刘 强,涂盛辉,丁祥彬,彭祥阳,路广遥,翟立宏,刘青松
(中广核研究院有限公司,深圳 518000)
摘 要:国内某反应堆压力容器部件的母材见证件落锤试验结果出现异常。研究了母材见证件 的化学成分、显微组织、焊接工艺、硬度、制样与试验过程,分析了影响落锤试验结果的主要原因,可 为相关工作人员提供参考。
关键词:反应堆压力容器;落锤试验;无塑性转变温度
中图分类号:TG115.5+6 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)07-0028-04
无塑性转变温度(TNDT)是衡量钢材韧性储备的 一个重要指标,对于防止钢材发生脆性断裂具有重要 意义,其值可通过落锤试验获得。反应堆压力容器 (RPV)是压水堆核电站反应堆冷却系统的关键设备 之一,是防止冷却剂和放射性裂变产物逸出的第二道 安全屏障。RPV长期工作在高温、高压、高放射性的 环境下,为保证设备受中子辐照后不发生脆性断裂, 需要在设备制造过程中准确地测定其TNDT。
1 试验方法
国内某堆型 RPV 某部件处于堆芯区,要求其 参考无塑性转变温度不大于-23.3 ℃,在制造过程 中 按 ASTM E208-20Standard Test Methodfor ConductingDrop-WeightTesttoDetermine 进 行 落锤试验。该锻件在出厂验收时,其调质态和模拟 焊后热处 理 态 的 落 锤 试 验 结 果 合 格,其 中 调 质 态 TNDT≤-28.3 ℃,模拟态TNDT≤-33.3 ℃。选取4 个产品的母材见证件试样,分别编号为1A,1B,2A, 2B,其中1A,2A 为在0°方向上截取的试样,1B,2B 为在180°方向上截取的试样,对4个试样进行落锤 试验,结果出现异常。试样类型均为 P-3型,试验温 度为-18.3 ℃,取样位置为t/4~t/2(t为试样的壁 厚,t=170mm),试样进行落锤试验后的宏观形貌 如图1所示,落锤试验结果如表1所示。
锻件制造厂和产品制造厂的落锤试验结果存在 较大差异,对 RPV 安全构成严重影响,需对其根本 原因进行分析研究,以消除隐患。
2 原因分析
已有很多学者研究了堆焊电流大小、焊道长短、 焊道缺口、取样位置、试样尺寸等因素对落锤试验结 果的影响[1-3]。笔者基于前人研究的基础,对该次落 锤试验结果异常的原因进行分析。
2.1 化学成分分析
在4个试样上取样,对其进行化学成分分析,结 果如表2所示,由表2可知:4个试样的化学成分均满 足 ASME2007SectionIISA-508/SA-508MQuenched and Tempered Vacuum-Treated Carbonand Alloy SteelForgingsforPressureVessels的要求。
2.2 显微组织分析
在4 个 试 样 的 焊 道 处 切 取 试 样,经 磨 制 后 用 4%(体积分数)硝酸酒精溶液和 FeCl3 溶液腐蚀并 进行观察,4个试样的焊缝、母材、热影响区组织形 貌分别如图2~4所示。由图2~4可知:4个试样 的母材组织均为回火贝氏体,热影响区组织均为马 氏体+贝氏体,部分区域为粗大马氏体; 焊缝组织均为马氏体,且部分区域为粗大 4 的 个 马 试 氏 样 体 的 。
2.3 试样尺寸测量
试样采用 ASTM E208-20 中规定的 P-3 型试 样。ASTME208-20规定了试样裂纹源缺口底部离 试样1.8~2.0mm。试样尺寸测量结果显示:缺口 底部离试样高度为1.90mm,符合 ASTM E208-20 的要求。
2.4 焊 接工艺分析
按落锤试验焊接指导规程(PD-SP332 焊 接 工 艺 数 据 单 )执 行。 焊 材 牌 号 为 UTP73G4,焊材直径为5mm,焊材验收合格。分别 在4个试样的堆焊预置裂纹焊道处切取试样,磨制其 焊道横截面并进行观察,4个试样热影响区尺寸测量 结果如图5所示。由图5可知:1A 试样的热影响区 深度约为3.39mm,宽度为14.24mm,焊道高度为4. 58mm;1B试样的热影响区深度约为5.08mm,宽度 为16.53mm,焊道高度为4.28mm;2A 试样的热影 响区深度约为4.70mm,宽度为15.90mm,焊道高度 为5.26mm;2B试样的热影响区深度约为3.98mm, 宽度为14.32mm,焊道高度为4.28mm。结果表明: 随着热影响区尺寸的增加,TNDT 增加[4]。
2.5 硬度测试
硬度测试位置如图6所示,对4个试样进行硬 度测试,测试结果如图7所示。由图7可知:1A 试 样在裂纹焊缝至母材区域的硬度变化相对于其他试 样要小。结果表明:在相同的热影响区尺寸下,随着 热影响区韧性的降低,TNDT 提高[4]。
2.6 取样位置
落锤试样轴线位于t/4与t/2之间,取样位置 如图8所示。t/4位置距边缘42.5mm,t/2位置距 因锻件存在淬透性不均匀等现象,其韧性会较t/4 位置差。
2.7 制样与试验过程
落锤试验过程的具体参数为:试样在冷却介质 中过冷温度为1 ℃,试样保温时间为45min,试样 离开冷却介质至打断的时间为7s,试验锤能量为 400J,均满足 ASTM E208-20标准要求。为研究落 锤试验制样与试验过程对试验结果的影响,制作了多 组试样并进行对比,结果如表3所示。由表3可知: 在相同试验条件下,热处理时间为2h的试样断裂情 况出现波动;热处理时间为24h的试样均未断裂。 表3 多组试样落锤试验对比结果 试验 次数 试样 位置 试样 数量/个 热处理 时间/h 落锤 温度/℃ 结果 1 t/4~t/2 4 2 -18.3 3个断裂,1个未断 2 t/4 2 2 -18.3 1个断裂,1个未断 3 t/2 4 2 -18.3 3个断裂,1个未断 4 t/2 2 2 -18.3 均未断 5 t/4 2 2 -18.3 均未断 6 t/4 4 2 -18.3 3个断裂,1个未断 7 t/4 2 24 -18.3 均未断 8 t/4 2 24 -18.3 均未断 9 t/4 4 24 -18.3 均未断
3 结论
(1)断裂试样堆焊预置裂纹焊道的焊接控制不 稳定导致试样的热影响区过热。 (2)断裂试样的取样位置更靠近中心,导致其 性能变差。 (3)热处理时间对落锤试验结果的影响较大。 (4)不同位置的多组试验结果出现波动,材料 组织的不均匀性对落锤试验结果影响较大。
参考文献: [1] 赵登志,穆振芬,刘志国,等.核电材料的落锤试验研 究[J].理化检验(物理分册),1997,33(1):23-26. [2] 刘钊,朱喜斌,吉宏林,等.核电装备制造中落锤试验 的影响因素[J].工程与试验,2011,51(4):34-37. [3] 郭洋,唐新华,邓胜杰,等.焊接热影响区对SA508Gr. 3钢落锤试验影响研究[J].焊接,2018(7):24-28.
<文章来源>材料与测试网>