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        三代核電鍛件材料落錘試驗(yàn)無效的工藝試驗(yàn)研究

        2020-01-20 00:43:35楊在青王振星李冠軍聶玉清
        中國設(shè)備工程 2020年19期
        關(guān)鍵詞:試料制造廠焊材

        楊在青,王振星,李冠軍,聶玉清

        (上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200233)

        三代核電建造過程中,國內(nèi)很多的制造廠參與設(shè)備制造活動,在制造過程中有時(shí)會存在一些問題,長時(shí)間難以得到解決,對設(shè)備的交付進(jìn)度造成了很大的影響。為了保障設(shè)備交付的質(zhì)量,以及滿足核電建造的需要,設(shè)備采購方針對此類情況會積極協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)院、制造廠進(jìn)行溝通交流,適時(shí)進(jìn)行幫扶指導(dǎo),推動質(zhì)量問題的順利解決。

        1 概述

        國內(nèi)某制造廠在承制三代核電某型貫穿件鍛件的過程中,落錘試驗(yàn)出現(xiàn)較多無效的情況,需重新取樣進(jìn)行再次試驗(yàn)。貫穿件鍛件設(shè)備材料牌號為SA-336 F22 CL.3。

        2 試驗(yàn)執(zhí)行情況核查及無效原因分析

        在質(zhì)量問題發(fā)生后,對該制造廠所承制的三代核電某型鍛件落錘試驗(yàn)的情況進(jìn)行了梳理,發(fā)現(xiàn)SA-336 F22 CL.3材料的鍛件基本都存在無效的情況。設(shè)計(jì)院批準(zhǔn)的此類貫穿件鍛件試驗(yàn)方案為進(jìn)行通過性試驗(yàn),即在確定的溫度對每個(gè)位置2個(gè)落錘試樣進(jìn)行落錘試驗(yàn),2個(gè)均未斷裂視為合格。

        2.1 試驗(yàn)執(zhí)行情況核查

        對制造廠落錘試樣制備到試驗(yàn)執(zhí)行過程進(jìn)行了核查,未發(fā)現(xiàn)明顯不符合規(guī)范的情況:落錘試驗(yàn)按照ASTM E208-1991,選擇P3試樣,落錘沖擊能量按照產(chǎn)品實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值對應(yīng)ASTM E208-1991表來選擇。裂紋源焊材選用D127(EDPMn4-15)為低合金鋼堆焊焊條(GB/T984-2001),為制造廠多年來一直使用的焊材。

        2.2 無效原因分析

        初步分析試驗(yàn)無效可能是因?yàn)槁溴N試驗(yàn)按照ASTM E208-1991表1確定的標(biāo)準(zhǔn)沖擊能量不夠。檢查了無效試樣與試驗(yàn)機(jī)底座的接觸情況,發(fā)現(xiàn)存在接觸痕跡,說明不能滿足標(biāo)準(zhǔn)中增加沖擊能量的條件。

        3 工藝試驗(yàn)的開展

        3.1 焊材工藝試驗(yàn)(采用45Mn材料)

        制造廠采用45Mn材料執(zhí)行了對所用裂紋源焊材D127(EDPMn4-15, Φ4.0,批號:17721301)的工藝試驗(yàn),試驗(yàn)情況如下:

        3.1.1 試樣的制備情況

        共準(zhǔn)備10件P2試樣,焊接6件,其他4件備用。本次焊材焊接前未進(jìn)行烘干處理(采用其他廠家的常規(guī)做法),試樣1、2、3采用電流180A, 試樣4、5、6采用電流190A。采用銅模板,試樣在水箱中進(jìn)行焊接。

        3.1.2 試驗(yàn)過程

        試驗(yàn)依據(jù)ASTM E208-1991,試驗(yàn)溫度為室溫25℃(注明:各方認(rèn)可按照SA-336 F22 CL.3材料來選定工藝試驗(yàn)溫度,根據(jù)之前對標(biāo)準(zhǔn)的理解,焊材工藝試驗(yàn)溫度應(yīng)為TNDT溫度以上55℃,按照已經(jīng)設(shè)計(jì)院批準(zhǔn)的試驗(yàn)方案,SA-336 F22 CL.3材料最低的TNDT溫度為-33℃,故試驗(yàn)溫度需高于22℃),沖擊能量根據(jù)實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值選擇350J(之前已通過拉伸試驗(yàn)得出這批45Mn試料的屈服強(qiáng)度為329MPa)。

