劉利釗

（山東核電有限公司，山東 煙臺265116）

美國機械工程師協(xié)會（ASME)《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第三卷《核動力裝置設備建造準則》所規(guī)定的壓力容器用SA508 Gr.3鋼，是以美國材料試驗學會(ASTM)規(guī)定的A508-3鋼為依據(jù)的。該鋼種具有優(yōu)越的可焊性[2]、較好的抗中子輻照脆化性能和非常好的低溫沖擊韌性以及較低的無延性和轉(zhuǎn)變溫度韌性，因此被廣泛應用于壓水堆核電站核島壓力容器制造。目前，世界各國核電站壓力容器制造也大都采用與之類似的鋼種，例如德國電站聯(lián)盟的20MnMoNi55鋼、日本工業(yè)標準的SFVV3鋼、法國標準RCC-M的16MND5鋼以及我國在20世紀70年代研制成功的20MnMoNiNb（S271鋼）等，以上鋼種的主要成分大致相同，性能相近[1]。

AP1000核電機組按照ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》1998年版加2000年版補遺進行建造。按照西屋公司的設備設計規(guī)格書中的要求，AP1000反應堆壓力容器采用SA508 Gr.3 C1.1鋼種，蒸汽發(fā)生器采用SA508 Gr.3 C1.2鋼種。實踐表明，大型核容器鍛件的制造所要求的工藝水平很高，我國試制和生產(chǎn)SA508-3鋼已有30多年歷史，但是，目前在該鋼種大噸位的最佳化學成分配比、冶金質(zhì)量精細控制技術(shù)（如純凈度和均勻度控制）、最佳熱加工工藝和最佳熱處理工藝等方面仍有欠缺。因此，國內(nèi)SA508-3鋼特大鍛件的質(zhì)量穩(wěn)定性尚存在不足[7]。由于大鍛件是核島主設備的關(guān)鍵原材料，其質(zhì)量狀況對設備安全性能及使用壽命影響大。而且由于其制造周期很長，一旦在制造后期出現(xiàn)問題，對設備制造周期的沖擊很大。因此，做好核島主設備大鍛件的監(jiān)造極為重要。本文通過對SA508-3鋼鍛件制造過程中的技術(shù)要點和難點的概括總結(jié)，力求分析出該鋼種的鍛件在制造過程中的質(zhì)量關(guān)注重點，以便在監(jiān)造過程中能更好地監(jiān)督鍛件的制造質(zhì)量。

1 制造

1.1 質(zhì)量保證文件

鍛件制造廠在生產(chǎn)之前要制訂出詳細的質(zhì)量保證文件，通過這些文件的執(zhí)行和使用對鍛件生產(chǎn)的全過程控制，以確保鍛件的質(zhì)量滿足相關(guān)標準和采購技術(shù)文件中的要求。由于核島主設備大多屬于核一級設備，按照ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第三卷NB-2600的要求，制造廠的質(zhì)量體系必須滿足ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第三卷NCA-3800《金屬材料供貨組織的質(zhì)量體系要求》中的要求[3]。

1.2 鍛件圖

每個鍛件應按照訂貨方提供的鍛件圖制造，在鍛件圖上應標明鍛件的交貨尺寸（最終的精加工尺寸）、鍛件淬火尺寸、承受最大應力的面以及力學性能取樣的部位等。

1.3 熔煉和澆鑄

該鋼種一般用堿性電爐進行冶煉，也可用能夠保證質(zhì)量的其他相當或更好的工藝冶煉。為了除掉鋼中的有害氣體（特別是氫），對熔煉的鋼水必須在澆鑄前或澆鑄時進行真空處理[5]。

1.4 鍛造

鍛件應在具有足夠能力的壓機上進行熱加工，并且應使鍛件全截面承受熱加工。鋼錠的頭尾（冒口、水口）應切除足夠的鋼塊，以便將縮孔和過分偏析部分盡量去除（采購技術(shù)文件中規(guī)定了最小切除量）。鍛件的鍛壓比不小于3.5。

1.5 熱處理

鍛件在鍛造后應進行鍛后熱處理，熱處理前應充分冷卻以保證鍛件完成奧氏體相變。鍛后熱處理包括正火和回火兩個階段。正火的溫度為890～980 ℃，保溫足夠時間后空冷或爐冷?；鼗鸬臏囟葹?00～690 ℃，保溫足夠時間后空冷或爐冷。

