核電蒸汽發生器下封頭分隔板用鎳基合金厚板組織與性能均勻性研究

敖 影,徐長征,黃海燕

(1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999; 2.寶鋼特鋼有限公司,上海 200940)

世界核電開發運行的實踐證明,核電是一種清潔、安全、經濟、技術成熟、供應能力強、能大規模應用的發電方式[1]。加快我國核電建設,提高核電在電力供給中的比重,不僅有助于緩解電力增長與交通運輸、環境保護的矛盾,同時,對帶動高科技產業和裝備制造業的發展、促進經濟增長、調整能源結構、保障能源安全、實施可持續發展戰略等方面都有重要意義[2]。

核電結構材料是核電關鍵設備國產化的基礎,鎳基合金具有優良的力學性能、耐高溫和耐腐蝕等環境服役性能,因而其廣泛地被用于核電站核島中的關鍵構件,如壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器等核反應堆關鍵設備。核電蒸汽發生器是核島內的三大設備之一,主要作用是轉移堆芯中產生的熱量。下封頭水室隔板作為其關鍵部件將蒸汽發生器下封頭分隔成冷卻進口、出口兩個水室,由于直接與一回路冷卻劑接觸,承受高溫高壓,對其力學性能、耐腐蝕性、板面尺寸精度等都有很高的要求[3]。目前,三代核電技術主要采用綜合性能優異的ASME SB168 UNS N06690和RCC-M M4107 NC30Fe合金(以下均簡稱690合金)熱軋厚板制造水室隔板[4],由于其大單重、大厚度、寬板幅,制造難度非常大,之前全部依靠進口。此外,隨著國內核電站裝機容量的增加,對合金板材的尺寸也提出了更高的要求,例如CAP1400機組所需鎳基合金厚板的單件最大設計厚度為80 mm,最大長度為4 500 mm,最大寬度為2 450 mm。板材規格增大,組織性能的均勻性控制難度成倍增加。這無疑對大鋼錠冶煉控制、熱加工成形控制、熱處理過程控制及制造加工裝備都提出了很高的要求,制造符合厚板尺寸且綜合性能達標的水室隔板用690合金難度極大。

寶鋼特鋼特種合金板帶產線投產后,為響應國家自主建設第三代核電技術的號召,聯合國內核電設備制造、設計等單位,承擔起核電關鍵鎳基合金材料的國產化制造工作[5]。經過摸索和努力,寶鋼特鋼掌握了690鎳基合金熱軋厚板制造的核心技術,自2013年起,陸續成功研制出了符合設計要求的CAP1000、CAP1400、華龍一號核電蒸汽發生器水室隔板用鎳基合金厚板,并完全替代了進口產品。

本文結合寶鋼特鋼國產化制造實踐,對研制的鎳基合金熱軋大、寬、厚板產品多維度取樣,驗證其組織及性能的均勻性。

1 試驗材料及取樣方法

核電蒸發器水室隔板用690合金的C含量不大于0.03%,主要元素是Cr、Ni、Fe,但對微量元素進行了嚴格的控制,成分須滿足表1要求。可見,核電對合金板材成分純凈度的設計要求遠遠高于常規產品。

表1 UNS N06690合金化學成分規定值

根據法國核電技術規范RCC-M材料篇總則M140的規定,任選一張寶鋼特鋼生產的時效熱處理690厚板取樣進行組織和力學性能分析。本試驗厚板尺寸如下:厚52 mm,寬1 800 mm,長9 000 mm。取樣位置分別在板材兩端和1/2長度處的角部、1/4寬度和1/2寬度處,共計15個位置,如圖1中A～Q所示。試驗項目及試驗材料上各取樣位置對應的試樣數量見表2。

表2 試驗項目和試驗材料上的取樣位置及試樣數量

2 試驗結果與分析

2.1 鎳基合金厚板組織均勻性

按照表2對15塊試驗材料進行了晶粒度的檢驗,總計90個晶粒度檢測結果見表3(標準規定值:3.0～8.0級)。可以看出,整張厚板的晶粒度等級以7.0～5.0為主,個別細晶粒7.5級,極個別粗晶粒4.5級,完全符合標準要求,典型的金相照片如圖2所示(A、B、N位置)。碳化物分布如圖3所示,析出碳化物沿晶界連續分布,晶內極少,完全符合核電蒸發器水室隔板的技術要求。

表3 UNS N06690厚板不同取樣位置晶粒度

以上晶粒度及碳化物的檢測結果說明我公司研制的690鎳基合金厚板的組織均勻性很好,充分驗證了各關鍵生產工序的均勻性控制技術水平很高。

2.2 鎳基合金厚板力學性能均勻性

2.2.1 整體力學性能統計結果

力學性能檢測結果統計數據見表4。室溫力學性能數據顯示:抗拉強度為625～662 MPa,屈服強度為274～307 MPa,延伸率為51%～57%,斷面收縮率為60%～66%,沖擊功為251～302 J;350 ℃力學性能數據顯示:抗拉強度為524～556 MPa,屈服強度為211～239 MPa,延伸率為50%～58%,斷面收縮率為63%～67%。與表中的標準力學性能規定值進行對比,不難看出,我公司研制的鎳基合金厚板經多維度、大數量的取樣,力學性能檢測結果均滿足690厚板的設計要求,且有較大的裕量。此外,將室溫和350 ℃拉伸的力學性能測量數據做成散點圖,如圖4所示,抗拉強度、屈服強度及沖擊功的測量數據分布集中,體現出厚板整體力學性能均勻性很好。

