核電站穩壓器用16MND5板材國產化評定分析與研究

余 平 黃炳炎

（中國核動力研究設計院，四川 成都 610041）

0 引言

目前國內在役或在建百萬千萬級核電站（如大亞灣、嶺澳、紅沿河、寧德、陽江、福清、方家山等）普遍采用的是40m3穩壓器，其主體承壓邊界材料采用的是RCC－M[1]16MND5板材（厚度范圍90mm～120mm）。此前，該板材完全依賴進口，由于缺乏市場競爭，不僅大大增加了設備的制造成本，也很大程度上影響到設備制造周期。為了實現該材料的國產化，2009年中國核動力研究設計院聯合寶鋼股份有限公司開展了16MND5鋼板的研制和評定工作。

本文將對此次評定開展的工作內容進行論述，并對評定大綱與設計規范和材料技術條件的主要差異進行了深入分析。

1 評定目的和范圍

按照RCC－M規范要求，對用于制造穩壓器筒體和上、下封頭的16MND5板材，應先按RCC－M M140進行評定后方可供貨。而且評定大綱主要依據M140和材料技術規范的要求進行編制。鑒于RCC－M規范對評定工作的要求較為宏觀和籠統，此處有必要對M140的評定的具體要求進行分析。

經過分析，對M140評定的主要內容可用下圖簡要描述：

M140評定的目的應是為確定一套完整的制造工藝 （包括制造程序和試驗程序），保證在指定車間（經過評定的車間）按此工藝制造出的材料，能滿足后續設備的制造性能（如：成形、加工和焊接等）和使用條件（如輻照、腐蝕等）。所以，首先應根據設備的制造性能和使用條件確定材料牌號和適用標準，然后開發一套能生產出滿足要求的制造工藝。對穩壓器筒體、封頭來說，規范及核電站工程實踐已經證明，其所選取的材料牌號（16MND5）和適用標準（RCC－M M2126），能夠滿足穩壓器的后續制造和使用環境要求。此時，M140的全部評定內容只包括：在指定車間按指定工藝生產的板材，滿足M2126對16MND5板材的要求即可。

板材滿足M2126對16MND5的要求，意味著板材內部各處的化學成分、力學性能和組織均能達到M2126的規定。M2126的取樣部位的試驗應屬于板材出廠的驗收試驗項目，對評定來說，僅按M2126進行取樣試驗是不充分的，這正是M140評定要解決的問題。具體內容包括：驗證板材的內部質量；評定板材化學成分和力學性能的均勻性。相應地，在評定時應考慮進行充分取樣試驗。

2 評定取樣分析

影響板材性能的主要因素包括材料的化學成分、軋制工藝及熱處理工藝等。“充分取樣”應結合具體工藝特征，分析其可能導致的化學成分偏析、金相組織和夾雜物分布，以及力學性能的變化，選取沿變化趨勢上的典型位置，充分獲取鋼板內部質量。并得到具有穩定內部組織、均勻化學成分和力學性能的板材。此次評定確定的取樣位置和試驗項目見表1。

從下表可以看出，相對材料技術規范，評定時增加了板材近表面（1/6厚度處）和心部（1/2厚度處）的全套試驗。同時，沿寬度方向，增加了1/2寬度處的全套試驗。下面針對這些取樣位置的代表性和合理性，以及是否能充分覆蓋鋼板整體性能進行了分析和討論。

表1 評定取樣

對于特厚的16MND5低合金鋼板材，在冶煉和軋制過程中，主要可能產生的冶金缺陷包括：化學元素偏析、分層和裂紋等。下面分別針對這些缺陷的成因、防止措施和典型取樣位置進行分析和討論。

2.1 化學元素偏析

鑄坯從表殼到中心結晶過程中，由于鋼中一些溶質元素（如碳、錳、硼、硫或磷）在固液邊界上溶解并平衡移動，從柱狀晶析出的溶質元素擴散到尚未凝固的中心，即產生鑄坯的中心偏析。由于中心偏析導致的低熔點元素向中心偏聚，加上生產過程中化學成份的控制不穩定，碳和合金元素偏析、各種缺陷都聚集在鋼錠中心。尤其是硫和磷的偏析，使的鋼材的塑性、韌性及可焊性變壞。

通過采用底部澆注的改進工藝，以及選擇優質的原材料和煉鋼過程中雜質元素的嚴格控制，能適當改善中心偏析導致材料心部性能的惡化。同時，基于國外成熟供貨商的參考經驗，評定時，針對中心偏析中最為明顯的雜質元素硫、磷也特別提高了要求，由原來的S≤0.012%提高到S≤0.008%、P≤0.012%提高到P≤0.008%。減少硫、磷的偏聚引起的鋼板心部塑韌性降低。

