核電項目堆內(nèi)構(gòu)件用SA479 S21800材料性能研究

萬積俊

(上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233)

核電機組堆內(nèi)構(gòu)件可以實現(xiàn)燃料組件及其相關(guān)組件的合理布置，使冷卻劑進入堆芯，并在堆芯中具有合理的流量分布，避免滯流區(qū)和產(chǎn)生強烈的流致振動。由于堆內(nèi)構(gòu)件在高溫、高壓、高中子輻照的環(huán)境運行，而且堆內(nèi)構(gòu)件材料需長期經(jīng)受冷卻劑的高速沖刷。在如此苛刻的條件下，為了保證堆內(nèi)構(gòu)件在設(shè)計壽命內(nèi)安全可靠地運行，堆內(nèi)構(gòu)件材料的選擇顯得非常重要[1]。

堆內(nèi)構(gòu)件材料的選擇一般考慮如下因素：強度適中，塑韌性好，抗沖擊和抗疲勞性能好；中子吸收截面和中子俘獲截面較小，感生放射性小；抗輻照、耐腐蝕性強；熱膨脹系數(shù)小；焊接和機加工性能優(yōu)良；成本較低。綜合考慮上述原則的情況下，“核電”壓水堆主體材料選用低碳奧氏體不銹鋼和高硅錳鉻鎳奧氏體不銹鋼。國內(nèi)外對奧氏體不銹鋼的研究主要集中在304、304L和316L等類型[2-5]，而針對高硅錳鉻鎳奧氏體不銹鋼S21800的研究較為缺乏。彭成等[6]研究了鍛件固溶溫度對高硅錳鉻鎳奧氏體不銹鋼晶間腐蝕特性的影響，發(fā)現(xiàn)950～1200 ℃固溶處理+敏化處理試樣很難發(fā)生晶間腐蝕行為。

某三代核電項目堆內(nèi)構(gòu)件用SA479 S21800材料，是在ASME II卷SA-479材料的基礎(chǔ)上結(jié)合了ASME NCA卷、ASME NB卷和ASME NG卷中的相關(guān)規(guī)定，增加了高溫拉伸要求、棒材規(guī)格Φ≥150 mm橫向取樣等要求。該項目中350 ℃高溫拉伸抗拉強度≥535 MPa，尤其針對規(guī)格Φ≥150 mm的圓鋼鍛件，拉伸試樣需要橫向取樣，使得材料的高溫抗拉強度很難滿足要求。另外，結(jié)合棒材的實際應用場景，設(shè)計文件還對材料的成型、鋼錠冶煉、化學成分、熱處理方式、無損探傷、驗收等都提出了嚴苛的驗收要求。

為了解決該材料批量生產(chǎn)的技術(shù)難題，本文將結(jié)合SA479 S21800材料的使用要求，研究鍛造工藝和化學成分對大規(guī)格SA479 S21800材料的力學性能的影響，同時為核電項目中該材料的設(shè)計指標優(yōu)化提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗方法和驗收標準

1.1 主要技術(shù)要求

根據(jù)設(shè)計要求應對每爐鋼水進行熔煉分析，電渣重熔冶煉時應在每個重熱鋼錠上取樣，結(jié)果滿足表1的規(guī)定。每批鍛棒應進行成品分析，成品分析試樣應取自拉伸試樣的鄰近部位或斷裂的拉伸試樣端部，成品分析結(jié)果應滿足表1的規(guī)定。

表1 SA-479 S21800材料化學成品分析和熔煉分析要求值 單位：%

根據(jù)設(shè)計要求交貨鍛棒拉伸試驗需滿足表2的要求，棒材規(guī)格Φ≥150 mm時，拉伸試樣橫向取樣，取樣位置在棒材二分之一半徑處。硬度試驗可在拉伸試樣的鄰近部位或者鍛棒端面二分之半徑處測定，要求≤241HB。

表2 SA479 S21800材料拉伸試驗要求值

鍛件晶粒度應按照ASTM E112評定，結(jié)果應為大于等于4級。棒材非金屬夾雜物按照ASTM E45方法A進行評定，結(jié)果滿足A類(粗系和細系)和B類(粗系和細系)小于等于2.0級、C類(粗系和細系)和D類(粗系和細系)小于等于1.5級。

1.2 試驗方法及過程

本次試驗中采用的型號為CSS-44300的萬能試驗機、型號為XJB-1金相顯微鏡和型號為HB-3000 的硬度檢測儀都在有效期范圍內(nèi)，試驗和操作人員具有相關(guān)資質(zhì)。

