核電工程用沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

張宏偉,張華鋒,吳飛飛,梁雪元

(核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所,北京100091)

目前我國(guó)核電設(shè)備機(jī)型眾多,技術(shù)路線多樣化,但由于核電工程標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,造成核電廠核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和制造存在不必要的重復(fù)和消耗等情況,我國(guó)核電安全和自主化發(fā)展對(duì)統(tǒng)一核電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也提出了迫切需求[1]。在我國(guó)核電工程中,沖擊試驗(yàn)常用標(biāo)準(zhǔn)有兩種,分別是GB/T 229－2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》和ASTM E23－2007aStandard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials,該兩種標(biāo)準(zhǔn)的不一致成為困擾核電技術(shù)路線統(tǒng)一的主要難點(diǎn)之一。具體的不一致主要體現(xiàn)在擺錘刀刃半徑不同(分別為2 mm 和8 mm),而擺錘刀刃半徑是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大的因素之一[2]。目前核電行業(yè)對(duì)該兩種標(biāo)準(zhǔn)的選用,特別是擺錘刀刃半徑的選取存在較大分歧。為此,筆者以核電工程中最具代表性的核安全一級(jí)設(shè)備用材SA-508Gr.3Cl.1鋼 和SA-182F316LN 鋼為研究對(duì)象,對(duì)比分析了GB/T 229－2007 和ASTM E23－2007a兩種標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的差異,以供相關(guān)人員在進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)參考。

1 試樣制備和試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

選用SA-508Gr.3Cl.1鋼 和SA-182F316LN 鋼的鍛件分別作為壓力容器和主管道用材。此兩種材料的沖擊性能也是我國(guó)核電工程中的考核項(xiàng)目[3]。在上述材料的1/2厚度處分別截取沖擊試樣,取樣位置和尺寸如圖1所示。

圖1 取樣位置和尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling positions and size

為了排除試樣尺寸效應(yīng)的影響,均按照統(tǒng)一尺寸加工上述沖擊試樣,且盡量兼顧ASTM E23－2007a和GB/T 229－2007的要求。沖擊試樣的加工尺寸如 圖2 所 示。將SA-508Gr.3Cl.1 鋼 和SA-182F316LN 鋼的沖擊試樣分別記為1 號(hào)試樣和2號(hào)試樣。采用投影曲線磨方法加工試樣缺口,該方法的加工精度高并能最大限度地降低對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。加工完成后,對(duì)沖擊試樣的尺寸按照表1的要求(根據(jù)GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a制定,取兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求的重合范圍)進(jìn)行初檢。抽檢試樣尺寸均滿足表1要求,再?gòu)膬煞N試驗(yàn)鋼中隨機(jī)抽取2個(gè)試樣進(jìn)行復(fù)檢,復(fù)檢結(jié)果如表1所示。

圖2 沖擊試樣的加工尺寸Fig.2 Machining dimensions of impact specimens

表1 沖擊試樣的尺寸要求和復(fù)檢結(jié)果Tab.1 Dimensional requirements and re-inspection results of impact specimens

1.2 試驗(yàn)方法

按照表2中沖擊試驗(yàn)條件要求,采用國(guó)際和美標(biāo)的NI750C 型沖擊試驗(yàn)機(jī)分別按照GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a對(duì)1號(hào)試樣和2號(hào)試樣進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)前,分別按照上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的間接檢定方法對(duì)NI750C型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢定。在沖擊試驗(yàn)中,GB/T 229－2007 考慮到取樣過程中會(huì)有溫度損失,規(guī)定了過冷補(bǔ)償,液氮溫度定為－192 ℃(液氮實(shí)際溫度為－196 ℃),而ASTM E23－2007a并沒有規(guī)定過冷補(bǔ)償,規(guī)定液氮溫度仍為－196 ℃。在每個(gè)溫度下試驗(yàn)3次,取平均值作為試驗(yàn)最終結(jié)果。

表2 沖擊試驗(yàn)條件Tab.2 Impact test conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 沖擊吸收能量

1號(hào)試樣和2號(hào)試樣在不同試驗(yàn)條件下的沖擊吸收能量隨試驗(yàn)溫度的變化如圖3所示。由圖3a)可見,當(dāng)溫度在－40 ℃以上時(shí),1號(hào)試樣按照GB/T 229－2007測(cè)得的沖擊吸收能量比按照ASTM E23－2007a測(cè)得的要低,且隨著溫度的升高,兩者的沖擊吸收能量的差值越來越大;當(dāng)溫度上升到40 ℃時(shí),兩者的沖擊吸收能量趨于恒定;當(dāng)溫度在－40 ℃以下時(shí),按照這兩種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的沖擊吸收能量較接近[4],且隨著溫度的降低,沖擊吸收能量均趨于平穩(wěn),變化較小。ASTM E23－2007a中要求試驗(yàn)溫度為－15 ℃時(shí)試樣的沖擊吸收能量不小于41 J,按照GB/T 229－2007得到的試驗(yàn)結(jié)果更嚴(yán)格,但在－15 ℃時(shí)仍遠(yuǎn)高于考核值(41 J)。

