蒸汽发生器传热管是核电站一回路压力边界的重要组成部分,其结构完整性对核电站安全运行至关重要。目前,蒸汽发生器传热管广泛采用Inconel 690合金和Incoloy 800合金,对于这些合金在材料疲劳断裂性能和耐腐蚀性能等方面已经得到了大量深入研究,但对于成型后传热管结构的疲劳断裂性能研究相对较少。因此,开展相应的研究对690传热管疲劳设计和结构完整性评估具有重要的理论价值和工程意义。本文针对传热管结构的疲劳断裂性能,设计了2种690合金缺口管试样,进行了缺口构件疲劳寿命试验和疲劳裂纹扩展试验,主要研究内容和结论如下:(1)若直接采用薄壁管进行疲劳试验,试样夹持位置会因应力集中较大而发生裂纹萌生,无法获取有效的疲劳寿命。因此,采用开孔削弱的方法确保裂纹萌生位置,设计了透壁圆孔缺口管试样。使用该试样进行了疲劳寿命试验,在循环加载的初始阶段,材料存在一个明显的循环硬化现象。疲劳断口形貌分析显示,疲劳裂纹在开孔边缘位置启裂,先穿透壁厚再沿环向扩展。采用Neuber近似解法计算圆孔缺口的局部应力应变,预测了管结构的等效疲劳寿命,疲劳寿命试验结果与预测值吻合的比较好。说明缺口管试样可以得到有效的疲劳寿命数据,同时也表明采用局部应力应变法估算管结构等效疲劳寿命的方法是切实可行的。690传热管等效疲劳寿命高于奥氏体不锈钢和镍基合金疲劳寿命曲线,该国产Inconel 690传热管具有较好的疲劳性能。(2)疲劳裂纹扩展试验需要计算试样裂纹应力强度因子,通过比较不同透壁裂纹圆筒应力强度因子公式解的几何形状系数,只有在短裂纹(θ/π≤0.3)和厚壁圆筒(R_m/t≤10)的情况下各公式之间的偏差才可以忽略不计。因此,本文采用有限元方法计算试样的应力强度因子(SIF)。建立不同裂纹长度的模型,计算了单向拉伸载荷下含环向透壁裂纹管的SIF。模拟得到的SIF与部分公式解吻合得很好,验证了有限元模型以及边界条件的正确性。拟合得到了传热管试样SIF的几何形状系数多项式和裂纹长度关于裂嘴张口位移柔度的多项式。(3)使用环向透壁裂纹管试样进行了疲劳裂纹扩展试验,试验载荷位移关系与有限元模拟结果比较吻合,验证了模拟得到的6阶拟合多项式的正确性。根据有限元分析拟合得到的多项式计算了不同应力比R和平均应力条件下的裂纹扩展速率(CGR)。相同的最大名义应力条件下,应力比越大690传热管试样CGR越小;相同的应力比条件下,平均应力越大690传热管试样CGR越大。使用690合金ANL叠加模型预测了相同条件下厚壁试样的CGR,经过与管试样试验值的比较,数据点均落在等值线的下方。说明薄壁管试样的裂纹扩展速率更低,试验采用的Inconel 690传热管具有较好的抗疲劳裂纹扩展性能。基于有限元模拟和试验研究本文获得了Inconel 690传热管结构缺口疲劳寿命,验证了采用局部应力应变法估算管结构等效疲劳寿命的可行性。利用有限元分析拟合的裂纹应力强度因子几何形状系数多项式和裂纹长度预测公式,获得了690传热管试样的裂纹扩展速率,分析了不同应力比和平均应力对690传热管CGR的影响。该研究对690传热管的工程应用和结构完整性评估具有较高的价值。