鍛件在預UT結(jié)束后，須進行調(diào)質(zhì)熱處理（淬火+高溫回火），淬火的加熱溫度為870～920 ℃，保溫足夠時間后在水中急冷，淬火后在亞臨界溫度下進行回火，加熱溫度不低于635 ℃，保溫時間按照最大壁厚處計算，每50 mm至少為1 h，然后空冷或爐冷。

熱處理的加熱溫度、保溫時間、加熱和冷卻速度以及淬火時的相變完成溫度和淬火結(jié)束時的鍛件溫度等均應被記錄在經(jīng)鑒定的材料試驗報告（CMTR，Certified Material Test Report）中。

調(diào)質(zhì)熱處理結(jié)束后，經(jīng)買方允許后進行的任何熱處理也必須記錄在CMTR中。鍛件最終是以奧氏體化，淬火加高溫回火的狀態(tài)供貨。

2 化學成分

2.1 熔煉分析

制造廠在澆鋼時取樣進行化學分析，化學成分的要求如表1和表2所示[4]。

2.2 產(chǎn)品分析

制造廠應對鍛件化學成分作產(chǎn)品分析，產(chǎn)品分析的試樣可取自臨近拉伸試樣附近的母材區(qū)域或破斷的拉伸試樣的端部。由于鋼錠在凝固過程中有成分偏析現(xiàn)象，成品分析的允差比熔煉分析要寬。

表1 SA508 Gr.3 C1.1鋼的化學成分及其質(zhì)量分數(shù)Table1 Chemical composition of steel SA508 Gr.3 C1.1%

表2 SA508 Gr.3 C1.2鋼的化學成分及其質(zhì)量分數(shù)Table2 Chemical composition of steel SA508 Gr.3 C1.2%

熔煉分析和產(chǎn)品分析按照美國材料試驗學會ASTM A751中的要求進行。

2.3 主要合金元素的作用

最初輕水堆壓力容器用鋼采用焊接性優(yōu)良的低合金鋼，但其高溫性能較差。從l965年起，業(yè)界逐漸采用高溫性能較好的Mn-Mo系鋼，但隨著鍛件尺寸增大，要保證鍛件性能的均勻性和高韌性越來越困難了，因此1964年ASME做出規(guī)定，在鍛件厚度≥100 mm 時，Mn-Mo系鋼中必須要加入0.4%～1.0%的Ni或Ni、Cr，以增加淬透性，便形成了Mn-Mo-Ni系鋼（即SA508-3鋼）。V元素的加入是為了細化晶粒。我國的S271鋼是在18MnMoNb的基礎(chǔ)上增加0.6%～0.9%的Ni，其基本成分與SA508-3鋼類似，不同的是通過增加0.02%～0.06%的Nb來細化晶粒，而不是加入V元素[1]。

3 力學性能

3.1 試樣

3.1.1 試樣制備要求

鍛件經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后，按照規(guī)定切取試料（試樣的切取部位方向應按照NB-2000的要求進行），試料經(jīng)過模擬焊后熱處理（模擬產(chǎn)品生產(chǎn)過程中經(jīng)過的所有各項焊后熱處理）后加工成試樣進行力學性能試驗。

模擬焊后熱處理的要求為：將試料放在溫度不超過425 ℃的熱處理爐里，以不超過56 ℃/h的速度將試料加熱至595～621 ℃，保溫足夠時間（目前AP1000的設計文件要求Gr.3 Cl.1材料保溫時間為40 h; Gr.3 Cl.2材料保溫時間為48 h），然后以不超過56 ℃/h的速度將試料冷卻至低于425 ℃。

3.1.2 取樣數(shù)量

筒體類鍛件一般要求在每一端各取兩套試料，每一端的兩套試料成180°方位角；而位于一端的兩套試料的部位與位于另一端的兩套試料的部位之間又互成90°方位角。

封頭類鍛件要求在大端面取兩套試料，這兩套試料互成180°方位角（蒸汽發(fā)生器水室封頭要求和3個一次側(cè)管嘴也各取兩套試料，這兩套試料互成180°方位角）。

SG管板要求取兩套試料，這兩套試料互成180°方位角。管嘴類鍛件要求在一端取樣，兩套試料互成180°方位角。

每一套試料中應包括室溫拉伸一個，沖擊試樣3組（每組3個），落錘試樣至少1組（每組至少2個）。試樣的數(shù)量應滿足ASME鍋爐壓力容器規(guī)范第二卷SA508的要求。

3.1.3 試樣的部位

圖1 取樣部位示意圖Fig.1 Schematic of sampling position

試料的切取必須使得試樣的縱軸到任何熱處理表面的距離至少等于1/4T，且試樣長度的中線或試樣的端面到任何其他表面的距離至少等于T，這里的T是指熱處理對鍛件的最大厚度。如圖1所示。

