核電設(shè)備用碳鋼和低合金鋼的斷裂韌性設(shè)計(jì)的研究

王誼清+++李輝

摘 要：本文主要是關(guān)于核電設(shè)備用碳鋼和低合金鋼的斷裂韌性設(shè)計(jì)的研究。化學(xué)成分、熱處理工藝、材料缺陷以及試驗(yàn)的取樣情況都有可能對(duì)斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果造成影響。設(shè)計(jì)核電設(shè)備材料時(shí)，可通過(guò)夏比沖擊試驗(yàn)和落錘試驗(yàn)考核碳鋼和低合金鋼的斷裂韌性，還應(yīng)充分考慮影響材料韌性的各種因素，制定合適的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：韌性；沖擊；落錘

中圖分類號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

核電廠中的核級(jí)承壓設(shè)備用到了大量碳鋼和低合金鋼材料，其中，良好的斷裂韌性是其重要的要求之一。目前已有很多關(guān)于材料斷裂韌性的研究，影響材料韌性的因素有很多，有些是材料本身特征方面的因素，有些是試驗(yàn)條件影響了試驗(yàn)結(jié)果。在以美標(biāo)為基礎(chǔ)的核電設(shè)備用碳鋼和低合金鋼的設(shè)計(jì)中，制定怎樣的試驗(yàn)要求來(lái)考核斷裂韌性，又應(yīng)提出哪些其他要求來(lái)確保材料具有良好的韌性，這是本文研究的意義所在。

1.影響材料韌性的相關(guān)研究

1.1化學(xué)成分的影響

實(shí)驗(yàn)表明，加Nb的碳鋼晶粒較細(xì)，使材料具有較好的斷裂韌性，元素Ce也可以起到增強(qiáng)韌性的作用。此外，還有其他元素也可起到細(xì)化晶粒，增強(qiáng)材料韌性的作用。化學(xué)元素可以增強(qiáng)材料韌性的主要因素是在熱處理時(shí)，可增加晶粒形核數(shù)量，阻礙晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化了晶粒。

1.2 熱處理工藝的影響

有研究發(fā)現(xiàn)，在12Cr2Mo1鍛件法蘭進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)時(shí)，-30℃低溫沖擊試驗(yàn)不合格。通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行理化分析，發(fā)現(xiàn)工件熱處理?xiàng)l件是造成低溫性能不合格的關(guān)鍵因素。此外，還有相關(guān)研究，可知材料熱處理工藝是影響韌性的重要因素之一。因此，材料熱處理時(shí)，應(yīng)保證有合適熱處理工藝，以使材料具有較好的微觀組織，進(jìn)而獲得良好的斷裂韌性。

1.3 材料缺陷的影響

夾雜物、裂紋、孔洞等缺陷，都有可能造成材料性能的下降。例如，有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物硫化錳導(dǎo)致了材料韌性降低。缺陷的存在使晶粒不連續(xù)，晶粒間的作用力降低，斷裂更容易發(fā)生。在材料制造過(guò)程中需要控制材料品質(zhì)，盡量減少缺陷對(duì)材料性能的影響。

1.4 試驗(yàn)條件的影響

材料發(fā)生斷裂時(shí)的沖擊功隨著溫度增加而增加。試驗(yàn)溫度對(duì)所進(jìn)行的試驗(yàn)的沖擊功有影響。材料的取樣位置和方向也會(huì)影響試驗(yàn)所得的沖擊功值。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Q390GJD-Z25鋼板縱向缺口的沖擊功高于橫向缺口的沖擊功，1/4厚度處的沖擊功高于厚度中心處的沖擊功。

綜上，既有化學(xué)成分、熱處理工藝、材料缺陷等內(nèi)因會(huì)影響材料斷裂韌性，又有試驗(yàn)溫度、試樣位置和方向等外在因素也可能對(duì)沖擊試驗(yàn)結(jié)果造成影響。因此，在核電工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮各種因素，以設(shè)計(jì)制定合理的核電設(shè)備用碳鋼和低合金鋼技術(shù)條件。

2.核電設(shè)備碳鋼和低合金鋼對(duì)斷裂韌性的要求

2.1 夏比沖擊試驗(yàn)

