戚彩夢,李雅范,鄭吉偉，張　鵬，秦　斌

(1. 哈爾濱大電機研究所， 黑龍江哈爾濱　150040；

2. 哈爾濱電氣動力裝備有限公司， 黑龍江哈爾濱　150046)

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三代先進非能動型主泵電機碳鋼機座材料國產(chǎn)化研究

戚彩夢1,李雅范2,鄭吉偉2，張鵬2，秦斌2

(1. 哈爾濱大電機研究所， 黑龍江哈爾濱150040；

2. 哈爾濱電氣動力裝備有限公司， 黑龍江哈爾濱150046)

摘要：評價三代先進非能動型主泵電機碳鋼機座材料斷裂韌性的指標，即無塑性轉變溫度要求極高，成為SA 508M Gr.1材料國產(chǎn)化的重點及難點。文章圍繞此難點進行了基礎研究摸索工藝參數(shù)，同時進行了等比例模擬件試制，并針對試制結果進行了分析，總結經(jīng)驗教訓，為三代先進非能動型主泵電機碳鋼機座材料國產(chǎn)化成功奠定了基礎。

關鍵詞：RTNDT；斷裂韌性；淬透性；承壓邊界

0引言

三代先進非能動型核電機組是國家主推的核電機組，其反應堆冷卻劑泵是機組中唯一的能動型設備，是整個核電站的心臟。該主泵的驅動電機為屏蔽電機，它與軸封主泵電機最大的區(qū)別是電機內腔與一回路相通，冷卻劑在其內腔流動，因此該屏蔽電機為核島內的安全一級設備，其上的很多部件均屬于承壓邊界部件，定子機座就是最大的承壓邊界部件。機座是定子內其他部件的載體和保護殼，承受鐵心傳遞來的壓力，同時是冷卻鐵心的導體，其作用十分重要。機座由主法蘭、機殼和下法蘭組焊而成，其中主法蘭和機殼為碳鋼材料，該材料的設計標準為ASME法規(guī)，因此計算要符合ASME法規(guī)第Ⅲ卷第1篇NB分卷NB-3000章的要求，而制造要符合第Ⅱ卷A篇及NB分卷NB-2000章的相應要求。在該材料的諸多要求中無塑性轉變溫度要求極嚴，這給材料制造帶來挑戰(zhàn)。本文細致解讀無塑性轉變溫度指標來源，同時介紹材料國產(chǎn)化情況，分析未達到無塑性轉變溫度要求的原因，并給出改進建議。

1指標來源

根據(jù)NB-3000章NB-3210的規(guī)定，為防止材料脆性斷裂[1]，部件材料應滿足以下要求之一：

a) 按照ASME法規(guī)第Ⅲ卷附錄G內規(guī)定的類似方法對服役及試驗條件進行評價。

b) 對于厚度大于64 mm的管、泵及閥類材料，其最低服役溫度不得低于RTNDT+100℉(56℃)。

c) 對于厚度不大于64 mm的管、泵及閥類材料，在設計規(guī)范規(guī)定的最低服役溫度或更低溫度下應滿足NB-2332(a)的要求。

主法蘭及機殼鍛件選材為SA 508 Gr.1，其作為ASME法規(guī)承壓邊界一級部件，材料分析計算也應符合上述要求。這兩種鍛件的厚度均超過了64 mm，因此只需要符合上述a)、b)兩項之一即可。當b)項作為考核鍛件韌性要求的準則時，且設備環(huán)境溫度最低為10℃時，可知材料RTNDT不能高于-46℃才能滿足設計要求。

2試制

根據(jù)NB 2331的規(guī)定，要滿足RTNDT不高于-46℃的要求，材料的TNDT不能高于-46℃。根據(jù)以往核電近似材料的制造經(jīng)驗判斷，SA 508 Gr.1鍛件材料欲滿足該要求不容易，它將成為材料研制的重點及難點。

研制分兩個階段進行。第一階段進行成分設計，然后制造小鋼錠并鍛造試樣，最后利用熱模擬試驗機以不同的冷卻速率對試樣進行淬火處理，回火及模擬焊后熱處理后進行性能驗證。第二階段采用優(yōu)化的工藝參數(shù)進行全尺寸模擬件制造，并檢驗性能以驗證工藝參數(shù)的可實現(xiàn)性。

