余 平 黃炳炎

（中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610041）

0 引言

目前國內(nèi)在役或在建百萬千萬級核電站（如大亞灣、嶺澳、紅沿河、寧德、陽江、福清、方家山等）普遍采用的是40m3穩(wěn)壓器，其主體承壓邊界材料采用的是RCC－M[1]16MND5板材（厚度范圍90mm～120mm）。此前，該板材完全依賴進(jìn)口，由于缺乏市場競爭，不僅大大增加了設(shè)備的制造成本，也很大程度上影響到設(shè)備制造周期。為了實(shí)現(xiàn)該材料的國產(chǎn)化，2009年中國核動力研究設(shè)計院聯(lián)合寶鋼股份有限公司開展了16MND5鋼板的研制和評定工作。

本文將對此次評定開展的工作內(nèi)容進(jìn)行論述，并對評定大綱與設(shè)計規(guī)范和材料技術(shù)條件的主要差異進(jìn)行了深入分析。

1 評定目的和范圍

按照RCC－M規(guī)范要求，對用于制造穩(wěn)壓器筒體和上、下封頭的16MND5板材，應(yīng)先按RCC－M M140進(jìn)行評定后方可供貨。而且評定大綱主要依據(jù)M140和材料技術(shù)規(guī)范的要求進(jìn)行編制。鑒于RCC－M規(guī)范對評定工作的要求較為宏觀和籠統(tǒng)，此處有必要對M140的評定的具體要求進(jìn)行分析。

經(jīng)過分析，對M140評定的主要內(nèi)容可用下圖簡要描述：

M140評定的目的應(yīng)是為確定一套完整的制造工藝 （包括制造程序和試驗(yàn)程序），保證在指定車間（經(jīng)過評定的車間）按此工藝制造出的材料，能滿足后續(xù)設(shè)備的制造性能（如：成形、加工和焊接等）和使用條件（如輻照、腐蝕等）。所以，首先應(yīng)根據(jù)設(shè)備的制造性能和使用條件確定材料牌號和適用標(biāo)準(zhǔn)，然后開發(fā)一套能生產(chǎn)出滿足要求的制造工藝。對穩(wěn)壓器筒體、封頭來說，規(guī)范及核電站工程實(shí)踐已經(jīng)證明，其所選取的材料牌號（16MND5）和適用標(biāo)準(zhǔn)（RCC－M M2126），能夠滿足穩(wěn)壓器的后續(xù)制造和使用環(huán)境要求。此時，M140的全部評定內(nèi)容只包括：在指定車間按指定工藝生產(chǎn)的板材，滿足M2126對16MND5板材的要求即可。

板材滿足M2126對16MND5的要求，意味著板材內(nèi)部各處的化學(xué)成分、力學(xué)性能和組織均能達(dá)到M2126的規(guī)定。M2126的取樣部位的試驗(yàn)應(yīng)屬于板材出廠的驗(yàn)收試驗(yàn)項(xiàng)目，對評定來說，僅按M2126進(jìn)行取樣試驗(yàn)是不充分的，這正是M140評定要解決的問題。具體內(nèi)容包括：驗(yàn)證板材的內(nèi)部質(zhì)量；評定板材化學(xué)成分和力學(xué)性能的均勻性。相應(yīng)地，在評定時應(yīng)考慮進(jìn)行充分取樣試驗(yàn)。

2 評定取樣分析

影響板材性能的主要因素包括材料的化學(xué)成分、軋制工藝及熱處理工藝等?！俺浞秩印睉?yīng)結(jié)合具體工藝特征，分析其可能導(dǎo)致的化學(xué)成分偏析、金相組織和夾雜物分布，以及力學(xué)性能的變化，選取沿變化趨勢上的典型位置，充分獲取鋼板內(nèi)部質(zhì)量。并得到具有穩(wěn)定內(nèi)部組織、均勻化學(xué)成分和力學(xué)性能的板材。此次評定確定的取樣位置和試驗(yàn)項(xiàng)目見表1。