對于特厚且復雜的鍛件。試料可取自產(chǎn)品的延長部分或產(chǎn)品的加工余量部位。必須使試樣的縱軸離最近熱處理表面至少等于所規(guī)定的高拉應力表面到最近的熱處理表面的最大距離，且試樣的長度中線到其他熱處理表面至少等于此距離的兩倍。在任何情況下，試樣的縱軸到任何熱處理表面的距離不得小于20 mm，試樣的長度的中線到任何其他表面的距離至少為40 mm[5]。

3.1.4 試樣的縱軸方向

對于墩粗的餅狀鍛件，所有拉伸試樣的縱軸應處于切線的方向；對于所有的其他鍛件，拉伸試樣的縱軸應平行于鍛件的主鍛造方向（PWD，Principal working direction）。落錘試驗的試樣的切取對方向沒有要求。

Cv沖擊試樣由3個試樣組成一組，這3個試樣應在試料上并排截取。沖擊試樣的縱軸應垂直于鍛件的主鍛造方向，但在采購技術(shù)條件有要求的情況下，也可能要求在平行于主鍛造方向上切取。

3.2 拉伸試驗

在室溫下，材料的拉伸性能如表3和表4所示。其拉伸曲線如圖2所示。

表3 SA508 Gr.3 C1.1鋼拉伸性能要求Table3 Requirements for tensile performance of the steel SA508 Gr.3 C1.1

表4 SA508 Gr.3 C1.2鋼拉伸性能要求Table4 Requirements for tensile performance of the steel SA508 Gr.3 C1.2

圖2 拉伸曲線圖Fig.2 Tensile curve

3.3 落錘試驗及TNDT測定

從鍛件上同一部位切取的至少兩個試樣在規(guī)定的溫度下進行試驗，試樣通常按照P-3型（130±10）mm×(50±1）mm×(16±0.5）mm制備，落錘試驗按照美國材料試驗學會ASTM E-208-91和ASME《鍋爐壓力容器規(guī)范》第二卷SA370《鋼鐵制品的力學性能試驗標準方法和定義》中的要求進行。

無塑性轉(zhuǎn)變溫度TNDT是表明含有小裂紋的試樣在動態(tài)加載屈服應力下發(fā)生脆斷的最高溫度，也就是說下平臺開始上升的溫度。它的值由按照ASME E208（測定鐵素體鋼無塑性轉(zhuǎn)變溫度的落錘試驗標準試驗方法）試驗時，標準試樣未發(fā)生斷裂的最低溫度測得（我國的鍛件技術(shù)條件往往將TNDT規(guī)定為標準試樣發(fā)生斷裂的最高溫度）[7]。

3.4 沖擊試驗及RTNDT測定

沖擊試驗的方法及試樣，均按照ASME《鍋爐壓力容器規(guī)范》第二卷SA370《鋼鐵制品的力學性能試驗標準方法和定義》中的要求執(zhí)行。

參考無塑性轉(zhuǎn)變溫度是SA508-3鋼對高韌性要求的指標之一，參考無塑性轉(zhuǎn)變溫度越低越好。根據(jù)ASME《鍋爐壓力容器規(guī)范》第三卷NB2331中的規(guī)定，由夏比V形缺口沖擊功和TNDT給出一個參考無塑性轉(zhuǎn)變溫度R TNDT，用來確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)材料的斷裂韌性KIR－(TRTNDT)曲線的下限值。方法為，首先由落錘試驗測得無塑性轉(zhuǎn)變溫度TNDT，然后在TNDT+33 ℃下作3個夏比沖擊試驗，如果每個試樣的橫向膨脹量≥0.89 mm且吸收功均≥68 J，此時的TNDT就是RTNDT[3]，具體要求見表5。

表5 沖擊性能表Table5 Requirements for impact performance

4 無損檢驗

4.1 總體要求

每個鍛件應進行超聲波檢查、磁粉檢查、尺寸檢查及外觀檢查，鍛件應沒有裂紋、熱裂或其他有害缺陷。無損檢驗的檢驗規(guī)程必須得到買方的批準方可執(zhí)行。

4.2 檢驗方法和驗收標準

鍛件超聲波檢測應該使用直探頭和斜探頭分別進行，檢測按照ASME《鍋爐壓力容器規(guī)范》第五卷以及第二卷SA388/SA388M《鍛件超聲檢驗》中的要求進行[3]；驗收應按第三卷第一冊NB分卷NB-2542.2（超聲檢測驗收標準）[3]和第二卷SA508部分（包括采購文件中所引用的補充要求）[4]進行。

