2024年5月22日发(作者：淦梦琪)
高温结构完整性评定规程R5的最新进展和发展趋势
沈鋆;陈浩峰;刘应华
【摘 要】R5规程是一种评定高温部件结构完整性的方法,其主要用于避免无缺陷
部件和含缺陷部件的蠕变断裂失效,R5规程常用于蠕变范围运行的先进气冷堆
(AGR)组件的结构完整性评定,也用于其他领域高温装置的结构完整性评定.R5的最
新版本为2014年修订的R5第3版修订版002.主要介绍2016 ～2020年已经和
即将开展的R5研发工作,涉及R5评定技术在近5年内要改进的所有领域,主要包
括对现有评定方法的改进、细化、验证及发展新的评定方法,这些工作完成后现有
版本将更新为第4版.%The R5 procedure is an established methodology
used for structural integrity assessment of high temperature
main objective of the procedure is to ensure that failure
of the defect-free and defective components by creep rupture and creep
fatigue damage is R5 procedure is frequently used in safety
cases for structural integrity assessments of advanced gas-cooled reactor
(AGR)components operating in the creep is also applicable for
high temperature components in the other current version
of R5 is Issue 3 Revision 002 updated in paper focuses on the
development work for the R5 assessment procedure from 2016 to 2020
including all research areas,improvement of the existing assessment
methods,and development of the new assessment this work
is completed,R5 is expected to be issued as Issue 4.
【期刊名称】《压力容器》
【年(卷),期】2017(034)011
【总页数】6页(P55-60)
【关键词】高温;结构完整性;蠕变-疲劳;裂纹;R5规程;发展规划
【作 者】沈鋆;陈浩峰;刘应华
【作者单位】清华大学工程力学系,北京100084;思克莱德大学机械与航空系,格拉
斯哥,英国;清华大学工程力学系,北京100084
【正文语种】中 文
【中图分类】TH49;O343.6;T-651
R5规程源自20世纪60年代英国第二代高温气冷堆(AGR)的研究和投建。R5规
程在英国核工业领域得到了广泛应用，英国核安全监管机构(NⅡ)将R5规程评定
结果作为核电站部件安全审核的支持依据。R5规程常用于蠕变范围内运行AGR
组件的结构完整性评定，还可用于其他领域高温部件的结构完整性评定，并为世界
主要工业化国家的工业界所接受。
R5文件的总责任机构是R5工作委员会，由参与联合制定结构完整性评定规程
(SIAP)的代表组成，主要成员有劳斯莱斯(RR)、AMEC-FW、澳大利亚核科学技术
组织(ANSTO)、Atkins、EMPA和EDF能源公司。2008年，EDF能源公司在布
里斯托大学(UoB)和帝国理工学院(IC)建立了高温中心(HTC)，后来扩展到牛津大学、
开放大学、曼彻斯特大学和思克莱德大学，联合进行高温研究，共同推动R5规程
的发展。
R5规程采用的是下限理论，它基于参考应力法、延性耗竭法，并考虑弹性跟进、
应力松弛等影响，对部件的蠕变-疲劳裂纹的萌生和扩展进行评定。这是R5与
ASME第Ⅲ-NH分卷[1]的基本区别。ASME第Ⅲ-NH分卷对蠕变-疲劳的评定大
多是基于弹性分析方法，其评定步骤比R5简单，因此也更为保守[2]。ASME第
Ⅲ-NH分卷和RCC-MR[3]都不考虑蠕变裂纹，更不能用于在役设备的剩余寿命评
估。虽然R5规程只是一种评定准则，而非设计规范，但近年来，其方法和技术不
断地改进、完善和验证，体现了英国在高温结构完整性评定方面的研究前沿。随着
中国制造2025核电规划的实施和核电事业的蓬勃发展，越来越多的核电技术人员
开始关注R5的技术和发展[4-6]。本文以2016～2020年期间R5的发展规划为主
线，阐述R5规程各领域的研究进展，有助于追踪R5规程第4版的先进技术和重
要更新。
R5规程于1990年正式发布实施第1版[7]后，又于1999年发布第2版[8]。
2003年发布的第3版[9]中将第2卷和第3卷合并为一个，用于评定无缺陷结构
的规程；第4卷和第5卷合并为一个，用于评定结构缺陷的规程。2012年发布第
3版修订版001[10]，对第4/5卷的内容进行了更新。2014年更新为第3版修订
