薄壁管高温爆破试验装置研制及应用

在核电迅速发展的形势下，对核电厂燃料组件(燃料元件)和燃料相关组件(控制棒、可燃毒物棒等)的安全要求越来越高。压水堆核电厂燃料组件和燃料相关组件在整个设计寿期内都处于高温、高压、强中子辐照、流体的振动与冲刷、压力波动等非常苛刻的条件下，在整个设计寿期内应保持结构的完整性[1-3]。燃料元件及燃料相关组件的包壳管作为承受高压部件和放射性物质包容的第一道屏障，将直接决定燃料元件及相关组件棒的完整性和安全性。

美国、法国、日本、韩国等核电发达国家对燃料包壳管(Zr-4、Zirlo、M5、HANA等)在模拟压水堆失水事故(LOCA)工况下进行了大量研究，尤其是高燃耗燃料元件包壳管在模拟LOCA工况下的高温爆破试验研究[4-7]，美国开展了316L不锈钢包壳管在模拟LOCA温度条件下的瞬态加热高温爆破试验[8]。国内针对锆合金包壳管开展了室温爆破和运行工况下的高温爆破试验研究。张长义等[9]、周静等[10]、彭继华等[11]开展了M5合金和N36合金包壳管及田春燕等[12]、陈波全等[13]、温敦古等[14]开展了Zr-4合金和两种其他锆合金包壳管的室温爆破及运行工况下的等温高温爆破试验研究；黄玉才等[15]开展了Zr-4合金包壳管在模拟LOCA工况下的臌胀爆破试验。丁学锋等[16]、王德华等[17]、李江江等[18]自主研制了采用液压油作为介质的爆破试验装置。国内的包壳管爆破试验和高温爆破试验装置除文献[15]中的试验外均为室温爆破或(和)运行工况下的等温高温爆破试验，未开展针对压水堆用不锈钢包壳管的等温爆破试验及模拟事故工况下的瞬态加热高温爆破试验。

在假想的压水堆LOCA工况下，燃料元件的温度迅速升高，可燃毒物棒的温度随之快速升高，燃料元件和可燃毒物棒的内部压力也随之增加；由于包壳管的温度升高，其机械性能降低，同时，包壳管在高温蒸汽中急剧氧化及大量吸氢，从而加剧了包壳管的脆化，尤其是寿期末包壳管的内压较高，可能导致包壳管的鼓胀和破裂，第一道屏障失效后燃料芯块和中子吸收体从包壳管内喷出，棒内产生空位，放射性物质及中子吸收体进入一回路冷却剂中，引起反应性变化，从而影响反应堆的安全及放射性物质的排放。因此，为更好地模拟反应堆内包壳管的真实条件，采用高压气体介质的等温高温爆破及瞬态加热高温爆破方法，获得包壳管的高温爆破性能数据是非常必要的，对燃料组件及燃料相关组件的设计、安全分析及反应堆的安全运行具有重要意义。

高温爆破试验包括等温高温爆破试验及瞬态加热高温爆破试验。等温高温爆破试验是以设定的升温速率升温到试验温度，稳定一定时间后再向样品管内以恒定的加压速率充入高压惰性气体，直到样品管爆破。瞬态加热高温爆破试验是室温时预先向样品管内充入一定压力的惰性气体，然后以恒定的升温速率升温，直到样品管爆破。

为研究压水堆LOCA温度条件下的包壳管高温爆破行为，本文拟研制一套更接近于包壳管实际工况、采用高压气体作为试验介质的高温爆破试验装置，以开展等温高温爆破及瞬态加热高温爆破试验，并完成初步的模拟压水堆LOCA温度条件的不锈钢薄壁管瞬态加热高温爆破试验。

1 装置设计及组成

1.1 设计要求

根据压水堆LOCA工况下的计算分析结果及实际条件，高温爆破试验装置的设计技术要求如下：1) 最高工作温度为1 200 ℃，升温速率为1～10 ℃/s，偏差≤±10%；2) 最大工作压力为100 MPa；3) 试验介质为惰性气体；4) 环境气氛为水蒸气/惰性气体/空气；5) 试验样品管外径为8～15 mm，有效长度不小于10倍外径；6) 试验样品管内为填充棒，填充棒与样品管之间的间隙为(0.25±0.05) mm。

1.2 装置组成及功能

试验装置由高压气源单元、试验气氛单元、加热单元、试验台架及测控单元5部分组成，试验装置总体构成示意图如图1所示。试验装置可实现的最高试验温度为1 200 ℃，可模拟反应堆运行工况和事故工况下的升温速率；可实现的最大试验压力为100 MPa，加压速率符合ASTM标准[19-20]中规定的要求。

图1 高温爆破试验装置结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of high temperature burst facility

高压气源单元主要由高压气体增压系统、高压数字压力计、高压阀门及高纯He/Ar气瓶等组成，用来提供试验所需的高压惰性气体及气体增压速率，高压气体增压系统输出惰性气体的最大压力为170 MPa。

试验气氛单元主要由微型蒸汽发生器、高纯He/Ar气瓶、真空泵、数字压力计、阀门等组成，用来对试验气腔内抽真空及提供不同试验所需的试验气氛。

加热单元主要由快速加热电源、加热电极组成，用来实现不同条件下样品管的试验温度及升温速率。

试验台架主要由电子拉压试验机台架、样品固定支架及安全防护网组成。

测控单元主要由高压数字压力计、高温测温计、数据采集模块、通讯模块、测控软件及计算机组成。高温爆破试验的关键参数为样品的内压和表面温度，测量样品内压的数字压力计(GS4200，0～100 MPa，±0.1%)的测点设置在样品入口处；测量样品表面温度的高温测温计(IGAR 12-LO，350～1 300 ℃，±0.5%读数+1 ℃)的测点在样品管有效长度段中间偏上15 mm处的表面最高温度点处。