        試驗(yàn)結(jié)果:試樣2、6開裂,其他試樣斷裂,未出現(xiàn)無效試樣。

        3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析及后續(xù)計(jì)劃

        本次落錘試樣的制作工藝及試驗(yàn)過程與之前產(chǎn)品試驗(yàn)所用工藝基本相同,除了試料材質(zhì)差異(材料采用45Mn,未進(jìn)行模擬焊后熱處理)、試樣形式差異(工藝試驗(yàn)P2試樣,試樣產(chǎn)品P3試樣)、焊材未進(jìn)行烘干處理以及增加了采用190A電流的3個(gè)試樣,未出現(xiàn)無效試樣,基本可以排除焊接電流等因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

        其后用備用試料又補(bǔ)充制作了2件試件(采用焊條350℃烘干1h,分別為7#、8#試樣),試驗(yàn)結(jié)果為7#試樣開裂,8#試樣斷裂,基本可以排除焊材烘干對試驗(yàn)結(jié)果的影響。各方據(jù)此初步認(rèn)可了制造廠所用庫存焊材的選擇及焊接工藝的可行性,同意制造廠可按降溫方案進(jìn)行產(chǎn)品工藝試驗(yàn)。

        3.2 產(chǎn)品工藝試驗(yàn)(降溫方案)

        3.2.1 試樣的制備情況檢查

        制造廠選取試料充足的1件SA-336 F22 CL.3材料鍛件兩端頭取樣進(jìn)行了試驗(yàn),每個(gè)位置準(zhǔn)備8件P3試樣,焊材為所用庫存D127焊材(EDPMn4-15,Φ4.0,批號:17721301)。試料模擬焊后熱處理參數(shù)與正式試驗(yàn)時(shí)相同,焊前焊材350℃烘干1h,電流180A。采用銅模板,試樣在水箱中進(jìn)行焊接。

        3.2.2 試驗(yàn)過程

        試驗(yàn)依據(jù)ASTM E208-1991,沖擊能量根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值選擇400J,溫度保溫45min。

        (1)原溫度試驗(yàn)。2個(gè)位置各取1件按經(jīng)設(shè)計(jì)院批準(zhǔn)的試驗(yàn)方案規(guī)定的溫度-10℃進(jìn)行試驗(yàn);結(jié)果:2件均無效。

        (2)降低20℃試驗(yàn)。2個(gè)位置各取1件在-30℃進(jìn)行試驗(yàn);結(jié)果:2件均無效。

        (3)再降低15℃試驗(yàn)。2個(gè)位置各取2件在-45℃進(jìn)行試驗(yàn);結(jié)果:T端1件開裂,1件斷裂;B端2件均開裂(合格)。

        (4)T端升高5℃試驗(yàn)。T端在-40℃進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果:一共打了4件,第1件無效,第2件開裂,第3件無效,第4件開裂(T端有2件開裂,合格)。

        3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析及后續(xù)計(jì)劃

        本次工藝試驗(yàn)在原規(guī)定溫度進(jìn)行落錘試驗(yàn)仍然無效,通過降低溫度進(jìn)行試驗(yàn)最終取得了有效結(jié)果,但是試驗(yàn)過程中還是出現(xiàn)了2件無效。

        3.3 對工藝試驗(yàn)試樣進(jìn)行金相分析

        制造廠隨機(jī)抽取了已完成試驗(yàn)的SA-336 F22 CL.3(不合格、無效、合格)和45Mn(合格、不合格)材料落錘工藝試驗(yàn)試樣各一件進(jìn)行了金相分析(宏觀金相、微觀金相),得出的結(jié)論是:同種材料不同試驗(yàn)結(jié)果的落錘試樣金相組織沒有明顯差別,焊縫組織較細(xì),無明顯脆性組織;其后,制造廠又補(bǔ)充對之前SA-350 LF2 CL.1材料落錘試驗(yàn)合格的一件試樣進(jìn)行了金相分析,也未發(fā)現(xiàn)明顯脆性組織。