版002[11]，更新了第1卷和第2/3卷的内容，这即为R5规程的当前最新版，共
含5卷，结构如下。第1卷：概述；第2/3卷：无缺陷结构蠕变-疲劳裂纹萌生的
评定方法；第4/5卷：蠕变和蠕变-疲劳载荷下的缺陷评定方法；第6卷：异质接
头焊缝评定方法；第7卷：同质焊接接头的行为：稳定蠕变条件下铁素体管道部
件的评定指南。
R5规程的各卷主要按照逐步指导的方式进行编写[12]。每一卷旨在解决高温下结
构完整性在某一方面的问题，其发展规划大致分为：加深对高温结构完整性的理解、
验证并完善现有方法，开发和验证新方法，以减小其保守性，同时扩展和维护好相
关的技术文档。
R5规程各卷都有各自的研究任务，其主要技术更新和验证工作都集中在第2/3卷
和第4/5卷。第2/3卷的验证工作主要包括：基于薄壁316H型部件的焊缝性能
试验对薄壁焊接件的评定提出改进意见；利用现有焊缝性能试验和装置中的再热裂
纹案例，对应力修正延性耗竭(SMDE)模型在焊缝中的应用进行验证；验证线性匹
配法在蠕变-疲劳开裂方面的应用；利用BWD 100试验机进行螺栓试验，以验证
第2/3卷评定方法对螺栓的有效性。第4/5卷的验证工作主要包括薄壁部件的性
能试验。各成员单位都在不同的领域进行试验研究，以完善和更新R5的技术发展。
R5规划[13]主要介绍了2016～2020年R5规程的总体发展战略和各卷的研究工
作安排。其计划开展的研究工作主要有以下几项:(1)深入理解环境和渗碳对蠕变裂
纹萌生和扩展行为的影响；(2)细化焊接件蠕变-疲劳萌生的评定方法，重点是为薄
壁焊接件的评定提供更准确、保守性更小的建议；(3)针对实际装置的加载情况、
运行温度和运行时间，改进蠕变和蠕变-疲劳裂纹萌生和扩展的评定方法；(4)改进
蠕变损伤预测方法，考虑修正延性耗竭法和弹性跟进对蠕变损伤的影响；(5)细化
蠕变保载期间应力松弛的预测方法，考虑循环内前期循环加载历史、热老化以及保
载位置对随后应力松弛行为的影响；(6)发展新的第2/3卷概率评定方法，并进一
步发展现有第4/5卷概率评定方法，该方法将用于确定部件中蠕变-疲劳裂纹萌生
和扩展的可能性和速率；(7)细化第2/3卷的应力分析和安定方法，当前重点是在
评定方法中增加线性匹配法;(8)细化用于评定同质和异质焊接件的蠕变和蠕变-疲劳
裂纹萌生和扩展的方法；(9)进一步明确第2/3卷蠕变-疲劳萌生评定方法的建议；
(10)对第2/3卷和第4/5卷评定方法进行进一步验证，重点在焊接件的相关方面，
并基于实际装置的运行监测对其进行验证。
在AGR延寿需求下，为扩大R5结构完整性评定方法的适用范围，R5还将开发概
率评定的新方法，目前EDF能源公司正在进行试验评估。布里斯托大学正在考虑
多重恶化机制和复杂加载，并开展基于概率的结构完整性研究。
下文对第2/3卷和第4/5卷主要的研究和进展进行简要介绍。
蠕变-疲劳试验分析表明，应力水平对蠕变损伤的计算影响很大，前期的循环加载
历史和迟滞回线内的蠕变保载位置会影响应力松弛行为。当前，需要进一步改进用
于预测蠕变-疲劳工况下连续保载期间应力松弛的方法。
布里斯托大学高温中心(UoB-HTC)一直致力于研究加载历史对蠕变变形行为和蠕
变损伤的影响。该项目计划对316H钢进行试验、开发新的试验技术和设备，用
以研究机械应力和残余应力的耦合对蠕变损伤扩展的影响。UoB-HTC未来的工作
还将研究弹性跟进对单次和循环保载期间蠕变损伤的影响，该研究工作将形成一份
报告，以判断现有的方法能否合理地考虑弹性跟进对蠕变损伤的影响。
包含应力修正延性和应变能密度方法的蠕变损伤模型，将会持续完善，并应用于更
多材料以建立该模型的可靠性。对316H型材料进行新的蠕变疲劳试验，并完成
对所有所得数据的分析，包括新的母材和热影响区数据，以此作为现有数据的补充。
另外，还启动了利用BWD 100试验机对较低温度下的热影响区和母材进行试验的
新项目，对2.25Cr1Mo和P91钢的蠕变-疲劳试验分析项目将在ANSTO的组织
下开展。
近期，非显著蠕变曲线已应用于Esshete1250钢材，但其在焊接件中的使用出现
了问题，因此有必要对该曲线重新审查，并采用最新的材料数据，确保其合理性。
系数Ks可用于定位迟滞回线、确定蠕变保载的初始保载应力以及证明结构的安定
性。R5第3版修订版002中提供了确定系数Ks的准则，并更新了对316型、
316H型和0.5Cr0.5Mo0.25V三种钢材的Ks数值的试验性测试结果。通过对低
强度固溶处理的321型棒材的进一步试验，证实了对高强度321型棒材Ks值试
验的正确性。为研究频率、初始加载方向和拉伸强度对Ks值的影响，AMEC-FW
已完成316型材料和347型焊缝的试验。未来还会对304型、9Cr1Mo、800合
金等更多钢材进行试验，以提供更精确的Ks值。
此外，安定和迟滞回线定位的现有方法是否合理，其结果存在争议，亟待解决。
第3版修订版002中已对第2/3卷附录A12进行了修订，反映了R5 SV模型开
发及相关的ABAQUS UMAT的研究进展。然而在大范围温度波动的热机循环中，
材料会出现各向同性硬化，这将会导致对棘轮的虚假预测。新的本构模型研发项目
是落实如何进一步完善这些本构模型。