材料成分設計以SA 508 Gr.1為基礎進行，在滿足標準允許范圍內，縮小碳含量范圍使其滿足力學性能同時又具有高的可焊性，同時降低磷、硫含量以提高材料塑韌性，最終優(yōu)化結果碳含量控制在0.18%～0.23%范圍內，磷及硫含量控制在0.010%以下，化學成分具體要求見表1。

表1　化學成分

鍛造時使50 kg真空感應冶煉的小鋼錠充分變形，性能熱處理時在熱模擬試驗機以不同的冷卻速率下進行淬火，然后在不同的回火溫度下回火，最終按產(chǎn)品要求在580℃進行模擬焊后熱處理30 h。力學性能檢驗結果表明以50℃/h冷卻速率淬火樣能夠滿足要求，試驗結果見表2。

表2　試驗結果

第二階段的全尺模擬件采用第一階段獲得的優(yōu)化工藝參數(shù)制造。熔煉工藝采用電弧爐初煉加鋼包精煉，最后真空澆注鋼錠，以此來降低鋼中硫、磷雜質含量及氫、氧氣體含量。鍛造過程中鋼錠切頭切尾量達35%，以保證無偏析及其他有害缺陷。鍛后進行正火熱處理細化晶粒，消應，同時為后續(xù)調質做好組織準備。性能熱處理淬火時對冷卻水進行制冷處理，使冷卻水達到低于常溫的溫度，約15℃左右，同時冷卻水槽采取大水量循環(huán)加強冷卻能力，以提高鍛件的冷卻速度。力學性能檢驗取樣按ASME SA 508M及NB-2223的要求進行，試樣經(jīng)模擬焊后熱處理后進行性能檢驗，檢驗結果見表3。

表3　檢驗結果

3分析

小試樣及全尺寸模擬件性能檢驗結果表明，當利用小樣在規(guī)定的可控冷卻速率淬火及其他熱處理后，無塑性轉變溫度及其他性能指標均可達到技術條件的要求，而全尺寸模擬件按最優(yōu)化的參數(shù)熱處理后，沖擊吸收功雖然滿足要求，但仍未達到小試樣水平，同時無塑性轉變溫度與要求值間仍有很大差距。金相檢驗結果顯示，小試樣熱處理后顯微組織為回火貝氏體，而兩件全尺寸模擬件熱處理后取樣部位的組織為鐵素體和索氏體的混合組織，其中鐵素體呈魏氏組織，顯微組織照片見圖1及圖2。

圖1　小試樣顯微組織 100×

圖2　全尺寸模擬件顯微組織 500×

分析表明，造成全尺寸模擬件韌性不佳的原因有兩點。第一，全尺寸模擬件厚度大，取樣位置冷卻速率未能再現(xiàn)小試樣的冷卻速率，同時材料本身淬透性低，因此取樣位置顯微組織與小試樣的存在較大差異。第二， 全尺寸模擬件組織異常，先共析鐵素體沿晶界析出，同時向晶粒內部生長，最終形成魏氏組織。魏氏組織是鋼的一種過熱組織，它使鋼的機械性能，特別是沖擊韌性和塑性有顯著降低，并提高鋼的脆性轉變溫度[2]。針對第二點原因，對兩鍛件進行了重新熱處理，通過正火及回火預備熱處理獲得均勻細小鐵素體及珠光體組織，然后進行調質處理。重新熱處理后鍛件塑韌性指標有所提高，但無塑性轉變仍未達到要求，顯微組織雖未出現(xiàn)魏氏組織，但是仍存在大量先共析鐵素體。

4結語

1) 對于厚度大于64 mm的一級承壓材料，ASME提供兩種防脆性斷裂設計準則即NB-3211.(d).(1)及NB-3211.(d).(2)。

2) 三代先進非能動屏蔽泵電機主法蘭及機殼鍛件淬透性差，材料厚度較大，要達到無塑性轉變溫度目標值應盡可能提高材料的淬火冷卻速率，減少或避免出現(xiàn)鐵素體，同時應避免材料過熱，導致在隨后的淬火快冷后出現(xiàn)魏氏組織，進一步降低材料塑韌性。

參考文獻

[1] ASME法規(guī)第Ⅲ卷，第1篇，NB分卷，NB-3000章 設計，1998版及2000增補。

[2] 崔忠圻. 金屬學與熱處理[M]. 北京：機械工業(yè)出版社. 1988.