首先，選用冶煉爐號為G001和G002的兩爐鋼錠，兩爐鋼錠冶煉分析部分元素成分如表3所示。再用冶煉爐號為G001鋼錠按照軸向反復鍛造工藝(如圖2所示)和徑向十字鍛造工藝(如圖3所示)各鍛造1根規(guī)格為Φ250×1340 mm圓鋼(編號為：G001-1和G001-2)，鍛造完成后對圓鋼進行固溶處理(詳見圖1)。接著按照本文1.1節(jié)相關(guān)要求取樣完成力學性能和金相試驗，對比鍛造工藝A和B的試驗數(shù)據(jù)。

表3 試驗用鋼錠熔煉分析 單位：%

圖1 SA-479 S21800圓鋼固溶處理示意圖

其中，圓鋼G001-1采用軸向反復鍛造工藝，該工藝如圖2所示，先下料，然后沿著軸向鐓粗，接著沿著軸向拔長，繼續(xù)沿著軸向鐓粗和拔長(即4～5的過程可以重復多次)，最后進行滾圓處理。

1.毛坯下料 2.鐓粗 3.拔長

而圓鋼G001-2采用徑向十字鍛造工藝，該工藝如圖3所示，先下料，然后鋼錠沿著軸向鐓粗到一定的高度，再沿著徑向兩個互相垂直的方向進行鐓粗和拔長，最后進行滾圓處理。

1.毛坯下料 2.鐓粗 3.拔長

最后，再用冶煉爐號為G002的鋼錠鍛造一根規(guī)格為Φ250×1340 mm圓鋼(編號為：G002-1)，鍛造工藝選擇軸向反復鍛造工藝和徑向十字鍛造工藝中較優(yōu)的，鍛造完成之后也按如圖1所示工藝進行固溶處理。同樣，在棒材上劃線取樣完成力學性能和金相檢測。再分析不同化學成分組成對圓鋼性能的影響。結(jié)合兩次試驗數(shù)據(jù)對比情況，選擇最優(yōu)的鍛造工藝和化學成分組成。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 鍛造工藝的影響

兩根圓鋼G001-1和G001-2鍛造完成后，按照圖1工藝進行固溶處理，再按照本文1.1節(jié)要求取樣進行理化試驗。硬度試驗結(jié)果如表4所示，圓鋼G001-1硬度指標略微低于G001-2，且G001-1和G001-2硬度試驗結(jié)果都在合格范圍內(nèi)。

表4 不同鍛造工藝下Φ250圓鋼硬度試驗結(jié)果 單位：HB

結(jié)合表2和表5可以發(fā)現(xiàn)，采用軸向反復鍛造工藝的G001-1室溫屈服強度、高溫屈服強度和高溫抗拉強度都不符合設(shè)計要求，而采用徑向十字鍛造工藝的G001-2僅高溫抗拉強度不符合設(shè)計要求。說明采用徑向十字鍛造工藝，材料的力學性能有了明顯的提升。雖然后者結(jié)果也不合格，但是考慮到該結(jié)果是在反復優(yōu)化工藝后，進行大量試驗的基礎(chǔ)上得來的，且該材料的高溫抗拉設(shè)計指標有一定的安全余量。所以在滿足安全和設(shè)計冗余的情況下可以對該材料的設(shè)計指標進行優(yōu)化，將高溫抗拉強度設(shè)計要求值下調(diào)10%，修訂為≥481 MPa。

表5 不同鍛造工藝下Φ250圓鋼拉伸性能試驗結(jié)果

同時，兩組圓鋼都按照ASTM A262方法E進行晶間腐蝕試驗，試樣敏化處理(保溫溫度675 ℃±5 ℃)后按要求彎曲180°，在10倍放大鏡下觀察彎曲外表面，試樣表面并無裂口和裂紋產(chǎn)生(如圖4所示)。而兩組圓鋼分別按照ASTM E112和ASTM E45 進行評定，發(fā)現(xiàn)晶粒度都能達到4級，非金屬夾雜物也符合要求。這個結(jié)果也與彭成等[6]的研究結(jié)果基本吻合，950～1200 ℃固溶處理后很難出現(xiàn)晶間腐蝕行為。

圖4 晶間腐蝕試樣彎曲后表面狀態(tài)

綜上，采用軸向反復鍛造工藝，鍛造時不改變方向，操作比較容易掌握，鍛后鍛件坯料中心的碳化物偏析區(qū)的金屬不會向外流動，僅能保證鍛件表層金屬的碳化物細小均勻。同時軸向反復鍛造方法以軸向變形為主，橫向變形不足，所以軸向性能優(yōu)異而橫向力學性能不佳。采用徑向十字鍛造方法，金屬流動較大，有利于擊碎坯料中心部分的碳化物，不過此鍛造方法需要經(jīng)常改變鍛造方向，對鍛造操作人員技術(shù)要求較高。而且徑向十字鍛造工藝軸向和橫向變形都較為充分，材料趨于各向同性，橫向取樣后力學性能也較為優(yōu)異。