奥氏体焊缝金属本构模型的完善工作包括对316型TIG焊缝金属和MMA焊缝金
属的拉伸试验和循环应力-应变试验。针对两道TIG焊缝金属和取自TIG焊接垫板
的固溶处理材料，上述试验已经完成。这将为316型TIG焊缝金属的本构模型提
供输入数据，并用于改善焊接结构的焊接残余应力的评估。AMEC-FW正在对两
道347型焊缝金属进行相同的试验，以扩展本构模型在燃料线路部件评定中的应
用。
基于机理的蠕变本构模型旨在引入能够合理反映材料状态的参数，并有助于更真实
地预测316H型AGR部件的寿命。牛津大学高温中心(Oxford-HTC)的博士生团
队与UoB-HTC密切合作，致力于更深入地理解316型钢蠕变行为的微观结构特
征，并找到以“内应力”和“内抗力”的概念来表征材料状态的新方法。UoB-
HTC还将进一步加强对AGR部件的蠕变和蠕变-疲劳失效损伤机理的识别和理解。
这些相关的研究工作将极大地丰富本构模型的研发。
对应力分析方法的改进主要是引入线性匹配法，该方法能估算更准确的保载初始应
力、弹性跟进因子和应变范围。目前该方法可使用ABAQUS子程序实现计算，并
改善了软件用户界面的友好性[14]。思克莱德大学正致力于扩大线性匹配法的适用
性，提高该方法在复杂循环下的应用，并引入蠕变影响。未来将在第2/3卷中新
增关于线性匹配法的附录。
与应力分析相关的其他领域的发展，还包括：(1)重新回顾安定分析方法及循环载
荷增强蠕变的现有建议；(2)更新对循环次序处理的建议；(3)更新对计算弹性跟进
因子Z的建议；(4)审查安定、循环构造及两者所使用材料性质的一致性；(5)调研
Neuber模型的适用性，并和有限元分析中不同硬化模型进行比较；(6)考虑迟滞
回线的定位。
第3版修订版002对第2/3卷附录A4进行的主要修订是将疲劳强度减弱系数
(FSRFs)拆分为焊接应变增强系数(WSEF)和焊接持久减弱系数(WER)[15]。未来的
工作将会完善这种新方法在承受不同加载类型的3型焊缝中的应用。为确定不同
焊接位置的焊材和母材失配、几何形状和应变范围内的持续加载、初始保载应力和
蠕变行为等的影响，可采用参数化有限元进行研究。此外，目前铁素体钢的WSEF
值源自现有的疲劳强度减弱系数，为确定铁素体钢的WSEF值还需要进行更深入
地分析。
尽管第6卷考虑了管道中过渡焊缝的蠕变疲劳失效，但第2/3卷并没有提供这类
焊缝蠕变-疲劳裂纹萌生的处理意见，或考虑将第6卷并入第2/3卷。
很多AGR部件，如蒸汽发生器管、保温部件和燃料塞部件等，都是由薄壁奥氏体
钢制造，沿厚度方向进行一道或两道焊接而成。这种薄壁焊接件的蠕变-疲劳的萌
生行为与多道焊存在显著不同。为研究对薄壁焊接件蠕变-疲劳萌生的处理方法，
AMEC-FW对关于薄壁316型/316型焊缝材料属性的报告进行了更新。这项工作
获得了薄壁焊缝各区域的材料性能，并对奥氏体薄壁焊接件的疲劳和蠕变-疲劳试
验进行评估。对薄壁焊接件评定步骤的修正都将纳入附录A4。对于薄壁焊接件的
意见进行更新也将涉及厚壁焊接件的更新。为了能对HNB/HPB燃料线路部件进
行更为精确地评定，对321型/347型焊缝进行研究的项目也在开展之中。
对服役暴露和环境影响的研究主要集中在热老化和暴露于CO2中所导致的表面硬
化。
EDF能源公司承担的材料寿命项目考虑了热老化对材料属性的影响，如抗拉性能、
断裂韧性的改变，以及对蠕变变形的一些研究。未来将进一步考虑热老化对循环载
荷、蠕变和疲劳性能的影响。在使用第2/3卷进行评定过程中，如何考虑热老化
的影响，以及在热老化影响显著时，应使用哪些材料属性，R5将根据这些研究数
据提出解决这些问题的建议。
退役的316型部件表明长期暴露在二氧化碳环境中的材料表面区域会发生严重的
硬化，这种交互作用对蠕变、疲劳和蠕变-疲劳裂纹萌生会产生相当大的影响，目
前第2/3卷评定方法中并没有考虑与环境的交互作用。为解决这一问题，奥氏体
不锈钢高温行为项目(HTBASS)于2013年4月启动了一个为期3年的项目，其名
称为环境对核部件结构完整性的影响(ENVISINC)，该项目包括通过金相检查建立
对机理的了解，通过试验确定材料性能的转变，通过建模了解被影响结构的响应，
最终会形成一种考虑环境交互的方法，纳入第2/3卷评定步骤。
ENVISINC项目局限于对单一铸件或单一预处理状态进行试验。因此，未来继续对
该试验项目进行扩展，以考虑较低应力和应变范围、多个铸件和不同的渗碳工况
(长期暴露和较低温度下)等多种情况。这项工作已列入R5规划。另外，对不同温
度下和其余奥氏体钢(除316型外)的试验都正在开展。9Cr1Mo的渗碳机理已证
实，已有项目对此进行研究。
改进长期蠕变裂纹扩展的评定方法的研究工作主要有以下几项。
(1)检验已完成和正在进行的标准CT试样和其他试样的长期蠕变裂纹扩展试验；
(2)材料寿命项目和其他研究项目中的一系列奥氏体和铁素体材料的长期蠕变裂纹
扩展试验将继续进行；
(3)利用CRETE项目中大量几何形状的试验数据以及来自CRIEPI和其他来源的信
息，审查拘束对蠕变裂纹扩展的影响。对弱拘束的316H型热影响区进行的蠕变
裂纹扩展试验所得的数据和现有的强拘束CT试样数据进行对比。