2 试验条件

2.1 试验样品

样品结构如图2所示，试验样品管材料为316L不锈钢，其化学成分列于表1，冷加工量为14%。试验样品管的尺寸为φ10 mm×0.53 mm×210 mm，加热长度为180 mm，有效长度为150 mm。填充棒材料为氧化铝陶瓷，尺寸为φ8.5 mm×45 mm。

图2 爆破试验样品结构示意图
Fig.2 Schematic diagram of burst test sample structure

表1 316L不锈钢管化学成分
Table 1 Chemical composition of 316L stainless steel tube

2.2 试验参数

试验温度为600～1 200 ℃，升温速率为1～10 ℃/s；室温预充压力为8～50 MPa的高纯He气。

2.3 爆破性能参数计算

根据美国ASTM标准[19-20]中的公式计算分析试验样品的爆破强度(极限环向应力)和周向延伸率。

1) 爆破强度

爆破强度即极限环向应力，按下式计算：

σ=pD/2t

(1)

其中：σ为样品管在试验条件下的极限环向应力，MPa；p为样品管在试验条件下的爆破压力，MPa；D为样品管的平均中径，即平均外径与平均壁厚之差，mm；t为样品管的最小壁厚，mm。

2) 周向延伸率

周向延伸率按下式计算：

δ=(L1-L0)/L0×100%

(2)

其中：δ为样品管在试验条件下的周向延伸率，%；L0为试验前样品管的外表面周长，mm；L1为试验后样品管破口处的最大外表面周长，mm。

3 结果与讨论

3.1 装置的升温速率及温度控制稳定性

在进行316L不锈钢薄壁管高温爆破试验前对试验装置进行了6种等温高温爆破试验条件(3种升温速率、2个温度)的温度控制稳定性及2种模拟事故温度条件的瞬态加热升温速率控制测试。等温高温爆破试验的测试方法是以恒定的升温速率(1、2、5 ℃/s)由室温(20 ℃)升温到试验温度(700、897 ℃)并保温～3 min后停止加热，空冷至室温；模拟事故温度条件的瞬态加热高温爆破试验的测试方法是在室温(20 ℃)时先向样品管内充入1 MPa的高纯He气，以1 ℃/s的恒定升温速率升温到350 ℃并保温～3 min，然后再以恒定的升温速率(5、10 ℃/s)升温到试验温度(915、1 195 ℃)后停止加热，空冷至室温。

以2 ℃/s的恒定升温速率加热至700 ℃保温和以5 ℃/s的恒定升温速率加热至897 ℃保温的试验结果示于图3a、b，实际升温速率分别为(2.0±0.1) ℃/s和(5.0±0.2) ℃/s。以1 ℃/s的恒定升温速率升温至350 ℃并保温～3 min，然后再以5 ℃/s的恒定升温速率升温至1 195 ℃和以10 ℃/s的恒定升温速率升温至915 ℃的试验结果示于图3c、d，实际升温速率分别为(5.0±0.3) ℃/s和(10.0±0.3) ℃/s。测试结果表明：试验装置的最高试验温度可达1 200 ℃，升温速率为1～10 ℃/s，升温速率相对偏差不超过±10%，温度控制稳定性为±3 ℃。

3.2 爆破性能

在高温爆破试验装置上，采用试验样品管在600～1 200 ℃、升温速率为5 ℃/s条件下进行瞬态加热高温爆破试验。本试验模拟压水堆LOCA工况温度条件，室温(20 ℃)时先向样品管内充入8～50 MPa的高纯He气，然后以1 ℃/s的恒定升温速率升温到350 ℃并保温～3 min，再以5 ℃/s的恒定升温速率升温至样品管爆破。

图3 高温爆破试验装置的控温曲线
Fig.3 Temperature control curve of high temperature burst facility

高温爆破强度、周向延伸率随温度的变化示于图4。由图4可见，试验样品管的高温爆破强度随温度的升高线性降低，周向延伸率随温度的升高而增加，尤其是约950 ℃以上增幅明显，但周向延伸率均较低。试验样品管的爆破温度最高为1 184 ℃，爆破最高压力为70 MPa。

图4 爆破强度和周向延伸率与温度的关系
Fig.4 Relationship between burst strength and elongation vs temperature

3.3 样品宏观形貌

试验样品管瞬态加热高温爆破后外观及破口形貌如图5所示。可看出，破口鼓胀较小，由高温低压时的开裂到低温高压时的撕破，甚至是撕断，表明样品管的周向延伸率较低。破口的外观形貌与爆破温度、爆破压力及样品材料有关。

图5 高温爆破试验样品外观及破口形貌
Fig.5 Appearance and fracture morphology of burst test sample

3.4 样品破口微观形貌

采用扫描电子显微镜(SEM)对316L不锈钢试验样品的破口截面进行微观形貌分析，结果如图6所示。图6表明，试验样品破口具有韧性断裂特征，韧窝拉长方向由内壁向外壁，表明力的方向由内壁向外壁扩展；韧窝多为小而浅且大小不均匀，表明它们的韧性较差；微观形貌分析结果与高温爆破试验样品外观的破口鼓胀较小及破口周向延伸率较低的试验结果非常吻合。

4 结论

1) 研制了采用高压气体作为试验介质的薄壁金属管高温爆破试验装置，该装置灵活方便、控制精度高，满足试验要求。

图6 高温爆破试验样品破口SEM微观形貌
Fig.6 SEM observation on fracture of burst test sample

2) 完成了316L不锈钢薄壁管在模拟LOCA工况温度条件的瞬态加热高温爆破试验，获得了316L不锈钢薄壁管的高温爆破性能数据及与温度的关系。