從下表可以看出，相對材料技術(shù)規(guī)范，評定時增加了板材近表面（1/6厚度處）和心部（1/2厚度處）的全套試驗(yàn)。同時，沿寬度方向，增加了1/2寬度處的全套試驗(yàn)。下面針對這些取樣位置的代表性和合理性，以及是否能充分覆蓋鋼板整體性能進(jìn)行了分析和討論。

表1 評定取樣

對于特厚的16MND5低合金鋼板材，在冶煉和軋制過程中，主要可能產(chǎn)生的冶金缺陷包括：化學(xué)元素偏析、分層和裂紋等。下面分別針對這些缺陷的成因、防止措施和典型取樣位置進(jìn)行分析和討論。

2.1 化學(xué)元素偏析

鑄坯從表殼到中心結(jié)晶過程中，由于鋼中一些溶質(zhì)元素（如碳、錳、硼、硫或磷）在固液邊界上溶解并平衡移動，從柱狀晶析出的溶質(zhì)元素擴(kuò)散到尚未凝固的中心，即產(chǎn)生鑄坯的中心偏析。由于中心偏析導(dǎo)致的低熔點(diǎn)元素向中心偏聚，加上生產(chǎn)過程中化學(xué)成份的控制不穩(wěn)定，碳和合金元素偏析、各種缺陷都聚集在鋼錠中心。尤其是硫和磷的偏析，使的鋼材的塑性、韌性及可焊性變壞。

通過采用底部澆注的改進(jìn)工藝，以及選擇優(yōu)質(zhì)的原材料和煉鋼過程中雜質(zhì)元素的嚴(yán)格控制，能適當(dāng)改善中心偏析導(dǎo)致材料心部性能的惡化。同時，基于國外成熟供貨商的參考經(jīng)驗(yàn)，評定時，針對中心偏析中最為明顯的雜質(zhì)元素硫、磷也特別提高了要求，由原來的S≤0.012%提高到S≤0.008%、P≤0.012%提高到P≤0.008%。減少硫、磷的偏聚引起的鋼板心部塑韌性降低。

雖然通過冶煉工藝改進(jìn)和原材料控制能有效改善元素偏析導(dǎo)致的板材性能不合格，但因合金元素負(fù)偏析帶的存在總會引起板材沿厚度方向的強(qiáng)度下降，特別是硫、磷的偏聚引起的板材心部塑韌性的降低。因此，選取了沿板厚方向上各典型位置（包括表面、近表面（1/6厚度）、1/4厚度、1/2厚度）的取樣試驗(yàn)。一方面獲取板材內(nèi)部充分的性能數(shù)據(jù)，驗(yàn)證板材沿厚度方向的性能總能滿足材料技術(shù)規(guī)范要求；另一方面，通過評定實(shí)測數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證板材內(nèi)部化學(xué)成分和力學(xué)性能的均勻性。

2.2 分層

對于具有高韌性的16MND5低合金鋼板材，在軋制過程中時常出現(xiàn)平行板面的分層，分層嚴(yán)重的鋼板在隨后的加工及使用過程中可能形成層狀撕裂，嚴(yán)重影響板材質(zhì)量。

與鍛件不同的是，板材在各個方向的壓縮比存在明顯的差異，由于化學(xué)元素偏析引起的MnS等夾雜物聚集，導(dǎo)致其沿板材主軋制方向形成延伸的夾雜物帶（即帶狀組織），成為導(dǎo)致鋼板分層的根源。這種帶狀組織在常規(guī)的正火、淬火和回火時很難消除。一般的解決措施包括：嚴(yán)格控制硫、磷含量，減少帶狀組織的形成；加入合金微量元素，改變硫化物的形態(tài)和分布；控制軋制工藝，盡可能采取大壓下量和橫軋措施，使得鋼的中心疏松得到焊合，改變夾雜物平行分布狀態(tài)；嚴(yán)格控制終軋溫度，防止低溫軋制等。