(4)Esshete 1250焊缝金属和热影响区的蠕变疲劳裂纹扩展数据已在2014年复查，
一旦试验项目完成会形成最终的报告。当试验终止时，对热卸载数据进行记录。利
用蠕变位移速率来计算基于试验的C *值。此外，还需要进一步研究是否可以用其
他参数，如应力强度系数或蠕变韧性，来替代C(t)或C *用以表征和预测Esshete
1250焊缝金属和热影响区的蠕变裂纹扩展行为。这些研究可能对其他奥氏体不锈
钢也同样适用。
这些研究工作将会在帝国理工学院高温中心(IC-HTC)完成，还包括对高温材料的
蠕变裂纹萌生和扩展的预测研究。
对于组合加载和循环加载下的裂纹扩展评定方法的最新进展如下：(1)针对2010
年更新的第4/5卷附录A3中组合加载下裂纹扩展的评定方法，做一个示范案例，
说明这种新方法的详细步骤；(2)对裂纹体的弹塑性蠕变有限元研究做了报告，并
对组合加载下的裂纹扩展进行分析，以改进裂纹体的弹性跟进因子估算方法及组合
载荷下的C(t)值的估算方法；(3)对于组合加载，使用当前第4/5卷附录A3的方
法对316H型热影响区的蠕变裂纹扩展试验进行评定；ANSTO对CT试样的加工
过程进行了详细的3D有限元建模，以此可以确定CT试样中的残余应力对加载线
位移速率和C(t)值的影响；EDF能源公司将使用由ANSTO得出的残余应力图谱
来验证C(t)的计算结果；(4)对Esshete 1250 热影响区 CT试样进行详细的3D有
限元分析，并考虑试样中的焊接残余应力、坡口以及母材、热影响区和焊缝金属在
拉伸和蠕变性能中的差异；(5)检查316H母材和347型焊缝金属在残余应力作用
下、残余应力和机械加载耦合作用下的试验，该研究工作需要区分预压缩对材料行
为的影响和残余应力对蠕变断裂过程的影响；(6)修改和验证C(t)估算公式以考虑
裂纹尖端塑性，开发合适的方法来确定带焊接残余应力复合材料试样的试验蠕变韧
性值，针对带裂纹结构，开发更为鲁棒的弹性跟进因子Z的评定方法。
IC-HTC将完成这些研究工作，并研究残余应力对高温焊缝中裂纹扩展的影响，设
计和实现新的测试技术，利用试验对组合加载下裂纹扩展的理论预测方法进行验证。
为改进预测蠕变和蠕变-疲劳裂纹萌生的方法，对试验裂纹萌生数据进行检查。这
些试验数据主要来源于以下4个试验：载荷控制的蠕变-裂纹扩展试验，位移控制
的蠕变裂纹扩展试验，承受残余应力、残余应力和机械加载耦合的316H母材和
347型焊缝金属的试验和最近的蠕变裂纹扩展试验。
另外，利用正在进行的和已完成的蠕变裂纹扩展试验对FAD失效图和σd方法进
行验证，涉及的试验材料有316H型和316H型热影响区，316型焊缝，321型、
316L型、Esshete 1250焊缝金属和热影响区以及2.25Cr焊缝金属。根据这些研
究，对蠕变裂纹萌生方法进行严格审查，并对第4/5卷附录A5和A6进行更新，
以反映这些预测裂纹萌生方法的最新进展。
为了对Cr-Mo-V钢焊缝的蠕变断裂和蠕变-裂纹扩展评定方法提出改进建议，需
要审查焊缝区域的蠕变断裂和蠕变裂纹扩展的现有试验和分析工作。利用有限元建
模可以加深对316H型和Esshete 1250焊接件蠕变裂纹扩展的理解，这有助于开
展后续更详细的分析研究工作。EDF能源公司正在进行这方面的工作。
为明确考虑薄壁件(包括薄壁焊接件)的蠕变和蠕变-疲劳裂纹扩展，该研究工作需
要对薄壁焊缝的组成(包括母材、热影响区和焊缝金属)提出合理的材料属性，并考
虑拘束对裂纹扩展性能的影响。
第4/5卷对服役暴露的研究工作主要是考虑前期蠕变损伤对缺陷评定的影响，考
察蠕变损伤对断裂韧性、疲劳裂纹扩展和蠕变裂纹扩展性能的影响。EDF能源公
司对316H型热影响区和奥氏体焊缝金属的蠕变损伤进行了试验。IC-HTC集中研
究了蠕变损伤对断裂韧性和疲劳裂纹扩展性能的影响，该研究使用冷预压缩316
型钢作为“模型材料”，并考虑局部(如裂纹尖端)蠕变损伤和总体(如裂纹截面广
泛分布)蠕变损伤两种情况，研究对316H型不锈钢蠕变、疲劳和断裂响应的影响。
材料寿命项目正在研究服役暴露(如热老化)对材料性能的影响，可利用这些研究资
料提出对服役暴露的处理方法。
阐述了R5在2016～2020年已确定的发展规划及研究进展，其主要内容是对现有
方法的改进、细化和验证，对新方法的开发和研究，并根据最新的试验进展和理论
研究，对条款或附录进行修订或新增。这体现了R5规程近5年内所有领域的改进，
为R5第4版的发布奠定坚实的基础。第2/3卷和第4/5卷的研究工作以试验为
基础，结合AGR装置的实际运行经验，有效地验证了R5规程中蠕变、蠕变-疲劳
裂纹评定方法的先进性，并促进R5规程不断地完善和升级。这些最新的研究方向、
研究方法可为国内蠕变、蠕变-疲劳裂纹研究提供借鉴。同时，R5规程已经或将要
采用的参考应力法、应力修正的延性耗竭法、线性匹配法等，以及对裂纹萌生和扩
展的评定方法，都可以为国内工程应用和行业标准的修订提供有益的参考。
【相关文献】
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[5] 翟俊霞，涂善东.高温下焊接结构完整性评定的方法(Ⅰ)——R5卷6《异种焊接头的评定方法》
简介[J].压力容器，2000，17(1):5-8.