鍛件的所有表面應進行磁粉檢測，檢驗操作應按照ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第五卷以及第二卷SA275/SA275M《鋼制鍛件磁粉檢驗規(guī)程》中的要求進行[3]；驗收應按照ASME《鍋爐壓力容器規(guī)范》第二卷SA508部分，第三卷第一冊NB分卷NB-2546.3《磁粉檢測驗收標準》中的要求進行[3]。

4.3 缺陷區(qū)的清除

如果鍛件的表面或近表面發(fā)現(xiàn)不能驗收的缺陷，可以用磨削的方法清除，磨削區(qū)域還得重新進行磁粉檢驗。清除缺陷后的鍛件尺寸應符合訂貨鍛件圖的規(guī)定。但是鍛件在未經(jīng)過買方批準的情況下，不允許進行任何形式的焊補。

5 復試及重復熱處理

若拉伸、沖擊試驗不合格，則按照不合格項目在原取樣位置的附近取雙倍試樣重測。第二次試驗中若仍有一個或一個以上的試樣不合格時，該鍛件可重新熱處理。熱處理后應進行全部性能（化學成分除外）的試驗。重復熱處理必須得到買方的批準，但重復熱處理不得超過兩次。

6 檔案材料

可按照采購規(guī)格書的要求提供母材和焊件的檔案材料，并提供相應的圖紙及檢驗記錄。

7 證書和報告

鍛件制造廠在交貨的同時，應向買方提供每個鍛件的質(zhì)量證明書，如經(jīng)鑒定的材料試驗報告。質(zhì)量證明書應至少包括以下內(nèi)容。

（1）化學成分（熔煉分析和產(chǎn)品分析）報告；

（2）每次熱處理的記錄；

（3）每項力學性能試驗的報告；

（4）金相檢驗的報告（若有要求）；

（5）無損檢驗的報告；

（6）材料的識別標記；

（7）制造圖紙或輪廓圖（該圖應包含鍛件熱處理尺寸，鍛件主要工作方向，所有試樣和存檔材料的切取位置、方向和標識）；

（8）存檔材料的圖紙、編號、尺寸檢測報告、無損檢驗報告等；

（9）不符合項報告。

8 監(jiān)造重點

開工前準備工作是否充分，對后續(xù)制造工作能否順利開展影響很大。因此開工先決條件檢查應對制造廠的管理體系、制造工藝文件準備、檢驗試驗文件準備、工藝評定及試驗、加工設備及工器具檢定、工裝準備、人員資質(zhì)與培訓、環(huán)境、制造進度安排等做一個全面深入的檢查，如發(fā)現(xiàn)問題應要求廠家限期整改。

鍛件制造過程中有幾個關(guān)鍵點應該抓住：粗加工后UT、取樣、力學性能試驗、最終UT探傷、成品檢驗、最終文件審查及質(zhì)量放行。

粗加工后的審查可以從煉鋼原材料開始，仔細審查冶煉、鍛造、鍛后熱處理、機加工，檢查整個過程是否符合采購技術(shù)文件的要求，有沒有嚴重的偏離。鍛件在粗加工后，一般會有一個內(nèi)控預UT檢查。需要關(guān)注在此預超聲檢查中有無超標缺陷出現(xiàn)，以便及時采取準備備件等處理措施。

一般要求鍛件被加工出完工輪廓形狀，并預留一定的加工余量（具體數(shù)據(jù)依材料采購規(guī)格書中的規(guī)定而定），才能被允許進行性能熱處理。監(jiān)造中需要關(guān)注性能熱處理前鍛件的加工余量是否滿足要求。性能熱處理監(jiān)督，應關(guān)注保溫溫度、保溫時間、加熱和冷卻速度等關(guān)鍵因素。另外，需要關(guān)注鍛件為改善性能而進行的再次熱處理必須經(jīng)過買方的批準。

材料的力學性能試驗是決定鍛件是否合格的極為關(guān)鍵的工序。具有核安全等級1級要求的鍛件，在取樣方面有嚴格的規(guī)定，設備監(jiān)造工程師必須現(xiàn)場確認取樣部位、方向和數(shù)量等滿足采購文件要求并在鍛件上打上鋼印記號以有利于質(zhì)量控制。對于試樣，應該重點關(guān)注試樣的加工是否正確，外觀質(zhì)量是否合格，試樣是否存在缺陷等。夏比V形缺口沖擊是非常敏感的韌性指標，其試驗結(jié)果與試樣的加工密切相關(guān)，對試樣的加工要求比較高，因此應格外予以重點關(guān)注。對于鍛件的性能試驗過程應重點關(guān)注儀器是否經(jīng)過檢定合格，操作人員是否具有合格資質(zhì)，試驗操作方法是否滿足相關(guān)規(guī)范的要求，試驗結(jié)果是否合格，報告編寫是否規(guī)范等。