        3.4 焊材工藝試驗(yàn)(使用SA-336 F22 CL.3材料做為試料)的執(zhí)行

        3.4.1 試樣的制備情況檢查

        選取試料充足的1件SA-336 F22 CL.3材料鍛件取樣進(jìn)行了試驗(yàn),準(zhǔn)備8件試樣,其中4件P2試樣(制造廠焊接、試驗(yàn)),焊材為庫存D127焊材(EDPMn4-15),Φ4.0,批號:17721301;4件P3試樣(試料模擬焊后熱處理后提供給第三方制造廠用自用焊材焊接、試驗(yàn))。8件試料同爐進(jìn)行模擬焊后熱處理,參數(shù)與正式試驗(yàn)時(shí)相同。

        3.4.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

        試驗(yàn)溫度為10℃(根據(jù)前期工藝試驗(yàn)的結(jié)果,各方一致認(rèn)為SA-336 F22 CL.3材料的TNDT溫度應(yīng)該在-45℃,焊材工藝試驗(yàn)溫度應(yīng)為TNDT溫度以上55℃,所以試驗(yàn)溫度確定為10℃),沖擊能量根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值選擇400J。試驗(yàn)結(jié)果:4件P2試樣均無效。

        對已完成試驗(yàn)的4件P2試樣進(jìn)行了觀察,確認(rèn)無明顯與底座接觸的痕跡;對試驗(yàn)機(jī)底座尺寸進(jìn)行了復(fù)測,未發(fā)現(xiàn)問題;在這4件P2試樣中隨機(jī)選取2件再次進(jìn)行落錘沖擊,試驗(yàn)溫度為常溫(32℃左右),其中1件沖擊能量增加68J,另一件增加136J,結(jié)果為:試樣表面有明顯與底座接觸痕跡,但是,試驗(yàn)結(jié)果仍舊無效。

        3.5 工藝試驗(yàn)(制造廠提供試料,第三方制造廠用自用焊材焊接、試驗(yàn))執(zhí)行

        3.5.1 試樣的制備情況檢查

        4件P3試樣由制造廠提供,試件情況見3.4.1章節(jié);裂紋源焊材為第三方制造廠自用CHR127焊材(EDPMn4-15,φ5.0),批號:158054;本次焊接由第三方制造廠經(jīng)驗(yàn)相對豐富的焊工施焊,焊接參數(shù)滿足制造廠落錘試樣焊接工藝規(guī)程的要求,焊前焊材350℃烘干1h,電流190~195A。采取逐件制作試樣,共制作2件試樣,剩余2件備用。

        3.5.2 試驗(yàn)過程

        試驗(yàn)依據(jù)ASTM E208-1991,按照設(shè)計(jì)院批準(zhǔn)的產(chǎn)品試驗(yàn)方案,試驗(yàn)溫度為-10℃,保溫45min,沖擊能量根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值選擇400J。試驗(yàn)結(jié)果:2件試樣焊縫均開裂,試驗(yàn)有效。

        3.5.3 試驗(yàn)結(jié)果分析及后續(xù)計(jì)劃

        各方據(jù)此認(rèn)為,制造廠所用庫存焊材存在問題的可能性較大,建議進(jìn)行雙向?qū)Ρ仍囼?yàn),即由第三方制造廠提供自用焊材給制造廠進(jìn)行試驗(yàn),同時(shí),由制造廠提供所用庫存焊材給第三方制造廠(使用制造廠提供的剩余2件P3試樣)進(jìn)行試驗(yàn)。