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1.1990.
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[9] R5,Assessment Procedure for the High Temperature Response of Structures [S].Issue
3.2003.
[10] R5,Assessment Procedure for the High Temperature Response of Structures [S].Issue
3 Revision 001.2012.
[11] R5,Assessment Procedure for the High Temperature Response of Structures[S].Issue
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2024年5月22日发(作者：淦梦琪)
高温结构完整性评定规程R5的最新进展和发展趋势
沈鋆;陈浩峰;刘应华
【摘 要】R5规程是一种评定高温部件结构完整性的方法,其主要用于避免无缺陷
部件和含缺陷部件的蠕变断裂失效,R5规程常用于蠕变范围运行的先进气冷堆
(AGR)组件的结构完整性评定,也用于其他领域高温装置的结构完整性评定.R5的最
新版本为2014年修订的R5第3版修订版002.主要介绍2016 ～2020年已经和
即将开展的R5研发工作,涉及R5评定技术在近5年内要改进的所有领域,主要包
括对现有评定方法的改进、细化、验证及发展新的评定方法,这些工作完成后现有
版本将更新为第4版.%The R5 procedure is an established methodology
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is completed,R5 is expected to be issued as Issue 4.
【期刊名称】《压力容器》
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【总页数】6页(P55-60)
【关键词】高温;结构完整性;蠕变-疲劳;裂纹;R5规程;发展规划
【作 者】沈鋆;陈浩峰;刘应华
【作者单位】清华大学工程力学系,北京100084;思克莱德大学机械与航空系,格拉
斯哥,英国;清华大学工程力学系,北京100084
【正文语种】中 文
【中图分类】TH49;O343.6;T-651
R5规程源自20世纪60年代英国第二代高温气冷堆(AGR)的研究和投建。R5规
程在英国核工业领域得到了广泛应用，英国核安全监管机构(NⅡ)将R5规程评定
结果作为核电站部件安全审核的支持依据。R5规程常用于蠕变范围内运行AGR
组件的结构完整性评定，还可用于其他领域高温部件的结构完整性评定，并为世界
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R5文件的总责任机构是R5工作委员会，由参与联合制定结构完整性评定规程
(SIAP)的代表组成，主要成员有劳斯莱斯(RR)、AMEC-FW、澳大利亚核科学技术
组织(ANSTO)、Atkins、EMPA和EDF能源公司。2008年，EDF能源公司在布
里斯托大学(UoB)和帝国理工学院(IC)建立了高温中心(HTC)，后来扩展到牛津大学、
开放大学、曼彻斯特大学和思克莱德大学，联合进行高温研究，共同推动R5规程
的发展。
R5规程采用的是下限理论，它基于参考应力法、延性耗竭法，并考虑弹性跟进、
应力松弛等影响，对部件的蠕变-疲劳裂纹的萌生和扩展进行评定。这是R5与
ASME第Ⅲ-NH分卷[1]的基本区别。ASME第Ⅲ-NH分卷对蠕变-疲劳的评定大
多是基于弹性分析方法，其评定步骤比R5简单，因此也更为保守[2]。ASME第
Ⅲ-NH分卷和RCC-MR[3]都不考虑蠕变裂纹，更不能用于在役设备的剩余寿命评
估。虽然R5规程只是一种评定准则，而非设计规范，但近年来，其方法和技术不
断地改进、完善和验证，体现了英国在高温结构完整性评定方面的研究前沿。随着
中国制造2025核电规划的实施和核电事业的蓬勃发展，越来越多的核电技术人员
开始关注R5的技术和发展[4-6]。本文以2016～2020年期间R5的发展规划为主
线，阐述R5规程各领域的研究进展，有助于追踪R5规程第4版的先进技术和重
要更新。
R5规程于1990年正式发布实施第1版[7]后，又于1999年发布第2版[8]。
2003年发布的第3版[9]中将第2卷和第3卷合并为一个，用于评定无缺陷结构
的规程；第4卷和第5卷合并为一个，用于评定结构缺陷的规程。2012年发布第
3版修订版001[10]，对第4/5卷的内容进行了更新。2014年更新为第3版修订
版002[11]，更新了第1卷和第2/3卷的内容，这即为R5规程的当前最新版，共
含5卷，结构如下。第1卷：概述；第2/3卷：无缺陷结构蠕变-疲劳裂纹萌生的
