古 敏，王殿祥，韓 麗，曲世超，王 軍，石 琳，葛樹(shù)濤

(大連寶原核設(shè)備有限公司，遼寧大連 116620)

0 引言

目前，我國(guó)核電設(shè)備制造采用的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)有ASME－Ⅲ，RCC－M及俄羅斯的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)發(fā)布的能源行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，主要是沿襲RCC－M的規(guī)定［1－5］。這些標(biāo)準(zhǔn)差異較明顯，以模擬焊后熱處理為例，對(duì)同一種類材料焊接的核電部件，按不同規(guī)范熱處理后力學(xué)性能也不可能相同。為了進(jìn)行比較，文中對(duì)人員閘門、設(shè)備閘門中的厚板母材和焊接材料進(jìn)行了不同規(guī)范的模擬焊后熱處理，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析討論，以供核電項(xiàng)目設(shè)計(jì)者編寫技術(shù)規(guī)格書時(shí)參考。

1 相同材料核電部件的不同模擬焊后熱處理規(guī)范

圖1所示的3種模擬焊后熱處理工藝分別根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)格書編制，并得到相關(guān)設(shè)計(jì)部門確認(rèn)。

圖1 按RCC－M，ASME－Ⅲ和俄羅斯技術(shù)規(guī)格書編制的模擬焊后熱處理工藝

2 相同材料不同模擬焊后熱處理規(guī)范的力學(xué)性能變化

2.1 母材性能的變化

2.1.1 試驗(yàn)用板材的化學(xué)成分

試驗(yàn)用3種厚度板材的化學(xué)成分供貨值和復(fù)驗(yàn)值列于表1。

表1 P265GH鋼板的化學(xué)成分 %

2.1.2 試驗(yàn)用板材不同熱處理規(guī)范的力學(xué)性能

表2列出不同規(guī)范熱處理后的板材力學(xué)性能試驗(yàn)值?？梢钥闯?，在595～650℃，保溫6 h以上，材料的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率無(wú)明顯變化，且都遠(yuǎn)高于供貨標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低值。在熱處理保溫溫度和保溫時(shí)間相同的情況下，3種規(guī)格板材熱處理冷卻速率55℃/h以下者沖擊韌性比55～85℃/h的大幅下降，有的已接近 EN 10028.2—2009《壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，分別為35 J和38 J。由于厚板都存在不同程度的組織偏析，同組沖擊試樣的沖擊試驗(yàn)結(jié)果沖擊吸收能量值也相差懸殊，最高差值達(dá)120 J。

2.2 填充金屬性能的變化

2.2.1 試驗(yàn)用焊接材料的化學(xué)成分

試驗(yàn)用2種焊接材料熔敷金屬的化學(xué)成分供貨值和復(fù)驗(yàn)值列于表3。

表2 P265GH鋼板不同規(guī)范模擬熱處理后的力學(xué)性能

表3 焊接材料熔敷金屬的化學(xué)成分 %

2.2.2 試驗(yàn)用焊接試件不同熱處理狀態(tài)的力學(xué)性能

表4列出經(jīng)不同規(guī)范熱處理后，試件焊縫金屬的力學(xué)性能試驗(yàn)值?？梢钥闯?，在595～650℃，保溫6 h以上，焊縫金屬的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率無(wú)明顯變化，且都遠(yuǎn)高于母材供貨標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低值。在熱處理保溫溫度和保溫時(shí)間相同的情況下，不同焊接試件模擬熱處理不同冷卻速率者沖擊吸收能量值相差不大，與母材模擬熱處理不同的是，每組試樣的沖擊吸收能量值都比較均勻。

表4 焊接材料復(fù)驗(yàn)試件不同規(guī)范模擬熱處理后的力學(xué)性能

3 分析和討論

3.1 模擬熱處理溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

3種不同模擬熱處理制度的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)595～650℃模擬焊后熱處理后，鋼板和焊縫金屬的力學(xué)性能都能分別滿足EN 10028.2—2009《壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)和RCC－M－2000+2002補(bǔ)遺《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》S篇的規(guī)定值，與文獻(xiàn)［6］中的研究結(jié)果相近。按照ASME－Ⅲ的規(guī)定，核電設(shè)備用低碳鋼的焊后熱處理溫度范圍為595～675℃;RCC－M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定低碳鋼焊后熱處理溫度范圍為550～625℃，推薦675℃以上;俄羅斯田灣項(xiàng)目設(shè)備閘門技術(shù)規(guī)格書規(guī)定焊后熱處理溫度為640±10℃。由此可見(jiàn)，焊后熱處理規(guī)定的差異，是標(biāo)準(zhǔn)制定者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)確定的，并無(wú)嚴(yán)格的試驗(yàn)依據(jù)。將設(shè)定溫度的偏差值定為±5℃，既與實(shí)際產(chǎn)品熱處理工藝不符，也與標(biāo)準(zhǔn)本身規(guī)定的溫度范圍不符。模擬熱處理溫度精確到±5℃是不現(xiàn)實(shí)的。實(shí)際上，GB/T 9452《熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》在2012版已對(duì)2003版“保溫精度”的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了糾正，改稱“溫度均勻性”，定義為“熱處理爐實(shí)際保溫溫度相對(duì)于工藝規(guī)定溫度的精確程度，是指各測(cè)溫點(diǎn)溫度相對(duì)于設(shè)定溫度的最大溫度偏差”［7－8］，這本是指熱處理爐的性能，某些技術(shù)規(guī)格書的編制者卻把它變成焊后熱處理工藝名義溫度允許的溫度偏差，這顯然是錯(cuò)誤的。

