测试结果及分析：9.3.2版本优化解析

1.试验数量

本试验共对加工合格的56件试样进行试验，经过分析实测数据和试验后残样，水环境中有效数据为49个，下面分别就应变幅值、应变速率、温度和溶解氧对疲劳寿命的影响进行说明和分析。

2.空气与室温水中的疲劳寿命分析

试验首先进行了空气中试样的疲劳性能测试。图9-4所示为SA-508Gr.3Cl.1低合金钢在室温空气中的ε_a-N曲线，包含ASME（低合金钢）平均曲线与设计曲线，以及NUREG/CR-6909报道的室温空气中的疲劳数据。

图9-4 SA-508 Gr.3 Cl.1低合金钢在室温空气中的ε_a-N曲线

对比发现，SA-508 Gr.3 Cl.1低合金钢在室温空气中的疲劳寿命与ASME平均曲线和ANL给出的室温空气中的模型曲线（ANL mode lair）吻合较好，分布在这两条曲线的两侧，略偏于曲线的下方。

图9-5所示为SA-508 Gr.3 Cl.1RPV低合金钢室温空气、300℃空气和25℃水中的疲劳强度数据，由图可见：

1）所有疲劳强度数据与ASME平均曲线吻合较好，略偏于曲线的下方。

2）同时在中高应变幅值下，室温水环境和高温空气环境（300℃）条件对疲劳寿命基本无影响。

3）在低应变幅值下，高温空气环境（300℃）使疲劳寿命略降低。

图9-5 SA-508 Gr.3 Cl.1低合金钢室温空气、300℃空气和25℃水中的ε_a-N曲线

3.应变幅值的影响

固定试验温度（300℃）、试验溶解氧（10μg/kgDO）和应变速率（0.4%/s），通过改变应变幅值（应变幅值为0.4%～1.2%）进行试样的高温高压水环境试验，来分析应变幅值对疲劳寿命的影响。通过分析试验数据可以得知，应变幅值对疲劳寿命影响较大。

从试验结果拟合曲线可以发现，SA-508 Gr.3 Cl.1钢在300℃、10μg/kgDO的高温纯水中应变速率为0.4%/s时的疲劳寿命低于室温空气中的疲劳寿命，数据点位于ASME平均曲线的下侧，且应变幅值越低，寿命下降得越明显。上述结果说明，本试验条件下RPV用SA-508 Gr.3 Cl.1钢在高温高压水中的疲劳寿命相对空气环境略有降低，尤其是低应变幅值条件下，表现出一定的环境效应。

4.应变速率的影响

固定试验温度、溶解氧和应变幅值，通过改变应变速率进行试样的高温高压水环境试验，来分析应变速率对疲劳寿命的影响。通过分析试验数据可以得知，应变速率对疲劳寿命影响较大。

应变速率从4%/s下降到0.004%/s时，SA-508 Gr.3 Cl.1RPV钢在300℃、10μg/kg DO的高温纯水中的疲劳寿命呈下降趋势，尤其是在应变速率为0.004%/s时，疲劳寿命下降非常明显，已经远离ASME平均曲线，接近ASME设计曲线。低应变速率下，大部分的疲劳数据点均位于ASME平均曲线的下侧，表现出较明显的环境弱化效应。上述结果说明，本试验条件下（300℃、10μg/kg DO），RPV用SA-508 Gr.3 Cl.1钢在高温高压水中的疲劳寿命受应变速率影响较显著，低应变速率条件下表现出明显的环境弱化效应。

5.温度的影响

固定应变速率、溶解氧和应变幅值，通过改变试验温度进行试样的高温高压水环境试验，来分析试验温度对疲劳寿命的影响。通过分析试验数据可以得知，试验温度对疲劳寿命影响较大。

试验发现，水环境的温度改变会显著影响疲劳寿命，且随着温度升高，疲劳寿命呈下降趋势；当水环境温度从150℃下降至25℃时，疲劳寿命基本不变化；当水环境温度从150℃上升至300℃时，疲劳寿命下降趋势非常明显。所有的疲劳数据点均位于ASME平均曲线的下侧，表现出较明显的环境弱化效应，说明水环境温度对疲劳寿命的影响与应变幅值有一定关系：在低应变幅值下，温度的环境弱化效应更显著。

6.溶解氧的影响

固定应变速率、试验温度和应变幅值，通过改变溶解氧进行试样的高温高压水环境试验，来分析溶解氧对疲劳寿命的影响。通过分析试验数据可以得知，溶解氧对疲劳寿命影响较大。

试验发现，所有的疲劳数据点均位于ASME平均曲线的下侧，表现出较明显的环境弱化效应，但所有的数据点仍位于ASME疲劳设计曲线的上方。溶解氧改变会显著影响疲劳寿命，溶解氧从10μg/kg上升至200μg/kg时，高温纯水中的疲劳寿命下降非常明显，疲劳寿命逐渐远离ASME平均曲线，接近ASME设计曲线，说明在高温高压水中，疲劳寿命受溶解氧影响较显著，表现出明显的环境弱化效应。