评定方法；第4/5卷：蠕变和蠕变-疲劳载荷下的缺陷评定方法；第6卷：异质接
头焊缝评定方法；第7卷：同质焊接接头的行为：稳定蠕变条件下铁素体管道部
件的评定指南。
R5规程的各卷主要按照逐步指导的方式进行编写[12]。每一卷旨在解决高温下结
构完整性在某一方面的问题，其发展规划大致分为：加深对高温结构完整性的理解、
验证并完善现有方法，开发和验证新方法，以减小其保守性，同时扩展和维护好相
关的技术文档。
R5规程各卷都有各自的研究任务，其主要技术更新和验证工作都集中在第2/3卷
和第4/5卷。第2/3卷的验证工作主要包括：基于薄壁316H型部件的焊缝性能
试验对薄壁焊接件的评定提出改进意见；利用现有焊缝性能试验和装置中的再热裂
纹案例，对应力修正延性耗竭(SMDE)模型在焊缝中的应用进行验证；验证线性匹
配法在蠕变-疲劳开裂方面的应用；利用BWD 100试验机进行螺栓试验，以验证
第2/3卷评定方法对螺栓的有效性。第4/5卷的验证工作主要包括薄壁部件的性
能试验。各成员单位都在不同的领域进行试验研究，以完善和更新R5的技术发展。
R5规划[13]主要介绍了2016～2020年R5规程的总体发展战略和各卷的研究工
作安排。其计划开展的研究工作主要有以下几项:(1)深入理解环境和渗碳对蠕变裂
纹萌生和扩展行为的影响；(2)细化焊接件蠕变-疲劳萌生的评定方法，重点是为薄
壁焊接件的评定提供更准确、保守性更小的建议；(3)针对实际装置的加载情况、
运行温度和运行时间，改进蠕变和蠕变-疲劳裂纹萌生和扩展的评定方法；(4)改进
蠕变损伤预测方法，考虑修正延性耗竭法和弹性跟进对蠕变损伤的影响；(5)细化
蠕变保载期间应力松弛的预测方法，考虑循环内前期循环加载历史、热老化以及保
载位置对随后应力松弛行为的影响；(6)发展新的第2/3卷概率评定方法，并进一
步发展现有第4/5卷概率评定方法，该方法将用于确定部件中蠕变-疲劳裂纹萌生
和扩展的可能性和速率；(7)细化第2/3卷的应力分析和安定方法，当前重点是在
评定方法中增加线性匹配法;(8)细化用于评定同质和异质焊接件的蠕变和蠕变-疲劳
裂纹萌生和扩展的方法；(9)进一步明确第2/3卷蠕变-疲劳萌生评定方法的建议；
(10)对第2/3卷和第4/5卷评定方法进行进一步验证，重点在焊接件的相关方面，
并基于实际装置的运行监测对其进行验证。
在AGR延寿需求下，为扩大R5结构完整性评定方法的适用范围，R5还将开发概
率评定的新方法，目前EDF能源公司正在进行试验评估。布里斯托大学正在考虑
多重恶化机制和复杂加载，并开展基于概率的结构完整性研究。
下文对第2/3卷和第4/5卷主要的研究和进展进行简要介绍。
蠕变-疲劳试验分析表明，应力水平对蠕变损伤的计算影响很大，前期的循环加载
历史和迟滞回线内的蠕变保载位置会影响应力松弛行为。当前，需要进一步改进用
于预测蠕变-疲劳工况下连续保载期间应力松弛的方法。
布里斯托大学高温中心(UoB-HTC)一直致力于研究加载历史对蠕变变形行为和蠕
变损伤的影响。该项目计划对316H钢进行试验、开发新的试验技术和设备，用
以研究机械应力和残余应力的耦合对蠕变损伤扩展的影响。UoB-HTC未来的工作
还将研究弹性跟进对单次和循环保载期间蠕变损伤的影响，该研究工作将形成一份
报告，以判断现有的方法能否合理地考虑弹性跟进对蠕变损伤的影响。
包含应力修正延性和应变能密度方法的蠕变损伤模型，将会持续完善，并应用于更
多材料以建立该模型的可靠性。对316H型材料进行新的蠕变疲劳试验，并完成
对所有所得数据的分析，包括新的母材和热影响区数据，以此作为现有数据的补充。
另外，还启动了利用BWD 100试验机对较低温度下的热影响区和母材进行试验的
新项目，对2.25Cr1Mo和P91钢的蠕变-疲劳试验分析项目将在ANSTO的组织
下开展。
近期，非显著蠕变曲线已应用于Esshete1250钢材，但其在焊接件中的使用出现
了问题，因此有必要对该曲线重新审查，并采用最新的材料数据，确保其合理性。
系数Ks可用于定位迟滞回线、确定蠕变保载的初始保载应力以及证明结构的安定
性。R5第3版修订版002中提供了确定系数Ks的准则，并更新了对316型、
316H型和0.5Cr0.5Mo0.25V三种钢材的Ks数值的试验性测试结果。通过对低
强度固溶处理的321型棒材的进一步试验，证实了对高强度321型棒材Ks值试
验的正确性。为研究频率、初始加载方向和拉伸强度对Ks值的影响，AMEC-FW
已完成316型材料和347型焊缝的试验。未来还会对304型、9Cr1Mo、800合
金等更多钢材进行试验，以提供更精确的Ks值。
此外，安定和迟滞回线定位的现有方法是否合理，其结果存在争议，亟待解决。
第3版修订版002中已对第2/3卷附录A12进行了修订，反映了R5 SV模型开
发及相关的ABAQUS UMAT的研究进展。然而在大范围温度波动的热机循环中，
材料会出现各向同性硬化，这将会导致对棘轮的虚假预测。新的本构模型研发项目
是落实如何进一步完善这些本构模型。
奥氏体焊缝金属本构模型的完善工作包括对316型TIG焊缝金属和MMA焊缝金
