AP1000核電用SA-508 Gr.3鋼鍛件熱處理的質量控制

金　鑫，馬　蒙（湖南桃花江核電有限公司，湖南益陽413000）

AP1000核電用SA-508 Gr.3鋼鍛件熱處理的質量控制

金鑫，馬蒙（湖南桃花江核電有限公司，湖南益陽413000）

熱處理作為AP1000核電主設備用大鍛件制造的關鍵環節，對鍛件的最終質量起著決定性的作用。本文通過梳理蒸汽發生器和壓力容器用150余件大鍛件的制造過程，對由于熱處理原因造成的主要質量問題進行剖析，以便在后續的鍛件制造過程中，能有針對性的加強對熱處理環節的質量控制，有效保障鍛件的質量和進度。

核電主設備大鍛件；熱處理；質量控制

1　前言

SA-508 Gr.3鋼因其高強度、優良的焊接性、較好的抗中子輻照脆化能力，以及良好的低溫沖擊韌性等優點，被廣泛應用于AP1000核電廠蒸汽發生器、壓力容器等核島主設備的鍛件制造中。相對于二代核電機型的同類設備，AP1000核電SA-508 Gr.3鋼大鍛件向著“大型化”和“整體化”的趨勢發展，在60年服役壽命的要求下，其在材料的強度、韌性等性能指標的均衡性方面提出了更高的要求。熱處理作為鍛件制造的關鍵環節，對鍛件的“成性”起著決定性的作用，直接影響鍛件的最終質量。本文通過梳理150余件蒸汽發生器、壓力容器大鍛件的制造過程，對由于熱處理原因造成的質量問題進行歸納、總結，以便在后續的鍛件制造過程中，有針對性的加強對熱處理環節的質量控制，有效保障鍛件的質量和進度。

2　熱處理主要問題分析

2.1熱處理原因造成性能不合的分析

通過對150余件蒸汽發生器、壓力容器大鍛件在制造過程中出現的外部不符合項（詳見圖1）進行分類，其中性能熱處理后機性不合格的占50%以上。究其原因，主要是鍛件熱處理的工藝參數配置不佳，包括冷卻速率、保溫時間和溫度等。

圖1　外部NCR類型

2.1.1冷卻條件對性能的影響

隨著熱處理的厚度增大，以及復雜的幾何形狀，核電大鍛件在熱處理淬火過程中難以獲得理想的冷速，鍛件內、外壁的冷卻速度明顯高于中心部位的冷卻速度。為了分析不同冷卻速度對SA508-Gr.3 Cl.2材料性能的影響，組織了以下的對比試驗：

試料取自鍛后態SA-508 Gr.3鍛件，加工成25mm×25mm截面小試樣，淬火保溫溫度為890℃，保溫1h，然后按不同的冷卻速度進行冷卻模擬淬火。考慮到實際工況下核電大鍛件取樣位置冷速一般不超過3℃/s，試驗中選取0.2～1.5℃/s的冷速。試樣淬火后進行640℃的高溫回火。熱處理結束后試料加工成標準拉伸和夏比沖擊試樣，在電子萬能試驗機和夏比沖擊試驗機進行測試，數據詳見表1。

通過繪制試樣在不同冷卻速度下強度的變化（詳見圖2）和夏比沖擊的變化（詳見圖3）。不難看出，隨著淬火冷卻速度的降低，抗拉強度、屈服強度呈平緩下降的趨勢，在最低的0.2℃/s時冷速下，室溫抗拉強度、屈服強度仍能滿足性能要求，材料的斷后伸長率和斷面收縮率無明顯的變化趨勢。但隨著淬火冷速的降低，材料沖擊韌性明顯下降，淬火冷速為0.5℃/s和0.2℃/s的試樣甚至無法滿足材料低溫韌性要求。因此，鍛件在實際制造過程中，如出現性能熱處理后韌性指標不足，可通過改善鍛件的外部冷卻條件，如優化冷卻水槽水循環、降低水溫、改變噴淋方式，或使工件在水中上下串動，盡最大可能提高鍛件的冷卻速度，使鍛件內、外壁的冷卻速度趨于平穩，以獲得均勻的組織，改善鍛件的韌性指標。

表1　890℃不同冷卻速度淬火、640℃回火的性能結果

圖2　890℃淬火不同冷卻速度下強度的變化

2.1.2回火參數對性能的影響分析

為了獲得良好的強韌性匹配，選擇合適的回火參數至關重要。回火參數一般采用式（1）進行計算。

式中：T為回火溫度K；t為回火時間，h。

在研究不同回火參數對鍛件強韌性的影響文獻中［1］，采用φ16圓棒試料，經過920℃×5h，空冷+650℃×8h的正火+回火的預備熱處理后，針對淬火冷卻速度為40℃/min的試樣進行回火參數在18.66～19.92之間的回火處理，該研究得出，在一定范圍內，隨著回火參數的增加，抗拉強度和屈服強度下降明顯；而回火參數對沖擊韌性的影響比較復雜：回火參數偏小鍛件的沖擊指標未能達到最佳，回火參數過大則鍛件的沖擊指標明顯下降。