2.2 鋼錠化學成分的影響

已知圓鋼G001-2采用較為理想的徑向十字鍛造工藝，其力學性能試驗結(jié)果除了高溫抗拉強度外都符合要求，且高溫抗拉強度設(shè)計余量至少10%以上，所以G001-2也能符合項目使用要求。同時也可以發(fā)現(xiàn)G001-2室溫和高溫屈服強度已經(jīng)接近臨界值，如進行批量生產(chǎn)，不合格的風險仍然較高。因此，可以在此基礎(chǔ)上優(yōu)化鋼錠化學成分，改善產(chǎn)品力學性能。所以，研究人員在確定采用徑向十字鍛造工藝的情況下，在設(shè)計要求允許的范圍內(nèi)通過改變化學成分來提升材料的性能。

通過對比表1和表3可以看出，冶煉爐號為G001和G002的兩爐鋼錠熔煉分析結(jié)果都在設(shè)計要求的合格范圍內(nèi)，除了C和N含量差異較大，其他大部分元素含量都非常接近。其中G002的C元素從0.025%增加到0.033%，N元素從0.105%增加到0.172%。化學成分調(diào)整之后，按照徑向十字鍛造工藝鍛造一根G002-1圓鋼，再按圖1進行固溶熱處理，然后按照本文1.1節(jié)要求進行相關(guān)試驗。表6～7是G002-1圓鋼固溶熱處理處理后的力學性能結(jié)果。通過與G001-2圓鋼力學性能數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，G002-1硬度、屈服強度和抗拉強度都有所提升。這是因為C和N的含量越高，不銹鋼的力學性能強度越高，而且根據(jù)蕭紀美等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，N對不銹鋼材料的強度影響甚至大于C。但是，C元素對不銹鋼的晶間腐蝕有很大影響，C含量越高，越容易生成Cr3C2型化合物，進而增加晶間腐蝕的風險。一般認為C含量低于0.035%為超低碳奧氏體不銹鋼，抗晶間腐蝕能力突出，不易發(fā)生晶間腐蝕。所以該項目中為了兼顧材料的力學性能和抗晶間腐蝕能力，C含量上限應該控制在0.035%。為了進一步提升材料的力學性能，只能提升N含量，使其接近0.18%的上限要求。

表6 改變鋼錠部分元素化學分成后Φ250圓鋼硬度試驗結(jié)果 單位：HB

而N含量對不銹鋼的晶間腐蝕影響機理較為復雜，為了驗證結(jié)果是否符合要求，圓鋼G002-1也按照ASTM A262方法E進行晶間腐蝕試驗，試樣敏化處理(保溫溫度675 ℃±5 ℃)后按要求彎曲180°，在10倍放大鏡下觀察彎曲外表面，試樣表面并無裂口和裂紋。再分別按照ASTM E112和ASTM E45 進行評定，發(fā)現(xiàn)晶粒度都能達到4級，非金屬夾雜物也符合要求。說明在該鍛造工藝和化學組成的情況下，不僅力學性能滿足要求，而且金相和晶間腐蝕也都符合要求。

表7 改變鋼錠部分元素化學分成后Φ250圓鋼拉伸性能試驗結(jié)果

3 結(jié)論

本文研究了規(guī)格為Φ250的SA-479S21800材料特性，通過對比兩種鍛造工藝，發(fā)現(xiàn)徑向十字鍛造工藝軸向和橫向變形都較為充分，橫向取樣后力學性能也較為優(yōu)異，但對鍛造操作人員的技術(shù)水平要求較高。軸向反復鍛造工藝，僅在軸向反復變形，其橫向性能表現(xiàn)不佳，但該鍛造工藝操作簡單便于執(zhí)行。

然后在確定鍛造工藝的情況下，通研究鋼中C和N元素變化對性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著C元素和N元素含量的提高，材料的力學性能有明顯提升。但C元素含量過高后，可能存在晶間腐蝕的風險，因此建議C含量控制在接近0.035%即可。為了進一步提升材料的力學性能，可以使鋼錠中N含量趨近于0.18%的上限要求。當然通過試驗也發(fā)現(xiàn)，該材料高溫抗拉強度(≤535 MPa)設(shè)計要求值偏高，在后續(xù)項目中將進行優(yōu)化，把材料的高溫抗拉強度修正為≤481 MPa，這樣在滿足安全使用的情況下，更利于材料的批量生產(chǎn)。