表4 UNS N06690厚板力學性能檢測結果統計數據

2.2.2 不同維度力學性能均勻性分析

為了更好地驗證厚板力學性能在不同方向上的均勻性,選取3組對比維度:長度方向、厚度方向、寬度方向。首先分別對比各組內不同方向或部位的平均值,以平均值表征其組內不同方向或部位之間的性能差異;再分別對比各組內不同方向或部位的性能標準差,以標準差表征其組內不同方向或部位性能數據的離散程度。如性能平均值之間的差別和標準差越小,則表示其性能均勻性越好。具體的對比方法如下。

長度方向:沿長度(L)方向,對比頭、中、尾之間的性能;其中頭部指圖1中位置C、A、E、F、G,中部指圖1中L、M、N、P、Q,尾部指圖1中K、J、H、B、D。

厚度方向:沿板材厚度(T)方向,對比T/4、T/2和3T/4之間的性能。

寬度方向:沿板材寬度(W)方向,對比兩側邊部、W/4、W/2和3W/4之間的性能,其中側1指圖1中C、L、K,W/4指圖1中A、M、J,W/2指圖1中E、N、H,3W/4指圖1中F、P、B,側2指圖1中G、Q、D。

通過對比3個維度不同部位之間的室溫拉伸、350 ℃拉伸和室溫沖擊性能的平均值和標準差,進一步分析板材的性能均勻性。

(1) 長度方向。長度方向力學性能均勻性對比如圖5所示。各項力學性能在頭、中、尾3個部位取樣測試的平均值只有微小差別,強度指標尾部的性能略高于頭部和中部(相差8～12 MPa),沖擊性能尾部略低于頭、中部(相差16 J)。由標準差的定義可知,對比數據組的平均值接近時,數據的離散程度根據標準差的數值大小來判定。標準差數值越大,則該組數據離散程度越大;標準差數值越小,該組數據離散程度越小;若標準差數值接近,則表示幾組數據離散程度相當。長度方向各項性能在頭、中、尾三組數據的標準差差值小于3.34,說明3個部位測量數據的離散程度接近。

(2) 厚度方向。厚度方向力學性能均勻性對比如圖6所示。將T/4、T/2、3T/4等3個部位的力學性能數據分類列出,各項指標在3個部位測得的平均值基本一致,強度指標僅相差3～11 MPa,沖擊性能相差7 J,說明厚度方向的力學性能均勻性也十分優異。標準差對比顯示,除室溫抗拉強度T/2處數據標準差比T/4、3T/4處對應值略微偏大(相差5.16)外,其他各項性能的3組標準差均很接近(相差0.71～3.65),說明厚度方向力學性能數據的離散程度相當。

(3) 寬度方向。圖7為寬度方向的力學性能均勻性對比。寬度方向的力學性能數據根據取樣位置共分為五組,分別是側1、W/4、W/2、3W/4、側2,從各項力學性能對應的5組平均值來看,數據基本一致,強度指標僅相差3～5 MPa,沖擊性能相差11 J,表明力學性能在寬度方向的均勻性同樣是優異的。標準差的對比結果顯示,屈服強度和沖擊性能均是在兩側的數據離散程度最小(屈服強度標準差相差最大不超過5.43,沖擊標準差差值最大不超過11.27),抗拉強度在5個位置的數據離散程度相當(標準差數值相差不超過2.58)。

通過以上對比分析發現,長度方向上強度指標尾部的性能略高于頭部和中部,沖擊性能尾部略低于頭、中部,這主要和其電渣重熔的凝固特性有關。因鋼錠的尾部處于凝固初期,此時冷卻條件最佳,凝固組織較好,因此板材的拉伸強度稍高,但其差值也僅為8～12 MPa,后續可通過優化電渣重熔初期的供電參數和冷卻條件進一步縮小該差距。厚度方向上,性能差別很小,屈服強度僅相差3～4 MPa,抗拉強度相差11 MPa,沖擊功最大相差7 J。寬度方向,強度指標僅相差3～5 MPa,沖擊功相差不超過11J,比長度和厚度方向更均勻。綜上,350 ℃拉伸、室溫拉伸和沖擊性能指標在3個對比維度上的均勻性均很優異,充分驗證了我公司在690厚板方面的制造技術能很好地消除軋制板材的各向異性,保證厚板的力學性能均勻性。

3 結論

(1) 對核電蒸汽發生器用690合金厚板不同位置的組織和力學性能檢測結果表明,其各項性能均超出標準要求,且有較大的裕量。組織整體均勻性好,晶粒度主要以7.0～5.0級為主,碳化物的分布完全符合核電蒸發器水室隔板的技術要求。

(2) 對不同維度力學性能均勻性的分析結果顯示,厚板不同部位測量的各項性能數據均值、標準差均非常接近,表明其力學性能在厚板的各個維度分布非常均勻。

(3) 研究分析結果說明我公司鎳基合金厚板產品在冶金質量、熱加工和熱處理均勻性控制方面達到很高的水平,并進一步證明了我國已成功掌握了核電蒸汽發生器水室隔板用鎳基合金厚板的核心制造技術,實現了國產化自主制造。