ASME STP-NU-018-2009——Grade 91与Hastelloy XR的蠕变-疲劳数据及现有评定程序

28 10 月, 2026
ASME

📐 ASME STP-NU-018-2009 是由日本原子能机构（JAEA）的 Tai Asayama 与 Yukio Tachibana 编制、2009 年 5 月 21 日发布的核工业技术报告，全文 166 页。报告在 DOE 与 ASME ST-LLC 资助下，围绕两种典型高温结构材料展开系统研究：一种是快堆与超临界堆蒸汽发生器广泛采用的 Grade 91（改性9Cr-1Mo）钢，另一种是高温气冷堆（HTGR/HTTR）中间换热器采用的 Hastelloy XR 镍基合金。报告的目的有两层——一是把两种材料的历史蠕变、疲劳与蠕变-疲劳试验数据系统收集、评估并整理成可供规范修订使用的数据库；二是对 ASME-NH、日本 DDS 与法国 RCC-MR 三套蠕变-疲劳评定程序在上述材料上的预测精度进行量化比较，为改进 ASME-NH 分卷提供依据。

💡 蠕变-疲劳评定程序的差异，本质上体现在五个环节：应变范围的确定、保载起始应力的取值、应力松弛行为的估算、蠕变损伤的累积方式（时间分数法 vs. 延性耗竭法）以及安全系数的设定。同一组试验数据，用三套程序评定会得到差别很大的寿命结论，这正是本报告要量化澄清的。

一、报告框架：Part I 针对 Grade 91，Part II 针对 Hastelloy XR 📚

报告分两大部分。Part I（Grade 91）首先按 400 ℃ 以上温度汇总改性 9Cr-1Mo 钢的蠕变、疲劳与蠕变-疲劳数据来源清单，并对数据进行筛选与适用性评价；随后介绍 ASME-NH、DDS 与 RCC-MR 三套程序的细节，逐项比较它们对应变范围、保载起始应力、松弛与蠕变损伤的处理差异；接着在”不含安全裕度”与”按规范程序”两种场景下分别进行蠕变-疲劳损伤评估与寿命预测；最后考察环境效应（拉伸/压缩保载下的空气氧化）、热老化的影响，并从概念上探讨时间分数法与延性耗竭法之间的关系。Part II（Hastelloy XR）则先介绍该合金的开发背景与既有数据，再总结日本高温气冷堆（HTGR）用结构设计指南（High Temperature Structural Design Guideline）中针对 Hastelloy XR 的蠕变-疲劳准则，并以 HTTR 中间换热器（IHX）的非弹性分析作为应用实例，最后对第四代堆（Gen IV）与甚高温气冷堆（VHTR）提出后续研发需求。

二、Grade 91 的数据基础：来源、组成与待解决问题 🗄️

报告把 Grade 91 的可用数据划分为蠕变性能、疲劳性能与蠕变-疲劳性能三个维度。蠕变数据来自美国 ORNL 与日本 NIMS 等长期数据库，覆盖 400 ℃ 以上温度；疲劳数据以应变控制的连续循环试验为主；蠕变-疲劳数据则包含拉伸保载与压缩保载两类。报告特别指出三个”待解决问题”：一是压缩保载对寿命的影响不能简单忽略，因为在空气环境中压缩保载同样可能因蠕变损伤与氧化交互而显著缩短寿命；二是时间分数法在长保载时间下对 Grade 91 的预测偏差；三是不同程序对同一批数据的预测结果差异需要系统量化。

数据类别	主要来源	典型试验条件	报告关注的问题
蠕变	ORNL、NIMS（日本）、欧洲数据库	400~650 ℃，应力覆盖长时断裂	中温区强度的分散性与外推可靠性
疲劳	应变控制连续循环试验	500~600 ℃，应变范围分级	空气氧化对疲劳裂纹萌生的加速作用
蠕变-疲劳	拉伸/压缩保载试验	保载时间 0.1~10 h 不等	压缩保载的损伤贡献、时间分数法的精度
性能影响因子	环境与老化对照试验	空气 vs. 真空、预老化后复测	热老化对循环行为与蠕变延性的影响

三、三种蠕变-疲劳程序的对比与预测精度评价 ⚙️

报告对 ASME-NH、DDS 与 RCC-MR 的差异做了表格化对比。对应变范围，ASME-NH 主要通过弹性分析加弹塑性修正，DDS 与 RCC-MR 则更多依赖非弹性分析结果；对保载起始应力，ASME-NH 假设从弹性解出发经松弛修正，RCC-MR 从非弹性解出发；对蠕变损伤，ASME-NH 与 DDS 使用时间分数法（或以其为基础），RCC-MR 采用延性耗竭法。报告接着在”不含安全裕度”的前提下，用三种程序对同一批 Grade 91 蠕变-疲劳数据进行寿命预测，并与实测寿命比较：时间分数法在长保载区域普遍高估寿命（偏于不保守），延性耗竭法则倾向于低估（偏于保守），二者在高应力短寿命区又趋于重合。

