuò)展緩慢或者停止，對試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響。G