AP1000環行起重機吊鉤材料國產化試驗研究

張生磊 高秀芬 武晉偉

太原重工股份有限公司 太原 030024

0 引言

AP1000核電技術是國外較先進的三代核電技術，通過引進吸收國外的先進核電技術，研究試驗實現國產化，有助于國內核電技術達到國際先進水平。因此，有必要對AP1000核電技術進行研究，尤其是關鍵材料的國產化。低合金結構鋼是三代環行起重機（以下簡稱環吊）關鍵受力部件采用的主要材料，研究中外低合金鋼材料的差異，選出一種國內替代材料尤為必要。

本文依托某核電站環吊項目，選用吊鉤作為關鍵受力零件，對吊鉤材料從化學成分和力學性能2個方面進行分析、比較，以保證選用的替代材料達到使用要求。

1 吊鉤使用工況和性能

吊鉤裝置是起重機上應用最廣泛的取物裝置，除承受吊重外，還承受起升制動時的沖擊載荷。吊鉤是吊鉤滑輪組上最重要零件之一，需承受拉伸、彎曲以及沖擊載荷，因此，要求吊鉤具有較高強度、硬度、足夠的韌性、抗變形性能。

2 吊鉤材料的分析

AP1000環吊吊鉤選用的材料為ASTM A668，CL.H.4340/45（以下簡稱4340），該材料屬于高強度合金鋼，根據相關標準和資料，該材料的化學成分和經過熱處理后的力學性能如表1、表2所示。根據GB/T 3077—2015《合金結構鋼》，4340對應的國產材料為40CrNi2Mo，但我國吊鉤標準GB/T 10051.1—2010《起重吊鉤 第1部分：力學性能、起重量、應力及材料》表3的推薦使用材料中，40CrNi2Mo一般不用作吊鉤材料，考慮到工藝和成本等多方面因素，通過對比吊鉤組的工作級別和外形尺寸，經過計算，選用與40CrNi2Mo成分相近的國產材料34Cr2Ni2Mo。其成分及性能如表1、表2所示。

表1 2種材料化學成分對比

表2 2種材料調質后的力學性能對比

從表格1數據可以看出，34Cr2Ni2Mo的C、Ni元素含量略低于美標材料4340，Cr元素含量高于美標材料4340，其他元素含量與4340相近。從表2數據可以看出，34Cr2Ni2Mo力學性能的各項指標與4340相比，強度和塑性與國外材料4340接近，在韌性方面優于國外材料4340。

3 吊鉤材料試驗數據

根據GB/T 3077—2015《合金結構鋼》適用要求，表2數據（材料40CrNi2Mo和34Cr2Ni2Mo）為≤φ80 mm高強度合金鋼棒材力學性能數據，不適合作為鍛件驗收要求。為了便于分析比較，取2種材料制作相同規格鍛件取軸向試棒做試驗，經過粗加工、熱處理、半精加工、探傷等工序后取試樣做化學成分和力學性能試驗（參照GB/T 10051.1—2010《起重吊鉤 第1部分：力學性能、起重量、應力及材料》、GB/T 10051.2—2010《起重吊鉤 第2部分：鍛造吊鉤技術條件》要求進行驗收），試驗數據如表3、表4所示。

表3 化學成分試驗數據

表4 力學性能試驗數據

由試驗數據可以看出：鍛件試樣在目測、探傷合格的情況下，試棒試驗數據完全符合相關標準要求，從報告的試驗數據可以看出，在硬度接近的情況下34Cr2Ni2Mo在抗拉強度、沖擊功方面與4340相近，屈服強度略低于4340，在塑性和韌性方面優于4340，綜合力學性能與4340接近。

4 34Cr2Ni2Mo吊鉤試驗數據

根據JB/T 6396—2006 《大型合金結構鋼鍛件 技術條件》標準要求，工件的截面尺寸對鍛件性能影響較大。為了更好地驗證該材料的性能和廠內熱加工能力，進行進一步試驗。采用34Cr2Ni2Mo制作了吊鉤模型，該吊鉤模型是吊鉤熱處理狀態的毛坯件，輪廓尺寸與AP1000環吊雙鉤體尺寸基本接近，具體對比如圖1所示。經過鍛造、熱處理、粗加工、調質、半精加工、探傷、在鉤柄處取樣等工序并進行試驗，試驗結果如表5、表6所示。

表5 34Cr2Ni2Mo材料化學成分和試驗數據

表6 34Cr2Ni2Mo材料力學性能和試驗數據

圖1 吊鉤及吊鉤模型示意圖

從表5數據可以看出，34Cr2Ni2Mo化學成分比較接近4340，綜合力學性能也與4340接近，同時吊鉤的力學性可以滿足吊鉤標準（GB/T 10051.1—2010《起重吊鉤 第1部分：力學性能、起重量、應力及材料》表1）的最高強度等級（V級）要求。

5 載荷驗證試驗

為了更好地驗證吊鉤的承載能力，本項目按照ASME B30.10-2019《吊鉤》相關要求編制了雙倍載荷試驗方案，在拉力試驗機上對雙鉤（由吊鉤模型精加工成雙鉤體）進行雙倍載荷試驗。具體試驗方法為：載荷試驗在拉力試驗機上完成，載荷試驗方案如圖2所示；試驗過程逐步加載，分別加載到額定載荷的50%、80%、100%、132%、169%，每階段穩定后保持5 min，無異常后緩慢加載到額定載荷200%，保持30 s后逐步卸載；在試驗前、后分別對吊鉤鉤口（包括中間銷孔）尺寸進行測量，對吊鉤表面進行無損檢測，判斷是否有變化。判斷標準為：尺寸變化值不超過原尺寸1%；表面無裂紋；外形無變化，吊鉤檢查尺寸如圖3所示。試驗要求靜載荷544 t，靜載時間30 s，實際試驗與要求相符，試驗結果如表7所示。

圖2 吊鉤載荷試驗示意圖

圖3 試驗檢查尺寸

由表7可知，對比載荷試驗前后數據，無明顯變化，吊鉤表面未發現裂紋，試驗結果完全滿足標準（ASME B30.10-2019《吊鉤》）要求。

6 結論

34Cr2Ni2Mo是吊鉤推薦使用材料，常用于強度等級較高的吊鉤，這種材料常用作核電站起重機、水電站大型橋式起重機等產品的吊鉤材料。經過多年的試驗驗證，已投入使用的環吊在負載運行試驗中使用性能良好，使用后檢查結果符合標準要求，且大部分環吊已經在現場負載工作多年，未見異常。試驗證明：34Cr2Ni2Mo作為國產材料完全可以替代4340材料。AP1000環吊吊鉤材料的國產化，既降低了成本，又縮短了生產周期，為環吊設計制造國產化提供了試驗依據。