金　鑫，馬　蒙（湖南桃花江核電有限公司，湖南益陽413000）

AP1000核電用SA-508 Gr.3鋼鍛件熱處理的質(zhì)量控制

金鑫，馬蒙（湖南桃花江核電有限公司，湖南益陽413000）

熱處理作為AP1000核電主設(shè)備用大鍛件制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對鍛件的最終質(zhì)量起著決定性的作用。本文通過梳理蒸汽發(fā)生器和壓力容器用150余件大鍛件的制造過程，對由于熱處理原因造成的主要質(zhì)量問題進(jìn)行剖析，以便在后續(xù)的鍛件制造過程中，能有針對性的加強(qiáng)對熱處理環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，有效保障鍛件的質(zhì)量和進(jìn)度。

核電主設(shè)備大鍛件；熱處理；質(zhì)量控制

1　前言

SA-508 Gr.3鋼因其高強(qiáng)度、優(yōu)良的焊接性、較好的抗中子輻照脆化能力，以及良好的低溫沖擊韌性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于AP1000核電廠蒸汽發(fā)生器、壓力容器等核島主設(shè)備的鍛件制造中。相對于二代核電機(jī)型的同類設(shè)備，AP1000核電SA-508 Gr.3鋼大鍛件向著“大型化”和“整體化”的趨勢發(fā)展，在60年服役壽命的要求下，其在材料的強(qiáng)度、韌性等性能指標(biāo)的均衡性方面提出了更高的要求。熱處理作為鍛件制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對鍛件的“成性”起著決定性的作用，直接影響鍛件的最終質(zhì)量。本文通過梳理150余件蒸汽發(fā)生器、壓力容器大鍛件的制造過程，對由于熱處理原因造成的質(zhì)量問題進(jìn)行歸納、總結(jié)，以便在后續(xù)的鍛件制造過程中，有針對性的加強(qiáng)對熱處理環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，有效保障鍛件的質(zhì)量和進(jìn)度。

2　熱處理主要問題分析

2.1熱處理原因造成性能不合的分析

通過對150余件蒸汽發(fā)生器、壓力容器大鍛件在制造過程中出現(xiàn)的外部不符合項(xiàng)（詳見圖1）進(jìn)行分類，其中性能熱處理后機(jī)性不合格的占50%以上。究其原因，主要是鍛件熱處理的工藝參數(shù)配置不佳，包括冷卻速率、保溫時(shí)間和溫度等。

圖1　外部NCR類型

2.1.1冷卻條件對性能的影響

隨著熱處理的厚度增大，以及復(fù)雜的幾何形狀，核電大鍛件在熱處理淬火過程中難以獲得理想的冷速，鍛件內(nèi)、外壁的冷卻速度明顯高于中心部位的冷卻速度。為了分析不同冷卻速度對SA508-Gr.3 Cl.2材料性能的影響，組織了以下的對比試驗(yàn)：

試料取自鍛后態(tài)SA-508 Gr.3鍛件，加工成25mm×25mm截面小試樣，淬火保溫溫度為890℃，保溫1h，然后按不同的冷卻速度進(jìn)行冷卻模擬淬火?？紤]到實(shí)際工況下核電大鍛件取樣位置冷速一般不超過3℃/s，試驗(yàn)中選取0.2～1.5℃/s的冷速。試樣淬火后進(jìn)行640℃的高溫回火。熱處理結(jié)束后試料加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸和夏比沖擊試樣，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)和夏比沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)詳見表1。

通過繪制試樣在不同冷卻速度下強(qiáng)度的變化（詳見圖2）和夏比沖擊的變化（詳見圖3）。不難看出，隨著淬火冷卻速度的降低，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度呈平緩下降的趨勢，在最低的0.2℃/s時(shí)冷速下，室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度仍能滿足性能要求，材料的斷后伸長率和斷面收縮率無明顯的變化趨勢。但隨著淬火冷速的降低，材料沖擊韌性明顯下降，淬火冷速為0.5℃/s和0.2℃/s的試樣甚至無法滿足材料低溫韌性要求。因此，鍛件在實(shí)際制造過程中，如出現(xiàn)性能熱處理后韌性指標(biāo)不足，可通過改善鍛件的外部冷卻條件，如優(yōu)化冷卻水槽水循環(huán)、降低水溫、改變噴淋方式，或使工件在水中上下串動(dòng)，盡最大可能提高鍛件的冷卻速度，使鍛件內(nèi)、外壁的冷卻速度趨于平穩(wěn)，以獲得均勻的組織，改善鍛件的韌性指標(biāo)。