属的拉伸试验和循环应力-应变试验。针对两道TIG焊缝金属和取自TIG焊接垫板
的固溶处理材料，上述试验已经完成。这将为316型TIG焊缝金属的本构模型提
供输入数据，并用于改善焊接结构的焊接残余应力的评估。AMEC-FW正在对两
道347型焊缝金属进行相同的试验，以扩展本构模型在燃料线路部件评定中的应
用。
基于机理的蠕变本构模型旨在引入能够合理反映材料状态的参数，并有助于更真实
地预测316H型AGR部件的寿命。牛津大学高温中心(Oxford-HTC)的博士生团
队与UoB-HTC密切合作，致力于更深入地理解316型钢蠕变行为的微观结构特
征，并找到以“内应力”和“内抗力”的概念来表征材料状态的新方法。UoB-
HTC还将进一步加强对AGR部件的蠕变和蠕变-疲劳失效损伤机理的识别和理解。
这些相关的研究工作将极大地丰富本构模型的研发。
对应力分析方法的改进主要是引入线性匹配法，该方法能估算更准确的保载初始应
力、弹性跟进因子和应变范围。目前该方法可使用ABAQUS子程序实现计算，并
改善了软件用户界面的友好性[14]。思克莱德大学正致力于扩大线性匹配法的适用
性，提高该方法在复杂循环下的应用，并引入蠕变影响。未来将在第2/3卷中新
增关于线性匹配法的附录。
与应力分析相关的其他领域的发展，还包括：(1)重新回顾安定分析方法及循环载
荷增强蠕变的现有建议；(2)更新对循环次序处理的建议；(3)更新对计算弹性跟进
因子Z的建议；(4)审查安定、循环构造及两者所使用材料性质的一致性；(5)调研
Neuber模型的适用性，并和有限元分析中不同硬化模型进行比较；(6)考虑迟滞
回线的定位。
第3版修订版002对第2/3卷附录A4进行的主要修订是将疲劳强度减弱系数
(FSRFs)拆分为焊接应变增强系数(WSEF)和焊接持久减弱系数(WER)[15]。未来的
工作将会完善这种新方法在承受不同加载类型的3型焊缝中的应用。为确定不同
焊接位置的焊材和母材失配、几何形状和应变范围内的持续加载、初始保载应力和
蠕变行为等的影响，可采用参数化有限元进行研究。此外，目前铁素体钢的WSEF
值源自现有的疲劳强度减弱系数，为确定铁素体钢的WSEF值还需要进行更深入
地分析。
尽管第6卷考虑了管道中过渡焊缝的蠕变疲劳失效，但第2/3卷并没有提供这类
焊缝蠕变-疲劳裂纹萌生的处理意见，或考虑将第6卷并入第2/3卷。
很多AGR部件，如蒸汽发生器管、保温部件和燃料塞部件等，都是由薄壁奥氏体
钢制造，沿厚度方向进行一道或两道焊接而成。这种薄壁焊接件的蠕变-疲劳的萌
生行为与多道焊存在显著不同。为研究对薄壁焊接件蠕变-疲劳萌生的处理方法，
AMEC-FW对关于薄壁316型/316型焊缝材料属性的报告进行了更新。这项工作
获得了薄壁焊缝各区域的材料性能，并对奥氏体薄壁焊接件的疲劳和蠕变-疲劳试
验进行评估。对薄壁焊接件评定步骤的修正都将纳入附录A4。对于薄壁焊接件的
意见进行更新也将涉及厚壁焊接件的更新。为了能对HNB/HPB燃料线路部件进
行更为精确地评定，对321型/347型焊缝进行研究的项目也在开展之中。
对服役暴露和环境影响的研究主要集中在热老化和暴露于CO2中所导致的表面硬
化。
EDF能源公司承担的材料寿命项目考虑了热老化对材料属性的影响，如抗拉性能、
断裂韧性的改变，以及对蠕变变形的一些研究。未来将进一步考虑热老化对循环载
荷、蠕变和疲劳性能的影响。在使用第2/3卷进行评定过程中，如何考虑热老化
的影响，以及在热老化影响显著时，应使用哪些材料属性，R5将根据这些研究数
据提出解决这些问题的建议。
退役的316型部件表明长期暴露在二氧化碳环境中的材料表面区域会发生严重的
硬化，这种交互作用对蠕变、疲劳和蠕变-疲劳裂纹萌生会产生相当大的影响，目
前第2/3卷评定方法中并没有考虑与环境的交互作用。为解决这一问题，奥氏体
不锈钢高温行为项目(HTBASS)于2013年4月启动了一个为期3年的项目，其名
称为环境对核部件结构完整性的影响(ENVISINC)，该项目包括通过金相检查建立
对机理的了解，通过试验确定材料性能的转变，通过建模了解被影响结构的响应，
最终会形成一种考虑环境交互的方法，纳入第2/3卷评定步骤。
ENVISINC项目局限于对单一铸件或单一预处理状态进行试验。因此，未来继续对
该试验项目进行扩展，以考虑较低应力和应变范围、多个铸件和不同的渗碳工况
(长期暴露和较低温度下)等多种情况。这项工作已列入R5规划。另外，对不同温
度下和其余奥氏体钢(除316型外)的试验都正在开展。9Cr1Mo的渗碳机理已证
实，已有项目对此进行研究。
改进长期蠕变裂纹扩展的评定方法的研究工作主要有以下几项。
(1)检验已完成和正在进行的标准CT试样和其他试样的长期蠕变裂纹扩展试验；
(2)材料寿命项目和其他研究项目中的一系列奥氏体和铁素体材料的长期蠕变裂纹
扩展试验将继续进行；
(3)利用CRETE项目中大量几何形状的试验数据以及来自CRIEPI和其他来源的信
息，审查拘束对蠕变裂纹扩展的影响。对弱拘束的316H型热影响区进行的蠕变
裂纹扩展试验所得的数据和现有的强拘束CT试样数据进行对比。