圖3　890℃淬火不同冷卻速度下的夏比沖擊

在核電大鍛件熱處理工程實踐上，鍛件技術規范已規定了最低的回火溫度和最短的保溫時間，按規范執行的回火不存在回火參數不足的情況。因此，在實際處理鍛件性能不合的問題時，當鍛件的強度指標不滿足規范時，可以通過適當降低回火溫度或縮短回火時間的方法，在對沖擊指標影響不大的前提下，提高鍛件的強度；當沖擊指標不滿足規范要求時，則首先要考慮強度是否有足夠富余量，如強度有富余量，則可以通過提高回火溫度或延長回火的時間適當降低強度提高韌性指標，如強度富余量不足，則無法通過調整回火參數，使鍛件的綜合力學性能滿足規范要求。

2.2熱處理變形

鍛件在性能熱處理時的尺寸應盡可能接近鍛件的成品尺寸，以保證鍛件的性能和提高鍛件的利用率，但鍛件在高溫狀態下剛度降低，加之受到外形形狀，裝爐狀態，起吊過程受力點分布情況等多種因素的影響，特別是壁厚薄、直徑大的筒體、過渡段類鍛件，在熱處理過程中極易發生變形，而在性能不合進行重新熱處理的鍛件更會致使熱處理變形量的疊加，導致局部精加工余量過小，需要耗費大量工作進行評定和校正，甚至會造成鍛件的報廢。

為了控制鍛件在熱處理時的變形量，實踐中一般要盡量選擇合適的工裝、吊具，保證鍛件在運輸和熱處理過程中在鍛件上的載荷均勻。熱處理過程中，通過采用比較緩慢的加熱速度，減小加熱時的溫差和熱應力，或是在保證機械性能的前提下，盡量將淬火溫度控制在下限并力求淬火過程均勻冷卻，選擇適當的回火溫度，利用回火加熱消除變形應力等手段，使鍛件熱處理的變形量在可控范圍之內。

3　熱處理過程質量控制

3.1熱處理工藝的成熟性

熱處理工藝直接影響著鍛件的性能參數，熱處理工藝的制定是在已有生產條件的前提下，經過大量的實驗獲得相關數據，通過對數據的分析和比照，不斷完善和優化而成。因此，成熟的熱處理工藝是確保鍛件質量穩定的根本，當熱處理的工藝設備和熱處理的條件發生變化的情況下，需要對熱處理工藝進行重新評估和驗證，確保鍛件執行的熱處理工藝是可行的、成熟的。

3.2熱處理質量過程的控制

在熱處理過程中，保溫溫度、保溫時間、升降溫速率作為熱處理過程的核心要素，只有確保這幾個要素嚴格按照成熟的熱處理工藝執行，才能做到對熱處理質量過程的控制。

3.2.1文件的符合性

通過文件審查的方式，檢查熱處理工藝文件的符合性，即熱處理工藝與設計規范要求相符、熱處理工藝曲線與實際熱處理過程的相符，并將熱處理過程的記錄作為鍛件合格的質量證明文件，以確保對熱處理過程的可追溯性。

3.2.2實際熱處理過程的符合性

通過見證或者現場巡檢的方式，核查熱處理數據的真實性和可靠性，在鍛件熱處理前，確保部件無油脂、油污、氯化物和含硫化合物，在鍛件進、出爐時，特別是多件鍛件同爐熱處理時，檢查熱電偶的數量和聯接情況、熱電偶與熱源是否進行了適當的隔離等是否滿足規程的要求，以確保測量的溫度能代表部件的實際溫度，在熱處理過程中，確保儀表的正常運行和溫度曲線的正常記錄，測量溫度在工藝文件規定的范圍之內。

3.2.3熱處理變形的控制

在熱處理前，應確保有合適的工裝、吊具，檢查預防熱處理變形的措施是否落實到位，如是否有專用的支撐工裝，墊鐵放置的位置和水平度等，以確保鍛件在運輸和放置時受力均衡；在熱處理過程中，應嚴格按照成熟的熱處理工藝進行操作，確保鍛件的受熱和冷卻速率緩慢、均勻，用回火工藝消除熱應力；在熱處理后，應對鍛件的尺寸進行測量，評估熱處理的變形量是否能通過調整機加工余量來進行修正，如變形量較大，需要通過矯形來修正，則需要對鍛件變形量的大小進行評估，制定相應的矯形方案，必要時還需對矯形后鍛件進行補充沖擊試驗。

4　總結

在實際鍛件制造過程中，根據成熟的熱處理工藝，控制好熱處理過程中的核心要素，做好鍛件熱處理變形的預防措施，可有效的保證鍛件質量的穩定性，如鍛件在性能熱處理后出現個別強度或韌性指標不合的情況，對鍛件實際的性能、微觀組織、成分進行綜合分析，有針對性的調整和優化重新熱處理的工藝參數，可以有效的改善鍛件的綜合力學性能，提高鍛件的合格率。

［1］方才順.淬火冷卻速度和回火參數對核壓力容器SA508-3鋼強韌性的影響［J］.金屬熱處理，2015，40（12）：117～122.

［2］闞玉琦，梁書華.核電站蒸汽發生器管板鍛件熱處理質量控制研究［J］.材料熱處理技術，2010，39（04）：159～161.

［3］凌 進，韓兆隆.反應堆壓力容器模擬鍛件用SA508-3CL鋼性能研究［J］.金屬熱處理，2006，31（09）：14～16.

［4］楊曉請.影響鋼件熱處理變形因素的討論［J］.包鋼科技，2004，30（03）：83～85.

TG156.6

A

2095-2066（2016）26-0271-02

2016-9-2

金 鑫（1983-），男，工程師，本科，主要從事設備采購管理方面的工作。

馬 蒙（1984-），男，工程師，研究生，主要從事設備采購管理方面的工作。