316L 不銹鋼管材內壓爆破性能的研究

劉 洋，馬海濱，黃 恒，王占偉，翟劍晗

（1.中廣核研究院有限公司ATF 研發項目部，廣東 深圳 518000；2.深圳核電站高安全性事故容錯燃料技術工程實驗室，廣東 深圳 518000）

目前，世界常見的核電站堆型有壓水堆，沸水堆、重水堆和快中子堆等，其中大多結構部件均采用不同類型鋼材，如：304L、316L、321H 和Cr-Ni 型雙相不銹鋼等，因此鋼材的可靠性直接影響核電站運行安全［1-4］。尤其是引領未來核電發展的第四代先進核電技術，更是將改進型高性能鋼材作為許多關鍵結構件的候選材料，它們處于溫度更高、輻照損傷更為強烈、腐蝕環境更為復雜的運行環境［5-7］，對鋼材性能提出更為苛刻的要求。

文章采用核電中應用較為廣泛的316L 不銹鋼管材作為研究對象，對目前研究較少的內壓爆破性能進行研究，為后續316L 不銹鋼改性提供重要的數據基礎，進一步推動其在核電領域的應用。

1 實驗部分

1.1 試驗樣品

試驗材料為316L 不銹鋼管材，材料名義化學成分見表1。

表1 316L 不銹鋼名義化學成分（wt.%）

依據ASTM B811-02（2007）內壓爆破標準，內壓爆破試驗管材需滿足長徑比大于10，樣品尺寸長22 cm，外徑9.5 mm，壁厚0.8 mm。316L 不銹鋼管材樣品如圖1所示。

1.2 試驗方法

內壓爆破試機采用液氣復合加載模式加壓，溫度低于400 ℃，采用高溫硅油加載；溫度高于400 ℃時，采用Ar 氣進行加壓。試驗升壓速率為13.8 MPa/min，試驗溫度分別為室溫、350 ℃、400 ℃、600 ℃。試驗后對破口周長進行測量（破口周長不包含開口長度）。采用Gemini SEM500 場發射電子顯微鏡對爆破破口微觀形貌進行分析。

圖1 316L 不銹鋼管材樣品

2 結果與分析

2.1 內壓爆破曲線

不同溫度316L 管材壓力-時間曲線如圖2 所示?？梢钥闯?，隨著溫度升高，爆破壓力逐漸下降。室溫時，管材爆破壓力為109.4 MPa；溫度升高至350 ℃時，爆破壓力降為85.1 MPa；進一步升高溫度至400 ℃，爆破壓力降為81.9 MPa；溫度為600 ℃時，爆破曲線平穩性有所下降，加載后期升壓速率有所下降，總體滿足試驗升壓速率要求。相比于400 ℃試驗，爆破壓力進一步降為69.4 MPa。

2.2 爆破強度

式中：Qz為周向強度，MPa；P 為管材內壓力，MPa；D為管材直徑減去平均壁厚，mm；t 為管材最小壁厚，mm。

試驗件平均外徑尺寸、壁厚、最小壁厚、爆破壓力和周向強度列于表2 中?？梢钥闯?，隨著溫度升高，周向強度逐漸下降，但在600 ℃高溫時，仍保持一定強度。室溫時，周向強度為558.6 MPa；溫度升高至350 ℃時，周向強度降至439.1 MPa；進一步升高溫度至400 ℃，周向強度降至417.5 MPa；溫度為600 ℃時，周向強度下降至355.9 MPa。

圖2 316L 不銹鋼管材不同溫度內壓爆破曲線

表2 316L 不銹鋼爆破數據

2.3 破口分析

圖3 為316L 不銹鋼管材破口宏觀和微觀形貌圖。宏觀破口可以看出，管材破口均為軸向撕裂，且隨著溫度升高，破口撕裂程度加劇。破口微觀形貌分析可以看出，不同溫度下管材破口均存在不同數量、大小的韌窩，韌窩是金屬材料韌性斷裂的主要特征，表明316L 不銹鋼管材在不同試驗溫度下均具有較好的韌性。

破口腫脹變形數據如表3 所示。

表3 破口腫脹變形數據

由于試驗件破口部分在爆破過程（尤其是氣壓爆破）中受到損壞，故破口腫脹變形數據僅具有一定的參考性。

3 結果與分析

文章針對316L 不銹鋼管材內壓爆破和高溫拉伸性能進行研究，得出結論如下：

（1）316L 不銹鋼管材具有較好的周向強度。隨溫度升高，周向強度逐漸降低，600 ℃時，周向強度仍保持355.9 MPa。

（2）SEM 結果分析表明，不同溫度下管材破口均存存在不同數量、大小的韌窩，表明316L 不銹鋼管材具有較好的韌性。

圖3 316L 不銹鋼管材破口宏觀和微觀形貌圖