评定环节	ASME-NH	日本 DDS	法国 RCC-MR
应变范围确定	弹性分析 + 弹塑性修正	非弹性分析为主	非弹性分析或简化修正
保载起始应力	弹性计算 + 松弛修正	非弹性计算	非弹性松弛曲线
应力松弛估算	简化松弛关系	基于实测松弛	基于蠕变本构积分
蠕变损伤累积	时间分数法	时间分数法为基础	延性耗竭法
长保载工况倾向	高估寿命（偏不保守）	介于两者之间	低估寿命（偏保守）

⚠️ 报告中一个反复出现的结论是：时间分数法对含长保载、蠕变脆性倾向的材料往往给出非保守的寿命预测。工程上若直接沿用 ASME-NH 程序而不核对材料蠕变延性，可能把本已服役于蠕变区的部件评为”通过”。这是高温设计中被低估的风险。

四、Hastelloy XR：HTGR 与 HTTR 中间换热器的材料与准则 🔥

Hastelloy XR 是为高温气冷堆专门改良的镍基合金，在标准 Hastelloy X 基础上调整成分以提高在高温氦气环境中的抗腐蚀性能与长时稳定性，与日本高温工程试验堆（HTTR）的中间换热器（IHX）材料直接对应。报告 Part II 总结了日本 HTGR 高温结构设计指南对 Hastelloy XR 的失效模式识别、设计限值与规则开发过程，进而以 HTTR IHX 为目标开展非弹性分析，考察其在设计工况下的蠕变-疲劳损伤累积。这些工作为第四代堆和 VHTR 中同类高温镍基合金部件的评定提供了直接的工程先例。

五、对 ASME-NH 的改进建议与研发路线图 🛠️

报告基于两部分研究提出改进建议。短期项目包括：修正蠕变损伤评估对蠕变延性的处理、引入更贴近材料行为的环境修正、补充压缩保载与空气环境的基准试验；长期项目包括：开发能够统一时间分数法与延性耗竭法的混合损伤模型、建立针对 Gen IV 与 VHTR 的非弹性本构方程体系、以及系统研究氦气环境对镍基合金蠕变-疲劳寿命的影响。报告还特别建议：ASME-NH 在改进时应当借鉴日本 HTGR 设计指南中”先识别失效模式、再建立设计限值”的方法论。

六、工程实践要点 📋

🔍 材料数据先于程序选择：在选定蠕变-疲劳评定程序之前，应先确认材料的蠕变延性与数据库完整度——延性耗竭法需要蠕变延性数据，时间分数法需要长时蠕变断裂数据，缺哪类数据就应选用相应配套的程序。
🔧 保载方向不能想当然：压缩保载并不天然”安全”。设计中应同时核算拉伸与压缩保载两类工况，尤其是空气环境下。
📊 长保载工况优先采用保守程序：当保载时间以小时甚至天计、材料又处于蠕变区时，建议以延性耗竭类方法为主评定并交叉验证。
📋 环境因素是镍基合金评定的关键：Hastelloy XR 等材料在氦气与空气环境中的行为差异显著，试验与评定必须注明环境。
🧭 规范修订参与：对工程界而言，本报告是理解 ASME-NH 未来修订方向、以及日本 HTGR 设计经验如何进入国际规范的重要窗口。

✅ 本报告的价值在于用同一批数据量化了三套国际主流评定程序在 Grade 91 与 Hastelloy XR 上的预测差异，既揭示了时间分数法的非保守倾向，也展示了延性耗竭法的工程可用性，是蠕变-疲劳设计者理解程序选择后果的关键参考。

七、常见问题解答 ❓

❓ 问：时间分数法与延性耗竭法的主要区别是什么？
答：时间分数法把蠕变损伤定义为保载时间与”该应力下允许蠕变断裂时间”之比（t/T_d），需要蠕变断裂数据；延性耗竭法把蠕变损伤定义为非弹性应变增量与蠕变延性之比（Δε_c/ε_f），需要蠕变延性数据。前者使用简单但对蠕变脆性材料可能非保守，后者物理上更贴近实际。

❓ 问：为什么压缩保载也会造成蠕变-疲劳损伤？
答：压缩保载期间材料内部仍会发生蠕变变形与松弛，且与拉伸保载形成的裂纹面相互作用；在空气环境中，压缩保载还会影响氧化膜的开裂与愈合过程，从而加速损伤累积。因此不能把”压缩保载等同于安全”。

❓ 问：Hastelloy XR 与 Hastelloy X 是什么关系？
答：Hastelloy XR 是日本为高温气冷堆在标准 Hastelloy X 基础上改良的牌号，主要调整了锰、硅、铝、钛等元素含量，以提高高温氦气环境的抗腐蚀稳定性与长时组织稳定性，是 HTTR 中间换热器的指定材料。

❓ 问：本报告与 STP-NU-013、STP-NU-041 系列报告是什么关系？
答：STP-NU-013 侧重 Grade 91 的蠕变可忽略准则与蠕变-疲劳方法改进，STP-NU-041 侧重替代的简化蠕变-疲劳设计方法（如修正延性耗竭法），本报告则是三份工作中”数据基础 + 程序对比”的一环，三者共同构成 ASME-NH 修订的证据链。