使用工況條件下核用18Ni(300)鋼拉桿的力學性能

丁 明, 胡卉樺, 劉 攀, 郝憲朝, 馬穎澈

[1.中核武漢核電運行技術股份有限公司, 武漢 430223;2.中國科學院核用材料與安全評價重點實驗室(中國科學院金屬研究所), 沈陽 110016]

蒸汽發生器傳熱管是壓水堆核電站一、二回路的壓力邊界[1],在高溫、高壓、振動和應力等復雜工況條件下,隨著運行時間的延長,部分傳熱管發生腐蝕損傷[2-3],以及傳熱管壁厚減薄、破損或泄漏現象,影響核電站的安全運行。為了保證核電站的正常運行,通常對缺陷傳熱管兩端進行封堵。目前核電站廣泛使用拉拔式機械堵管技術對蒸汽發生器傳熱管進行堵管,即將包括外管和滑塊的拉拔式機械堵頭裝入傳熱管內,通過拉桿拉動滑塊,滑塊與外管之間的倒錐面結構因滑塊向下滑動而使外管發生外徑變大的塑性變形,使得外管外表面與傳熱管緊密貼合,從而達到封堵的目的。

拉桿為細長桿件,在使用拉桿的過程中,拉桿上端通過螺紋與堵頭滑塊連接,下端通過臺階面與拉拔液壓缸連接,為實現密封,拉桿需承受較大的軸向拉力;拉桿受堵頭結構尺寸的限制,截面面積較小,且工程使用過程中出現過拉桿拉斷的現象,為避免拉桿斷裂,拉桿材料需要具備較高的硬度、屈服強度及良好的疲勞性能。拉桿材料選用18Ni系馬氏體時效鋼,這類材料以超低碳的Fe-Ni馬氏體為基體,通過時效處理過程中基體析出彌散的金屬間化合物來實現材料的強化[4]。

18Ni系時效鋼主要有18Ni(200)、18Ni(250)、18Ni(300)[5]、18Ni(350)、18Ni(400)和18Ni(400)[6],隨著強度的增大,材料的斷裂韌性明顯降低,為了與拉拔式機械堵頭外管和滑塊材料的拉伸性能、變形行為、硬度相適應,選用時效18Ni(300)鋼制備拉桿。LI等[7]指出析出相與基體的晶格錯配程度較低能夠促進材料發生均勻變形,改善材料的斷裂韌性。SINHA等[8]和JHA等[9]指出顯微組織細化有益于改善材料的斷裂韌性。此外,提高材料的純凈度也是改善沖擊韌性的有效措施[10]。一般地,載荷性質(如靜載荷、沖擊載荷或交變載荷)、加載頻率、服役工況、材料表面狀態等均會影響18Ni系時效鋼的疲勞性能。羅文英等[11]的研究結果顯示,隨著加載頻率的增大,18Ni系時效鋼疲勞壽命先延長后縮短。厲鑫洋等[12]的研究指出,經過480 ℃時效處理的18Ni(250)鋼獲得了最佳的低周疲勞性能。WANG等[13]對疲勞裂紋形成的研究顯示,在高應力狀態下,2 800 MPa時效鋼的疲勞裂紋主要起源于試樣表面,在低應力條件下,疲勞裂紋起源于內部夾雜物。

筆者選用熱處理狀態是時效的18Ni(300)鋼制備蒸汽發生器傳熱管拉拔式機械堵管用拉桿試樣,對拉桿在接近使用工況條件下的疲勞和斷裂行為進行試驗研究,分析了斷裂機理,為確定拉桿使用壽命及明確出廠檢驗指標提供了理論依據。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

對18Ni(300)鋼熱軋棒材進行熱處理。在850 ℃下進行固溶處理,保溫時間為65 min,保溫后將棒材水淬冷卻至室溫。采用機械加工方法將固溶處理的熱軋棒材加工成拉桿試樣,成型后對其進行480 ℃時效處理,保溫時間為4 h,保溫后空冷至室溫。因為拉桿最薄弱的環節為前端螺紋的退刀槽,為避免拉桿在受力過程中發生應力集中,退刀槽過渡處設置有圓角,其半徑R為0.5 mm。

圖1 拉桿螺紋端倒角結構示意

1.2 試驗方法

為了使拉拔式機械堵頭發生合適的塑性變形,將堵頭安裝過程中的拉拔力控制為56 ～61 kN,并保持2 s,以達到密封效果;根據堵頭的安裝經驗,堵頭安裝過程的加載周期為9 s,卸載周期為4 s。試驗加載過程如圖2所示,在上述使用工況條件下,用拉伸試驗機循環加載,直至拉桿斷裂,測試時采用3個平行試樣。