3.2 模擬焊后熱處理時(shí)間

模擬熱處理的保溫時(shí)間實(shí)際上是考慮焊接返修熱處理增加的熱循環(huán)時(shí)間確定的。3種模擬熱處理規(guī)范的保溫時(shí)間相差較大，同一規(guī)格低碳鋼材料焊接的產(chǎn)品，按RCC－M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，最長(zhǎng)保溫時(shí)間不超過(guò)120 min，按 ASME規(guī)范計(jì)算約2.5 h，而俄羅斯的技術(shù)規(guī)格書要求保溫4.5 ～5.5 h，并且俄羅斯規(guī)定的熱處理溫度遠(yuǎn)高于RCC－M規(guī)定的溫度，這與回火參數(shù)計(jì)算公式P=T(20+logt)×10－3是相悖的。對(duì)于以消除殘余應(yīng)力為主要目的的焊后熱處理，較高溫度、較短時(shí)間的熱處理，可與較低溫度、較長(zhǎng)時(shí)間的熱處理獲得相同的效果，ASME規(guī)范中關(guān)于低碳鋼“降溫延時(shí)”的焊后熱處理規(guī)定正是基于這一事實(shí)。

3.3 加熱和冷卻速率

3種工藝規(guī)范對(duì)裝出爐溫度和加熱、冷卻速率的規(guī)定明顯不同。由于回火脆性的影響，某些厚板(或鍛件)在以較低冷卻速率熱處理后其沖擊吸收能量值會(huì)明顯降低，有時(shí)會(huì)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，表2中按55℃/h以下冷卻速率進(jìn)行的模擬熱處理，已經(jīng)接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值。按照試件厚度與焊件厚度的評(píng)定規(guī)則［9］，用較薄板厚母材試件進(jìn)行的焊接工藝評(píng)定“覆蓋”較厚板材的焊件，由于焊接工藝評(píng)定時(shí)薄板冷卻速率比實(shí)際厚板熱處理冷卻速率快，評(píng)定結(jié)果合格，在實(shí)際生產(chǎn)中，厚板母材實(shí)際沖擊吸收能量值低于標(biāo)準(zhǔn)值不能被發(fā)現(xiàn)。尤其是厚板或鍛件存在組織偏析時(shí)，經(jīng)較低冷卻速率焊后熱處理更容易出現(xiàn)母材沖擊韌性不合格［10－12］，而焊縫金屬?zèng)_擊吸收能量值卻比較均勻。某核電廠核島壓力容器頂蓋沖擊韌性不合格就可能與此有關(guān)，應(yīng)引起高度重視。

4 結(jié)論和建議

(1)低碳鋼焊后熱處理溫度可在較大范圍選擇，保溫精度和熱處理工藝規(guī)范的偏差值是完全不同的概念，將600±5℃作為模擬熱處理規(guī)范混淆了這兩個(gè)不同概念，前者是指熱處理爐性能，后者是指工藝允許的名義溫度波動(dòng)范圍。

(2)焊后消除應(yīng)力的效果與保溫溫度和保溫時(shí)間相關(guān)聯(lián)，可用回火參數(shù)表達(dá)。不論材料厚薄、保溫溫度高低，規(guī)定保溫時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)120 min是缺乏科學(xué)依據(jù)的。

(3)冷卻速率對(duì)厚板母材焊后熱處理的沖擊韌性有明顯影響，較低冷卻速率可造成厚板和鍛件沖擊性能不合格，由于焊接工藝評(píng)定的“覆蓋規(guī)則”，這一問(wèn)題可能被掩蓋。

(4)建議對(duì)厚板和大截面鍛件的焊接核電部件焊后熱處理冷卻速率低于55℃/h、且350℃以下出爐時(shí)帶母材試件，驗(yàn)證板材和鍛件沖擊吸收能量值是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

［1］ ASME BPVC－Ⅲ，核設(shè)施部件建造規(guī)則，第1冊(cè)，NC分卷，2級(jí)部件［S］.

［2］ RCC－M－2000+2002補(bǔ)遺，壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則［S］.

［3］ AME980.00.000Д1，田灣3，4 號(hào)機(jī)組設(shè)備閘門材料規(guī)格書［Z］.

［4］ NB/T 20001—2013，壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備制造規(guī)范［S］.

［5］ NB/T 20002.1—2013，壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備焊接規(guī)范 第1部分:通用要求［S］.

［6］ 王殿祥，任晶波，王曉旭.焊后熱處理溫度和時(shí)間對(duì)15MnNi鋼力學(xué)性能的影響［J］.壓力容器，2012，29(3):76－79.

［7］ GB/T 9452—2003，熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法［S］.

［8］ GB/T 9452—2012，熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法［S］.

［9］ NB/T 47014—2011，承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定［S］.

［10］ 劉云旭.低碳合金鋼中帶狀組織的成因、危害和消除［J］.金屬熱處理，2000，25(12):1 －3.

［11］ 趙路遇，邢建東，王任甫，等.連鑄鋼板中心偏析及其對(duì)組織和韌性的影響［J］.鋼鐵，2005，40(11):62－66.

［12］ 王勇，孫殿東，王長(zhǎng)順，等.模擬焊后熱處理對(duì)SA－738Gr.B鋼板組織及韌性的影響［J］.壓力容器，2014，31(1):10－14.