UT探傷是檢驗材料內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵工序，也是發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷最多的時機，必須重點關(guān)注。SA508鍛件UT探傷一般要求必須采用直探頭和斜探頭兩種方法進行檢驗，兩種探頭的排查結(jié)果都要記入探傷報告。超聲檢驗規(guī)程應對兩種探頭的信號分別規(guī)定記錄和驗收標準，超過任何一種標準的缺陷都應該被記錄或判廢。鍛件超聲波檢驗操作及驗收應按照ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》相關(guān)章節(jié)中的要求進行。超聲檢驗報告應該提供缺陷性質(zhì)、缺陷方位、缺陷大小、缺陷深度、缺陷指示長度、缺陷取向、缺陷回波波幅等詳細信息。超聲檢測的見證應關(guān)注操作人員資質(zhì)、儀器設備的檢定情況、探頭及耦合劑的選擇、基準靈敏度和掃查靈敏度的確定、系統(tǒng)標定、檢驗實施過程、缺陷記錄和報告等。

鍛件的所有表面應進行磁粉檢測，檢驗操作及驗收應按照ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》相關(guān)章節(jié)中的要求進行。磁粉檢測的見證應關(guān)注操作人員資質(zhì)、儀器設備的檢定情況、檢驗時機、工件表面準備、檢驗準備、檢驗參數(shù)、檢驗實施過程、磁痕的評定、退磁及后處理、缺陷記錄及報告。

成品檢驗包括尺寸檢查和表面檢驗必須嚴格按照標準進行，其結(jié)果是決定成品能否驗收的前提條件。

最終質(zhì)量文件審查和質(zhì)量放行是決定鍛件是否合格的最后一道工序，應該對CMTR中的內(nèi)容進行全面、詳細、嚴格的審查，發(fā)現(xiàn)問題應要求整改。

鍛件監(jiān)造的見證點設置如表6所示。

表6 鍛件監(jiān)造執(zhí)行方式Table6 The implementation method for supervision of steel forging

[1]戴佩琨，吳祖乾，張晨，等. 壓水堆核電站核島主設備材料和焊接[M]. 上海：上?？茖W技術(shù)文獻出版社，2008.（DAI Pei-kun, WU Zu-qian,ZHANG Chen, et. al. Material and Welding for Main NI Equipment of PWR NPP [M].Shanghai: Shanghai Scientific and Technological Literature Publishing House,2008.）

[2]張良成，張海. SA508-Ⅲ鋼鍛件的焊接性試驗與研究[J]. 焊接生產(chǎn)與研究，1996,5(3).（ZHANG Liang-cheng, ZHANG Hai. SA508-Ⅲ Steel Forging Solderability Test and Study [J].Welding Engineering and Study,1996,5(3).）

[3]ASME《鍋爐壓力容器規(guī)范》[S]，1998(3)，NB-2000，NB-4000.（ASME Boiler Pressure Vessel Criteria [S].1998(3). NB-2000, NB-4000.）

[4]ASME《鍋爐壓力容器規(guī)范》[S]，1998(2)，SA-508.

[5]E J/T441—1989 壓水堆核電廠508-III鋼鍛件技術(shù)條件[S].（EJ/T441—1989 PWR Nuclear Power Plant508-III Steel Forging Technical Specifications [S].）

[6]中華人民共和國電力行業(yè)標準: 壓水堆核電站一回路主設備監(jiān)造技術(shù)導則DL/T-20 [S].（PRC Power Industry Standards: Guide on Manufacturing Techniques for Primary Equipment in PWR NPP DL/T-20 [S].）

[7]鄭隆濱，陳家倫，等. 核電設備S A508-3鋼研究[S]. 上海：國科學院上海冶金研究所，材料物理與化學(專業(yè))博士論文，2000.（ZHENG Longbin, CHEN Jia-lun et al. Study on Nuclear Power Equipment SA508-3 Steel [S]. Shanghai:Shanghai Metallurgy Research & Design Institute of Chinese Academy of Sciences, Doctoral Dissertation of Material Physics and Chemistry,2000.）