評定時，通過選取板材頭、尾1/2板寬處的Z向拉伸試樣，能有效驗(yàn)證16MND5板材的抗分層撕裂性能。

2.3 裂紋

在冶煉過程中殘留的小氣泡，中心偏析導(dǎo)致的組織疏松、夾雜物聚集，以及因鋼錠冷卻收縮、或因軋制工藝不當(dāng)，從而可能導(dǎo)致鋼材內(nèi)部形成細(xì)小的裂紋，使鋼材性能變差。

對鋼錠中的小氣泡和組織疏松等缺陷，可通過后續(xù)軋制使得板材內(nèi)部組織密實(shí)起來，從而予以解決。對于鋼錠中心偏析引起的MnS等夾雜物聚集、以及鋼中氫的存在，導(dǎo)致在應(yīng)力作用下引發(fā)的微裂紋開裂等情形，通過嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素含量以及鋼板析氫堆緩冷等措施能有效減少裂紋形成。

由于鋼板內(nèi)部存在化學(xué)元素的偏析，尤其心部的偏析更為嚴(yán)重，促進(jìn)了偏析帶中MnS夾雜物的聚集，同時由于鋼中氫的存在，均形成可能的裂紋源。在運(yùn)輸和裝卸過程中保護(hù)不當(dāng)可能引起鋼板張力，導(dǎo)致材料內(nèi)應(yīng)力加劇，最終導(dǎo)致裂紋的形成。經(jīng)回火處理的鋼板能有效消除內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定組織，消除外部載荷導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力加劇，從而可能引發(fā)的裂紋缺陷。鑒于此，為保證鋼板入廠驗(yàn)收的質(zhì)量，特別要求將穩(wěn)壓器筒體和封頭用16MND5板材交貨狀態(tài)均明確為性能熱處理態(tài)。

上述分析了板材本身的軋制特點(diǎn)可能引起的板材性能的變化，從而選取了典型位置處的取樣試驗(yàn)和檢驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)際上，板材沿厚度方向的性能變化還受性能熱處理時淬火冷卻速率不同引起。板厚兩側(cè)的強(qiáng)度和沖擊性能要明顯好于中心部位，但這種明顯變化大致分布在上下表面至1/4厚度處，在1/4厚度以內(nèi)的中心部位其性能變化不大。針對這一特點(diǎn)，上述取樣位置能夠有效驗(yàn)證性能熱處理造成的板材性能變化。

針對板材寬度方向，增加了1/2寬度處的取樣試驗(yàn)。板材沿寬度方向均勻性較好，但考慮到穩(wěn)壓器用板材寬度超過三米，表面溫度均勻控制的難度較大，可能引起性能發(fā)生變化。為驗(yàn)證寶鋼制造工藝對溫度控制的可靠性，評定時選取了1/4寬度和1/2寬度處的取樣。

根據(jù)上述取樣位置，所有試樣形成一個劃分整張鋼板的矩陣，能充分覆蓋整張鋼板的內(nèi)部組織和力學(xué)性能特征。再結(jié)合必要的無損檢測，和對板材交貨狀態(tài)的控制，能有效控制16MND5板材的內(nèi)部質(zhì)量以及化學(xué)成分和力學(xué)性能的均勻性。

3 小結(jié)

經(jīng)以上分析和討論，評定大綱補(bǔ)充取樣試驗(yàn)要求對驗(yàn)證板材內(nèi)部質(zhì)量均勻性是合理且充分的。按此評定大綱開展穩(wěn)壓器筒體和封頭用16MND5板材的評定能滿足設(shè)計規(guī)范和材料技術(shù)條件的要求。實(shí)際評定的結(jié)果也表明，寶鋼生產(chǎn)的鋼板各項(xiàng)檢驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求，且綜合性能良好，內(nèi)部質(zhì)量均勻。

［1］RCC-M 壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則[S].2000.（RCC-M Design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands[S].2000.