7.F_en计算与评价

2007年美国NRC基于NUREG/CR-6909的数据和建议，颁布了RG1.207导则，给出了低合金钢的环境疲劳校正因子F_en的计算表达式，如下

Low-alloysteels： F_en=exp（0.702-0.101S^*T^*O^*ε^*）

S^*=0.015 （DO＞1.0mg/kg）

S^*=0.001 （DO≤1.0mg/kgandS≤0.001wt.%）

S^*=S （DO≤1.0mg/kgand0.001＜S≤0.015wt.%）

S^*=0.001 （DO≤1.0mg/kgandS＞0.015wt.%）

T^*=0 （T≤150℃）

T^*=T-150 （150℃＜T≤350℃）

O^*=0 （DO≤0.04mg/kg）

O^*=ln（DO/0.04） （0.04mg/kg＜DO≤0.5mg/kg）

O^*=ln（12.5） （DO＞0.5mg/kg）

ε^*=0 （ε＞1%/s）

ε^*=ln（ε） （0.001%/s≤ε≤1%/s）

ε^*=ln（0.001） （ε＜0.001%/s）

F_en表达式中主要考虑了温度因子T^*、溶解氧因子O^*和应变速率因子ε^*的影响，并建议了各因子的边界条件。(www.xing528.com)

根据本试验RPV用低合金钢SA-508 Gr.3 Cl.1设置的参数如下：

化学成分检测含硫量：0.002wt.%；

高温高压水腐蚀疲劳试验温度：300℃；

溶解氧DO：10μg/kg、100μg/kg、200μg/kg；

应变速率：4%/s、1%/s、0.4%/s、0.04%/s、0.004%/s。

依据上述F_en表达式，可以计算上述应变速率下的各影响因子如下：

S^*=0.002；

T^*=150；

O^*=0（10μg/kg）、0.916（100μg/kg）、1.609（200μg/kg）；

ε^*=0（4%/s和1%/s）、-0.916（0.4%/s）、-3.129（0.04%/s）、-6.908（0.004%/s）。

因此，考虑PWR运行正常工况下的F_en的数值为2.02。

通过将RPV用SA-508Gr.3Cl.1钢在300℃、10μg/kgDO的高温纯水中应变速率为0.4%～4%/s的疲劳寿命与ASME平均曲线、设计曲线及F_en=2.02、预测曲线进行对比，应变速率为4%/s和1%/s的疲劳强度数据分布在F_en=2.02预测曲线的两侧；应变速率为0.4%/s、0.04%/s和0.004%/s的疲劳强度数据分布在F_en=2.02预测曲线下方。这说明该溶解氧和应变速率条件下高温高压水环境确实降低了RPV用SA-508 Gr.3 Cl.1钢的疲劳抗力，对F_en的预测不能有效包含该环境效应。

NRC和ANL在补充最新的环境疲劳强度数据的基础上，近些年不断更新表达式及优化其边界条件，于2012年底给出了Updated NUREG/CR-6909，建议了更新版的F_en的表达式并向公众征求意见。修订的F_en表达式如下

Low-alloy steels： F_en=exp[（0.003-0.031ε^*）S^*T^*O^*]

S^*=2.0+98S （S≤0.015wt.%）

S^*=3.47 （S＞0.015wt.%）

T^*=0.395 （T≤150℃）

T^*=（T-75）/190 （150℃≤T≤325℃）

T^*=1.315 （T≥325℃）

O^*=1.49 （DO＜0.04mg/kg）

O^*=ln（DO/0.009） （0.04mg/kg≤DO≤0.5mg/kg）

O^*=4.02 （DO＞0.5mg/kg）

ε^*=0 （ε＞2.2%/s）

ε^*=ln（ε/2.2） （0.0004%/s≤ε≤2.2%/s）

ε^*=ln（0.0004/2.2） （ε＜0.0004%/s）

F_en表达式中主要考虑了温度因子T^*、溶解氧因子O^*和应变速率因子ε^*的影响，并建议了各因子的边界条件。

依据上述F_en表达式和前文所述参数值，可以计算上述应变速率下各影响因子如下：

S^*=2.196；

T^*=1.184（300℃）；

O^*=1.49（10μg/kg）；

ε^*=0（4%/s）、-0.788（1%/s）、-1.705（0.4%/s）、-4.007（0.04%/s）、-6.310（0.004%/s）。

因此，考虑PWR运行正常工况下的F_en的数值为：

F_en=exp[（0.003-0.031ε^*）S^*T^*O^*]

F_en=exp[（0.003-0.031×0）×2.196×1.184×1.49]=2.023

F_en=exp[（0.003-0.031×（-0.788））×2.196×1.184×1.49]=2.224

F_en=exp[（0.003-0.031×（-1.705））×2.196×1.184×1.49]=3.483

F_en=exp[（0.003-0.031×（-4.007））×2.196×1.184×1.49]=4.911

F_en=exp[（0.003-0.031×（-6.310））×2.196×1.184×1.49]=7.555

可见，修订后的F_en值与旧版差别较大；不同应变速率下疲劳强度数据分布在对应的预测曲线的两侧，且主要落在上侧区域；试验数据点主要分布在ASME名义曲线的下侧，说明该溶解氧和应变速率条件下高温高压水环境确实降低了RPV用SA-508Gr.3Cl.1钢的疲劳抗力，但F_en的预测可以包含该环境效应。

通过将RPV用SA-508 Gr.3 Cl.1钢在300℃、10μg/kgDO的高温纯水中应变速率为4%/s、1%/s、0.4%/s、0.04%/s、0.004%/s的疲劳寿命与ASME名义曲线、设计曲线及F_en=2.023、F_en=2.224、F_en=3.483、F_en=4.911、F_en=7.555预测曲线进行对比，应变速率为4%/s和1%/s的疲劳强度数据分布在F_en=2.023预测曲线的两侧；应变速率为0.4%/s、0.04%/s和0.004%/s的疲劳强度数据分布在F_en=3.483、F_en=4.911和F_en=7.555预测曲线上方，说明该溶解氧和应变速率条件下高温高压水环境确实降低了RPV用钢SA-508 Gr.3 Cl.1的疲劳抗力，F_en的预测不能有效包含该环境效应。