核电汽轮机转子腐蚀疲劳裂纹的扩展行为

核电汽轮机转子有多级叶轮在湿蒸汽和高应力环境中工作，部分叶轮和叶根榫槽表面存在凝结液滴液膜或溶液干枯残留物，从而形成腐蚀环境。同时，汽轮机转子叶片和榫槽等结构承受较高的静、动载荷，在腐蚀介质和交变应力的作用下容易产生腐蚀疲劳，诱发核电汽轮机事故。因此，研究核电汽轮机转子材料在腐蚀环境中的腐蚀疲劳行为，评估其结构的安全性与可靠性对于核电汽轮机的安全运行至关重要。 上海交通大学的研究者以某国产核电低压汽轮机转子材料为研究对象，采用直流电压降（DCPD）法实时测量裂纹扩展速率，研究材料在不同腐蚀环境中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率，并采用模型拟合预测材料在不同工况下的腐蚀疲劳裂纹扩展速率。 试验材料取自上海电气生产的国内某核电厂低压汽轮机转子用钢，其主要化学成分为：ωNi3.375%，ωCr1.751%，ωMo0.687%，ωMn0.352%，ωSi0.087%，ωV0.076%，ωP0.015%，ωC0.274%，ωS0.002%，余量为铁。 核电汽轮机转子的腐蚀环境为低压转子的湿蒸汽环境，在外力载荷的作用下，这种湿蒸汽环境会加速金属材料的裂纹扩展速率，对核电汽轮机低压转子的寿命有较大的影响。某核电低压汽轮机转子材料工作环境为除氧157℃，并伴有微量氯离子。研究结果表明： （1）材料的腐蚀疲劳裂纹扩展可以分为萌生区、亚临界扩展区和失稳断裂区。通过Priddle模型对裂纹扩展速率曲线拟合，可以明显划分出这三个区域，并预测得到门槛应力强度因子幅值△Kth和失稳断裂的应力强度因子Kc。 （2）氯离子对核电汽轮机转子材料的腐蚀疲劳有明显加速作用，由于氯离子的存在，材料的△Kth和Kc均明显下降。氯离子对裂纹扩展速率的加速作用可以用阳极溶解-膜破裂理论来解释。在实际运行工况下应尽量降低氯离子的含量。 （3）对于材料在腐蚀环境中的疲劳破坏，载荷和裂纹扩展速率较低时，腐蚀作用占主导；载荷和裂纹扩展速率较高时，机械破坏占主导。 （4）SEM断口形貌表明，该材料的疲劳破坏形式为穿晶断裂，DCPD测得的裂纹长度与实际断口裂纹长度的偏差均在15%以内，能较好地反映实际裂纹扩展情况。（余冶）