表1　890℃不同冷卻速度淬火、640℃回火的性能結(jié)果

圖2　890℃淬火不同冷卻速度下強(qiáng)度的變化

2.1.2回火參數(shù)對性能的影響分析

為了獲得良好的強(qiáng)韌性匹配，選擇合適的回火參數(shù)至關(guān)重要?；鼗饏?shù)一般采用式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：T為回火溫度K；t為回火時(shí)間，h。

在研究不同回火參數(shù)對鍛件強(qiáng)韌性的影響文獻(xiàn)中［1］，采用φ16圓棒試料，經(jīng)過920℃×5h，空冷+650℃×8h的正火+回火的預(yù)備熱處理后，針對淬火冷卻速度為40℃/min的試樣進(jìn)行回火參數(shù)在18.66～19.92之間的回火處理，該研究得出，在一定范圍內(nèi)，隨著回火參數(shù)的增加，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降明顯；而回火參數(shù)對沖擊韌性的影響比較復(fù)雜：回火參數(shù)偏小鍛件的沖擊指標(biāo)未能達(dá)到最佳，回火參數(shù)過大則鍛件的沖擊指標(biāo)明顯下降。

圖3　890℃淬火不同冷卻速度下的夏比沖擊

在核電大鍛件熱處理工程實(shí)踐上，鍛件技術(shù)規(guī)范已規(guī)定了最低的回火溫度和最短的保溫時(shí)間，按規(guī)范執(zhí)行的回火不存在回火參數(shù)不足的情況。因此，在實(shí)際處理鍛件性能不合的問題時(shí)，當(dāng)鍛件的強(qiáng)度指標(biāo)不滿足規(guī)范時(shí)，可以通過適當(dāng)降低回火溫度或縮短回火時(shí)間的方法，在對沖擊指標(biāo)影響不大的前提下，提高鍛件的強(qiáng)度；當(dāng)沖擊指標(biāo)不滿足規(guī)范要求時(shí)，則首先要考慮強(qiáng)度是否有足夠富余量，如強(qiáng)度有富余量，則可以通過提高回火溫度或延長回火的時(shí)間適當(dāng)降低強(qiáng)度提高韌性指標(biāo)，如強(qiáng)度富余量不足，則無法通過調(diào)整回火參數(shù)，使鍛件的綜合力學(xué)性能滿足規(guī)范要求。

2.2熱處理變形

鍛件在性能熱處理時(shí)的尺寸應(yīng)盡可能接近鍛件的成品尺寸，以保證鍛件的性能和提高鍛件的利用率，但鍛件在高溫狀態(tài)下剛度降低，加之受到外形形狀，裝爐狀態(tài)，起吊過程受力點(diǎn)分布情況等多種因素的影響，特別是壁厚薄、直徑大的筒體、過渡段類鍛件，在熱處理過程中極易發(fā)生變形，而在性能不合進(jìn)行重新熱處理的鍛件更會(huì)致使熱處理變形量的疊加，導(dǎo)致局部精加工余量過小，需要耗費(fèi)大量工作進(jìn)行評定和校正，甚至?xí)斐慑懠膱?bào)廢。

為了控制鍛件在熱處理時(shí)的變形量，實(shí)踐中一般要盡量選擇合適的工裝、吊具，保證鍛件在運(yùn)輸和熱處理過程中在鍛件上的載荷均勻。熱處理過程中，通過采用比較緩慢的加熱速度，減小加熱時(shí)的溫差和熱應(yīng)力，或是在保證機(jī)械性能的前提下，盡量將淬火溫度控制在下限并力求淬火過程均勻冷卻，選擇適當(dāng)?shù)幕鼗饻囟?，利用回火加熱消除變形?yīng)力等手段，使鍛件熱處理的變形量在可控范圍之內(nèi)。

3　熱處理過程質(zhì)量控制

3.1熱處理工藝的成熟性

熱處理工藝直接影響著鍛件的性能參數(shù)，熱處理工藝的制定是在已有生產(chǎn)條件的前提下，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析和比照，不斷完善和優(yōu)化而成。因此，成熟的熱處理工藝是確保鍛件質(zhì)量穩(wěn)定的根本，當(dāng)熱處理的工藝設(shè)備和熱處理的條件發(fā)生變化的情況下，需要對熱處理工藝進(jìn)行重新評估和驗(yàn)證，確保鍛件執(zhí)行的熱處理工藝是可行的、成熟的。