夏比沖擊試驗(yàn)是最為常用的斷裂韌性試驗(yàn)，測(cè)量試樣斷裂后所吸收的能量、側(cè)向膨脹量或觀測(cè)脆斷斷口占斷裂表面的百分?jǐn)?shù)。夏比沖擊試驗(yàn)需要規(guī)定材料的狀態(tài)、取樣位置/方向/數(shù)量、試驗(yàn)方法、驗(yàn)收值、復(fù)試要求等。核電設(shè)備用碳鋼和低合金鋼的沖擊要求需要參考ASME Boiler &Pressure Vessel Code第II卷A篇中某些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖擊性能的要求，如：SA-350中的LF2 Cl.1鍛件需要在-46℃進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，一組3個(gè)試樣的平均吸收功不能低于20J，最小吸收功不能低于16J；此外，第III卷NX分卷中的2300節(jié)中，對(duì)材料夏比沖擊試驗(yàn)也有具體要求，根據(jù)材料的規(guī)范等級(jí)不同，各分卷的要求存在差異，一般材料的核安全等級(jí)越高，對(duì)夏比沖擊試驗(yàn)的驗(yàn)收要求越高，具體舉例如：核3級(jí)的LF2 Cl.1鍛件，參考NC-2300，厚度在16mm～25mm，設(shè)計(jì)給出的最低使用溫度以下進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，一組3個(gè)試樣的平均吸收功不能低于27J，最小吸收功不能低于20J。綜上，SA-350 LF2 Cl.1鍛件的夏比沖擊要求既應(yīng)該滿足第II卷中的要求，同時(shí)也應(yīng)該滿足第III卷中的要求，其他材料也是通過(guò)此種方式制定夏比沖擊試驗(yàn)驗(yàn)收要求。

2.2 落錘試驗(yàn)

落錘試驗(yàn)同夏比沖擊試驗(yàn)一樣，可以考核并反映材料的斷裂韌性。落錘試驗(yàn)用于確定材料的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT。在規(guī)定的試驗(yàn)溫度下至少試驗(yàn)兩個(gè)落錘試樣，如果所有試樣均未斷裂，則表明材料的NDT溫度低于該規(guī)定的溫度，如果一個(gè)或多個(gè)試樣均斷裂，則表明材料的NDT溫度不低于該規(guī)定的溫度。核電設(shè)備用碳鋼和低合金鋼的落錘試驗(yàn)同夏比沖擊試驗(yàn)一樣需要規(guī)定取樣、驗(yàn)收和試驗(yàn)方法等要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，同樣需要參考ASME Boiler &Pressure Vessel Code第III卷NX分卷2300節(jié)中的相應(yīng)規(guī)定。對(duì)于核1級(jí)設(shè)備用材料需要參考第III卷NB分卷，厚度超過(guò)16mm的碳鋼和低合金鋼即要求必須進(jìn)行落錘試驗(yàn)，核2級(jí)和MC級(jí)設(shè)備用材料參考NC或NE分卷，厚度不超過(guò)64mm可不進(jìn)行落錘試驗(yàn)，對(duì)于核3級(jí)設(shè)備和支撐件用材料參考ND或NF分卷，可不進(jìn)行落錘試驗(yàn)。在設(shè)計(jì)落錘試驗(yàn)中，需要測(cè)出材料無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，或進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，如：對(duì)于厚度超過(guò)64mm的核2級(jí)碳鋼和低合金鋼材料，應(yīng)保證5℃+（A–LST）的溫度以下兩個(gè)落錘試樣均不斷裂，其中LST為材料最低使用溫度，A為ASME第III卷附錄R規(guī)定的與材料厚度有關(guān)的一個(gè)參數(shù)。

2.3 其他要求

核級(jí)材料設(shè)計(jì)時(shí)還需對(duì)材料制造、化學(xué)成分、金相檢驗(yàn)、表面質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量的要求進(jìn)行規(guī)定。制造過(guò)程中的冶煉、成形、熱處理等關(guān)系到材料性能，與前文提到的影響材料斷裂韌性的各因素密切相關(guān)。除了以上提到的夏比沖擊試驗(yàn)和落錘試驗(yàn)，設(shè)計(jì)文件中還需要求進(jìn)行其他檢測(cè)，其中，熔煉分析和成品分析用于控制材料化學(xué)成分和偏析；金相檢驗(yàn)可避免因晶粒過(guò)粗或非金屬夾雜物導(dǎo)致的材料性能降低；無(wú)損檢測(cè)可盡量避免材料內(nèi)部和表面各種缺陷誘導(dǎo)的材料脆斷。

結(jié)語(yǔ)

化學(xué)成分、熱處理工藝、材料缺陷等內(nèi)在因素會(huì)影響材料斷裂韌性，試驗(yàn)溫度、試樣位置和方向等外在因素可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。在核電設(shè)備的碳鋼和低合金鋼材料設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)夏比沖擊試驗(yàn)和落錘試驗(yàn)考核斷裂韌性，還要充分考慮影響材料韌性的各項(xiàng)因素，從冶煉、成形、熱處理和各種檢測(cè)試驗(yàn)來(lái)對(duì)材料性能進(jìn)行控制。

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