圖2 試驗加載過程示意

用掃描電鏡(SEM) 觀察斷口的形貌,用光學顯微鏡(OM)測定晶粒度,用透射電鏡(TEM)觀察時效態的顯微組織,用FeCl3溶液腐蝕金相試樣[14]。

2 試驗結果

2.1 顯微組織

固溶處理后18Ni(300)鋼的顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知:原奧氏體晶粒尺寸約為24 μm,對應的晶粒度為7.0級;組織中含有少量的殘余奧氏體。經480℃時效處理的18Ni(300)鋼的顯微組織形貌如圖4所示。統計結果顯示,原奧氏體晶粒尺寸約為26 μm,與圖3所示的固溶態晶粒尺寸一致,表明時效過程中原奧氏體晶粒未發生粗化,這與時效溫度較低有關。由圖3,4可知,時效組織中未觀察到殘余奧氏體。

圖3 固溶處理后18Ni(300)鋼的顯微組織形貌

圖4 經480 ℃時效處理的18Ni(300)鋼的顯微組織形貌

利用TEM觀察時效后18Ni(300)鋼的顯微組織,結果如圖5所示。由圖5可知:淬火馬氏體發生回復,析出大量尺寸細小的顆粒狀強化相;馬氏體板條內含有大量的位錯,在位錯線上發現了析出相,該相具有面心立方結構,推斷為Ni3Ti[15];該相中含有一定量的Fe、Co元素。在鐵基合金中,Ni3Ti相析出的吉布斯自由能比FeCo、FeNi和CoNi相小得多,在時效處理過程中優先形成[16-19]。

圖5 18Ni(300)鋼的時效組織TEM圖像

2.2 使用工況條件下循環加載力學性能

3件同批次、同尺寸的拉桿試樣在使用工況條件下室溫循環加載至斷裂的周次(以下簡稱“斷裂周次”)分別為486,569,776次,斷裂位置均為拉桿螺紋段根部,拉桿試樣斷裂后的宏觀形貌如圖6所示。根據堵管維修實施經驗,一次蒸汽發生器傳熱管大修拉桿的使用次數不大于150次。試驗斷裂周次最小為486次,是拉桿目標斷裂周次的3倍以上。在61 kN拉拔力的作用下,拉桿最小截面(φ6.5 mm)產生的拉伸應力約為1 839 MPa,接近拉桿材料的抗拉強度(2 050 MPa),斷裂出現在拉桿前端螺紋的退刀槽圓角過渡區,不同試樣上圓角過渡區表面加工狀態的差異會使該區域的應力水平與分布不同,導致斷裂周次有差異,但所有試樣的斷裂周次都滿足規范要求,說明目前的拉桿試樣設計合理。

圖6 拉桿試樣斷裂后的宏觀形貌

拉桿斷口SEM形貌如圖7所示。由圖7可知:斷口由塑性變形區和脆性變形區組成,塑性變形區居中,斷裂周次較大試樣的塑性變形區在整個斷口的占比較大,而斷裂周次較小試樣的塑性變形區占比明顯減小;隨著斷裂周次的減小,脆性變形區占比增大;塑性變形區由韌窩組成,呈典型韌性變形特征,這是因為塑性變形過程中位錯在Ni3Ti相界面塞積,促進裂紋形成,接著擴大成孔洞,鄰近孔洞互相連接,最后在孔洞邊緣撕裂。斷裂面呈現拉伸、沖擊和疲勞混合斷裂特征,主要以拉伸和沖擊斷裂特征為主,存在疲勞輝紋,但與文獻報道的馬氏體鋼低周疲勞破壞特征不完全相符,而與拉伸斷裂[20-21]和沖擊斷裂形貌[22-23]特征相符,由此推斷拉桿材料在使用工況條件下的受力行為以拉伸和沖擊形式為主,以疲勞加載形式為輔。

圖7 拉桿斷口SEM形貌

3 結論

(1) 固溶處理的拉桿材料呈現淬火馬氏體組織,原奧氏體晶粒尺寸約為24 μm,殘余奧氏體質量分數為0.26%。時效處理后,原奧氏體晶粒尺寸約為26 μm,與固溶態保持一致,未觀察到殘余奧氏體;馬氏體發生回復,(Ni, Co, Fe)3Ti相在位錯上析出,呈細小顆粒狀。

(2) 在室溫循環加載條件下,拉桿試樣的斷裂周次大于480次,滿足一次大修拉桿需適用150次的要求;拉桿試樣斷裂位置均為拉桿螺紋段根部,具有較好的一致性。

(3) 斷口由塑性變形區和脆性變形區組成,塑性變形區居中。在近使用工況條件下,拉桿受力行為應以軸向拉伸形式為主,以疲勞加載形式為輔,因此斷裂面主要以拉伸斷裂特征為主,伴隨疲勞特征。