雖然通過冶煉工藝改進和原材料控制能有效改善元素偏析導致的板材性能不合格，但因合金元素負偏析帶的存在總會引起板材沿厚度方向的強度下降，特別是硫、磷的偏聚引起的板材心部塑韌性的降低。因此，選取了沿板厚方向上各典型位置（包括表面、近表面（1/6厚度）、1/4厚度、1/2厚度）的取樣試驗。一方面獲取板材內部充分的性能數據，驗證板材沿厚度方向的性能總能滿足材料技術規范要求；另一方面，通過評定實測數據分析，驗證板材內部化學成分和力學性能的均勻性。

2.2 分層

對于具有高韌性的16MND5低合金鋼板材，在軋制過程中時常出現平行板面的分層，分層嚴重的鋼板在隨后的加工及使用過程中可能形成層狀撕裂，嚴重影響板材質量。

與鍛件不同的是，板材在各個方向的壓縮比存在明顯的差異，由于化學元素偏析引起的MnS等夾雜物聚集，導致其沿板材主軋制方向形成延伸的夾雜物帶（即帶狀組織），成為導致鋼板分層的根源。這種帶狀組織在常規的正火、淬火和回火時很難消除。一般的解決措施包括：嚴格控制硫、磷含量，減少帶狀組織的形成；加入合金微量元素，改變硫化物的形態和分布；控制軋制工藝，盡可能采取大壓下量和橫軋措施，使得鋼的中心疏松得到焊合，改變夾雜物平行分布狀態；嚴格控制終軋溫度，防止低溫軋制等。

評定時，通過選取板材頭、尾1/2板寬處的Z向拉伸試樣，能有效驗證16MND5板材的抗分層撕裂性能。

2.3 裂紋

在冶煉過程中殘留的小氣泡，中心偏析導致的組織疏松、夾雜物聚集，以及因鋼錠冷卻收縮、或因軋制工藝不當，從而可能導致鋼材內部形成細小的裂紋，使鋼材性能變差。

對鋼錠中的小氣泡和組織疏松等缺陷，可通過后續軋制使得板材內部組織密實起來，從而予以解決。對于鋼錠中心偏析引起的MnS等夾雜物聚集、以及鋼中氫的存在，導致在應力作用下引發的微裂紋開裂等情形，通過嚴格控制雜質元素含量以及鋼板析氫堆緩冷等措施能有效減少裂紋形成。

由于鋼板內部存在化學元素的偏析，尤其心部的偏析更為嚴重，促進了偏析帶中MnS夾雜物的聚集，同時由于鋼中氫的存在，均形成可能的裂紋源。在運輸和裝卸過程中保護不當可能引起鋼板張力，導致材料內應力加劇，最終導致裂紋的形成。經回火處理的鋼板能有效消除內應力、穩定組織，消除外部載荷導致內應力加劇，從而可能引發的裂紋缺陷。鑒于此，為保證鋼板入廠驗收的質量，特別要求將穩壓器筒體和封頭用16MND5板材交貨狀態均明確為性能熱處理態。

上述分析了板材本身的軋制特點可能引起的板材性能的變化，從而選取了典型位置處的取樣試驗和檢驗項目。實際上，板材沿厚度方向的性能變化還受性能熱處理時淬火冷卻速率不同引起。板厚兩側的強度和沖擊性能要明顯好于中心部位，但這種明顯變化大致分布在上下表面至1/4厚度處，在1/4厚度以內的中心部位其性能變化不大。針對這一特點，上述取樣位置能夠有效驗證性能熱處理造成的板材性能變化。

針對板材寬度方向，增加了1/2寬度處的取樣試驗。板材沿寬度方向均勻性較好，但考慮到穩壓器用板材寬度超過三米，表面溫度均勻控制的難度較大，可能引起性能發生變化。為驗證寶鋼制造工藝對溫度控制的可靠性，評定時選取了1/4寬度和1/2寬度處的取樣。

根據上述取樣位置，所有試樣形成一個劃分整張鋼板的矩陣，能充分覆蓋整張鋼板的內部組織和力學性能特征。再結合必要的無損檢測，和對板材交貨狀態的控制，能有效控制16MND5板材的內部質量以及化學成分和力學性能的均勻性。

3 小結

經以上分析和討論，評定大綱補充取樣試驗要求對驗證板材內部質量均勻性是合理且充分的。按此評定大綱開展穩壓器筒體和封頭用16MND5板材的評定能滿足設計規范和材料技術條件的要求。實際評定的結果也表明，寶鋼生產的鋼板各項檢驗和試驗結果均滿足要求，且綜合性能良好，內部質量均勻。

［1］RCC-M 壓水堆核島機械設備設計和建造規則[S].2000.（RCC-M Design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands[S].2000.