3.2熱處理質(zhì)量過程的控制

在熱處理過程中，保溫溫度、保溫時(shí)間、升降溫速率作為熱處理過程的核心要素，只有確保這幾個(gè)要素嚴(yán)格按照成熟的熱處理工藝執(zhí)行，才能做到對熱處理質(zhì)量過程的控制。

3.2.1文件的符合性

通過文件審查的方式，檢查熱處理工藝文件的符合性，即熱處理工藝與設(shè)計(jì)規(guī)范要求相符、熱處理工藝曲線與實(shí)際熱處理過程的相符，并將熱處理過程的記錄作為鍛件合格的質(zhì)量證明文件，以確保對熱處理過程的可追溯性。

3.2.2實(shí)際熱處理過程的符合性

通過見證或者現(xiàn)場巡檢的方式，核查熱處理數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性，在鍛件熱處理前，確保部件無油脂、油污、氯化物和含硫化合物，在鍛件進(jìn)、出爐時(shí)，特別是多件鍛件同爐熱處理時(shí)，檢查熱電偶的數(shù)量和聯(lián)接情況、熱電偶與熱源是否進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母綦x等是否滿足規(guī)程的要求，以確保測量的溫度能代表部件的實(shí)際溫度，在熱處理過程中，確保儀表的正常運(yùn)行和溫度曲線的正常記錄，測量溫度在工藝文件規(guī)定的范圍之內(nèi)。

3.2.3熱處理變形的控制

在熱處理前，應(yīng)確保有合適的工裝、吊具，檢查預(yù)防熱處理變形的措施是否落實(shí)到位，如是否有專用的支撐工裝，墊鐵放置的位置和水平度等，以確保鍛件在運(yùn)輸和放置時(shí)受力均衡；在熱處理過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照成熟的熱處理工藝進(jìn)行操作，確保鍛件的受熱和冷卻速率緩慢、均勻，用回火工藝消除熱應(yīng)力；在熱處理后，應(yīng)對鍛件的尺寸進(jìn)行測量，評估熱處理的變形量是否能通過調(diào)整機(jī)加工余量來進(jìn)行修正，如變形量較大，需要通過矯形來修正，則需要對鍛件變形量的大小進(jìn)行評估，制定相應(yīng)的矯形方案，必要時(shí)還需對矯形后鍛件進(jìn)行補(bǔ)充沖擊試驗(yàn)。

4　總結(jié)

在實(shí)際鍛件制造過程中，根據(jù)成熟的熱處理工藝，控制好熱處理過程中的核心要素，做好鍛件熱處理變形的預(yù)防措施，可有效的保證鍛件質(zhì)量的穩(wěn)定性，如鍛件在性能熱處理后出現(xiàn)個(gè)別強(qiáng)度或韌性指標(biāo)不合的情況，對鍛件實(shí)際的性能、微觀組織、成分進(jìn)行綜合分析，有針對性的調(diào)整和優(yōu)化重新熱處理的工藝參數(shù)，可以有效的改善鍛件的綜合力學(xué)性能，提高鍛件的合格率。

［1］方才順.淬火冷卻速度和回火參數(shù)對核壓力容器SA508-3鋼強(qiáng)韌性的影響［J］.金屬熱處理，2015，40（12）：117～122.

［2］闞玉琦，梁書華.核電站蒸汽發(fā)生器管板鍛件熱處理質(zhì)量控制研究［J］.材料熱處理技術(shù)，2010，39（04）：159～161.

［3］凌 進(jìn)，韓兆隆.反應(yīng)堆壓力容器模擬鍛件用SA508-3CL鋼性能研究［J］.金屬熱處理，2006，31（09）：14～16.

［4］楊曉請.影響鋼件熱處理變形因素的討論［J］.包鋼科技，2004，30（03）：83～85.

TG156.6

A

2095-2066（2016）26-0271-02

2016-9-2

金 鑫（1983-），男，工程師，本科，主要從事設(shè)備采購管理方面的工作。

馬 蒙（1984-），男，工程師，研究生，主要從事設(shè)備采購管理方面的工作。