一、项目简介

受甲方委托，国家材料服役安全科学中心于2020年11月至2021年11月使用高温高压水汽环境结构材料试验装置开展了管道结构件高温高压疲劳裂纹扩展试验研究。该工作属于国家重大专项“CAP1400核电站运行和维护技术”专题“核级不锈钢管道腐蚀疲劳行为及监检测技术研究”项目研究内容。

该工作针对核电站启停堆及功率变化带来的温度改变在阶梯状管道上产生循环应力引起疲劳裂纹扩展问题，使用预制裂纹的阶梯管试样，将常温高压水与高温高压水（325℃/15MPa）循环通入试验管道内部，辅以有限元仿真，研究高温水环境下冷热疲劳引起的裂纹扩展及冷热疲劳寿命评估和预测。

该工作的主要试验技术难点是高温高压循环水的温度周期性变化控制。可通过两种方式实现，一是单一回路配合升温和降温设备直接对高压循环水进行温度控制，该方法的缺点是升降温周期长、能耗高；二是高温高压水和常温高压水双回路循环通入试验管内实现温度周期变化，该方法的优点是高温水回路一直保持高温状态，能耗低，且冷热水直接切换，温度变化周期短，具有更高的等效加速时间效率。国家材料服役安全科学中心高温高压腐蚀实验站的亚临界水汽环境结构材料试验装置是国内外唯一具有双回路设计的高温高压试验装置，通过简单改造即可实现对管道试样的冷热冲击疲劳测试，这也是甲方选用该装置的原因。

二、试验技术

1、试验设备

      使用国家材料服役安全科学中心高温高压水汽环境结构材料试验装置子项目的亚临界水汽环境结构材料试验装置（含高压釜加载系统和高温高压循环水双回路系统）开展试验。

亚临界水汽环境结构材料试验装置与两条循环回路系统

2、试验方案

      本试验的大体方案是利用亚临界水汽环境结构材料试验装置的两条高温高压水回路系统（管内回路系统和管外回路系统），同时连通到试验管中，两条回路循环交替向试验管内部通入流动高温高压水和常温高压水，实现热疲劳测试。为了实现这一功能，需要对装置进行适应性改造，增加部分管件、阀门控制系统和加热系统，将管内回路系统和管外回路系统联通。使用内回路系统向试验管通入常温高压水，使用外回路系统向试验管通入高温高压水，通过阀门控制自动开关阀门，实现向阶梯试验管（12个不同规格、裂纹形状的试验管段串联同时试验）内循环通入38℃/15MPa常温高压水和325℃/15MPa高温高压水，并使用TOFD超声技术监测裂纹扩展。实验参数及试样尺寸参照EPRI相关实验执行。改造组装后的试验段如下图所示，试验管内的温度曲线如下图所示。

利用亚临界水汽环境结构材料试验装置改造组装的阶梯管热疲劳试验段

阶梯管热疲劳试验温度曲线