由圖3b)可見,2號(hào)試樣沒有呈現(xiàn)出1號(hào)試樣的S形曲線,但在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi),按照GB/T 229－2007測(cè)得的沖擊吸收能量均比按照ASTM E23－2007a測(cè)得的要低,且當(dāng)溫度為－80 ℃時(shí),兩者的沖擊吸收能量的差值最大;在液氮溫度下,按照GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a得到的沖擊吸收能量分別為296 J 和315 J,相差19 J;由于SA-182F316LN鋼具有較好的韌性,因此在測(cè)試溫度范圍內(nèi),2號(hào)試樣在兩種標(biāo)準(zhǔn)下測(cè)得的沖擊吸收能量遠(yuǎn)高于GB/T 229－2007對(duì)此類材料的考核值(當(dāng)溫度為0℃時(shí)沖擊吸收能量大于100 J),因此在核電工程中可統(tǒng)一按照GB/T 229－2007進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

圖3 兩種標(biāo)準(zhǔn)下不同試樣測(cè)得沖擊吸收能量隨溫度的變化曲線Fig.3 Impact absorption energy vs temperature curves measured by different specimens under two different standards；a）specimen 1；b）specimen 2

2.2 韌脆轉(zhuǎn)變溫度

在工程應(yīng)用領(lǐng)域,金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(即脆性斷面率達(dá)到50%時(shí)的溫度,記為FATT50)是評(píng)價(jià)金屬材料韌性的主要性能參數(shù)之一[5],也是沖擊標(biāo)準(zhǔn)存在差異的重要方面。采用雙曲正切函數(shù)分別對(duì)1號(hào)試樣的沖擊功和脆性斷面率進(jìn)行擬合,得到?jīng)_擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線,如圖4所示。可見1號(hào)試樣按照GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度較接近,分別為－12 ℃和－15 ℃,可見GB/T 229－2007 比ASTM E23－2007a 稍嚴(yán)格。

圖4 不同標(biāo)準(zhǔn)下1號(hào)試樣沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線Fig.4 Impact toughness-brittleness transition curves of specimen 1 under different standards

由于2號(hào)試樣按照不同標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)均未出現(xiàn)晶狀斷面(為100%剪切斷面),沒有韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象,沖擊韌度良好,所以不存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

3 結(jié)論

(1)對(duì)SA-508Gr.3Cl.1 鋼 和SA-182F316LN鋼分別按照GB/T 229－2007 和ASTM E23－2007a進(jìn)行沖擊試驗(yàn),按照GB/T 229－2007 測(cè)得的沖擊吸收能量比按照ASTM E23－2007a測(cè)得的要低,試驗(yàn)結(jié)果更為嚴(yán)格保守。

(2)當(dāng)SA-508Gr.3Cl.1鋼的沖擊試驗(yàn)溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí),按照GB/T 229－2007 和ASTM E23－2007a進(jìn)行試驗(yàn)所得到的沖擊吸收能量的差值隨溫度升高而增大,并在40℃及以上時(shí)趨于恒定;當(dāng)溫度低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí),兩種標(biāo)準(zhǔn)所得到的沖擊吸收能量較接近。對(duì)于SA-182F316LN 鋼,在沖擊試驗(yàn)溫度范圍內(nèi),按照ASTM E23－2007a測(cè)得的沖擊吸收能量比按照GB/T 229－2007測(cè)得的要高,且當(dāng)溫度為－80℃時(shí)兩者差別最大。(3)建議在我國(guó)核電工程中統(tǒng)一采用GB/T 229－2007(采用2 mm 擺錘)。該標(biāo)準(zhǔn)雖然比ASTM E23－2007a更嚴(yán)格,但由于鋼材沖擊吸收能量較高,遠(yuǎn)大于考核值,一般不存在驗(yàn)收不合格比例高的風(fēng)險(xiǎn)。可在核電工程中積累常用鋼材的沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù),研究試驗(yàn)值與驗(yàn)收值的對(duì)應(yīng)關(guān)系,逐步統(tǒng)一按照GB/T 229－2007進(jìn)行核電工程材料沖擊試驗(yàn)。