(4)Esshete 1250焊缝金属和热影响区的蠕变疲劳裂纹扩展数据已在2014年复查，
一旦试验项目完成会形成最终的报告。当试验终止时，对热卸载数据进行记录。利
用蠕变位移速率来计算基于试验的C *值。此外，还需要进一步研究是否可以用其
他参数，如应力强度系数或蠕变韧性，来替代C(t)或C *用以表征和预测Esshete
1250焊缝金属和热影响区的蠕变裂纹扩展行为。这些研究可能对其他奥氏体不锈
钢也同样适用。
这些研究工作将会在帝国理工学院高温中心(IC-HTC)完成，还包括对高温材料的
蠕变裂纹萌生和扩展的预测研究。
对于组合加载和循环加载下的裂纹扩展评定方法的最新进展如下：(1)针对2010
年更新的第4/5卷附录A3中组合加载下裂纹扩展的评定方法，做一个示范案例，
说明这种新方法的详细步骤；(2)对裂纹体的弹塑性蠕变有限元研究做了报告，并
对组合加载下的裂纹扩展进行分析，以改进裂纹体的弹性跟进因子估算方法及组合
载荷下的C(t)值的估算方法；(3)对于组合加载，使用当前第4/5卷附录A3的方
法对316H型热影响区的蠕变裂纹扩展试验进行评定；ANSTO对CT试样的加工
过程进行了详细的3D有限元建模，以此可以确定CT试样中的残余应力对加载线
位移速率和C(t)值的影响；EDF能源公司将使用由ANSTO得出的残余应力图谱
来验证C(t)的计算结果；(4)对Esshete 1250 热影响区 CT试样进行详细的3D有
限元分析，并考虑试样中的焊接残余应力、坡口以及母材、热影响区和焊缝金属在
拉伸和蠕变性能中的差异；(5)检查316H母材和347型焊缝金属在残余应力作用
下、残余应力和机械加载耦合作用下的试验，该研究工作需要区分预压缩对材料行
为的影响和残余应力对蠕变断裂过程的影响；(6)修改和验证C(t)估算公式以考虑
裂纹尖端塑性，开发合适的方法来确定带焊接残余应力复合材料试样的试验蠕变韧
性值，针对带裂纹结构，开发更为鲁棒的弹性跟进因子Z的评定方法。
IC-HTC将完成这些研究工作，并研究残余应力对高温焊缝中裂纹扩展的影响，设
计和实现新的测试技术，利用试验对组合加载下裂纹扩展的理论预测方法进行验证。
为改进预测蠕变和蠕变-疲劳裂纹萌生的方法，对试验裂纹萌生数据进行检查。这
些试验数据主要来源于以下4个试验：载荷控制的蠕变-裂纹扩展试验，位移控制
的蠕变裂纹扩展试验，承受残余应力、残余应力和机械加载耦合的316H母材和
347型焊缝金属的试验和最近的蠕变裂纹扩展试验。
另外，利用正在进行的和已完成的蠕变裂纹扩展试验对FAD失效图和σd方法进
行验证，涉及的试验材料有316H型和316H型热影响区，316型焊缝，321型、
316L型、Esshete 1250焊缝金属和热影响区以及2.25Cr焊缝金属。根据这些研
究，对蠕变裂纹萌生方法进行严格审查，并对第4/5卷附录A5和A6进行更新，
以反映这些预测裂纹萌生方法的最新进展。
为了对Cr-Mo-V钢焊缝的蠕变断裂和蠕变-裂纹扩展评定方法提出改进建议，需
要审查焊缝区域的蠕变断裂和蠕变裂纹扩展的现有试验和分析工作。利用有限元建
模可以加深对316H型和Esshete 1250焊接件蠕变裂纹扩展的理解，这有助于开
展后续更详细的分析研究工作。EDF能源公司正在进行这方面的工作。
为明确考虑薄壁件(包括薄壁焊接件)的蠕变和蠕变-疲劳裂纹扩展，该研究工作需
要对薄壁焊缝的组成(包括母材、热影响区和焊缝金属)提出合理的材料属性，并考
虑拘束对裂纹扩展性能的影响。
第4/5卷对服役暴露的研究工作主要是考虑前期蠕变损伤对缺陷评定的影响，考
察蠕变损伤对断裂韧性、疲劳裂纹扩展和蠕变裂纹扩展性能的影响。EDF能源公
司对316H型热影响区和奥氏体焊缝金属的蠕变损伤进行了试验。IC-HTC集中研
究了蠕变损伤对断裂韧性和疲劳裂纹扩展性能的影响，该研究使用冷预压缩316
型钢作为“模型材料”，并考虑局部(如裂纹尖端)蠕变损伤和总体(如裂纹截面广
泛分布)蠕变损伤两种情况，研究对316H型不锈钢蠕变、疲劳和断裂响应的影响。
材料寿命项目正在研究服役暴露(如热老化)对材料性能的影响，可利用这些研究资
料提出对服役暴露的处理方法。
阐述了R5在2016～2020年已确定的发展规划及研究进展，其主要内容是对现有
方法的改进、细化和验证，对新方法的开发和研究，并根据最新的试验进展和理论
研究，对条款或附录进行修订或新增。这体现了R5规程近5年内所有领域的改进，
为R5第4版的发布奠定坚实的基础。第2/3卷和第4/5卷的研究工作以试验为
基础，结合AGR装置的实际运行经验，有效地验证了R5规程中蠕变、蠕变-疲劳
裂纹评定方法的先进性，并促进R5规程不断地完善和升级。这些最新的研究方向、
研究方法可为国内蠕变、蠕变-疲劳裂纹研究提供借鉴。同时，R5规程已经或将要
采用的参考应力法、应力修正的延性耗竭法、线性匹配法等，以及对裂纹萌生和扩
展的评定方法，都可以为国内工程应用和行业标准的修订提供有益的参考。
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