        3.6 工藝試驗(yàn)(制造廠提供試料及庫存焊材,第三方制造廠焊接、試驗(yàn))執(zhí)行

        3.6.1 試樣的制備情況檢查

        試樣為章節(jié)3.5.1備用的2件P3試樣;焊材為制造廠提供的庫存D127焊材D127(EDPMn4-15,Φ4.0,批號:17721301);由第三方制造廠經(jīng)驗(yàn)相對豐富的焊工施焊,焊接參數(shù)滿足制造廠落錘試樣焊接工藝規(guī)程的要求,焊前焊材350℃烘干1h,電流180~185A。

        3.6.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

        試驗(yàn)依據(jù)ASTM E208-1991,按照設(shè)計(jì)院批復(fù)的產(chǎn)品試驗(yàn)方案,試驗(yàn)溫度為-10℃,保溫45min,沖擊能量根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值選擇400J。僅對1件試樣進(jìn)行了試驗(yàn),另一件備用。同時(shí),對制造廠提供的一件已制備好的SA-336 F22 CL.3材料落錘試樣進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果:2件均無效。

        3.7 工藝試驗(yàn)(由制造廠用第三方制造廠焊材焊接、試驗(yàn))的執(zhí)行。

        3.7.1 試樣制備情況檢查

        焊材由第三方制造廠提供,CHR127焊材(EDPMn4-15),φ5.0,批號:158054。

        制作2件試件,試料取自1件試料充足SA-336 F22 CL.3材料鍛件,模擬焊后熱處理參數(shù)與正式試驗(yàn)時(shí)相同。試樣水箱中焊接,焊前焊材350℃烘干1h,電流190A。

        3.7.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

        試驗(yàn)依據(jù)ASTM E208-1991,按照設(shè)計(jì)院批準(zhǔn)的產(chǎn)品試驗(yàn)方案,試驗(yàn)溫度為-10℃,保溫45min,沖擊能量根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值選擇400J。結(jié)果:2件試樣試驗(yàn)結(jié)果均有效。

        3.7.3 試驗(yàn)結(jié)果分析及后續(xù)計(jì)劃

        根據(jù)以上已完成的工藝試驗(yàn)結(jié)果,各方一致認(rèn)為:落錘試驗(yàn)無效的原因?yàn)橹圃鞆S之前所使用的庫存焊材與SA-336 F22 CL.3材料不匹配,建議制造廠立即重新采購焊材并在使用前進(jìn)行焊材工藝試驗(yàn)。

        4 新購焊材的工藝試驗(yàn)

        4.1 試樣的制備情況檢查

        準(zhǔn)備3件P2試樣,裂紋源焊材為新購的CHR127焊材(EDPMn4-15),φ4.0, 批 號:178018; 試 料 取 自 1件試料充足的SA-336 F22 CL.3材料鍛件,制作工藝同章節(jié)3.2.1,試樣加工后尺寸滿足ASTM E208-1991中P2試樣的要求。

        4.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

        試驗(yàn)依據(jù)ASTM E208-1991,沖擊能量根據(jù)實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值選擇400J,焊材工藝試驗(yàn)溫度為10℃,保溫45min。結(jié)果:3件均開裂,有效。

        4.3 試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)及后續(xù)措施

        針對新購焊材的焊材工藝試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果為3件試樣均開裂,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過所完成的一系列工藝試驗(yàn),各方認(rèn)為已確定了之前落錘試驗(yàn)無效的原因?yàn)橹圃鞆S所用庫存焊材與SA-336 F22 CL.3材料不匹配,新購焊材工藝試驗(yàn)?zāi)軌驖M足標(biāo)準(zhǔn)要求,可用于產(chǎn)品落錘試驗(yàn)。

        5 結(jié)語

        經(jīng)過大量的工藝試驗(yàn),最后證明是制造廠所用裂紋源焊材與產(chǎn)品材料不匹配,雖然所用焊材牌號為國內(nèi)制造廠普遍采用,原材料質(zhì)量證明文件、入廠驗(yàn)收也符合要求,但是,因?yàn)楹覆纳a(chǎn)廠家不同,焊材性能可能會存在一定差異。

        對新材料產(chǎn)品或者采用新廠商生產(chǎn)的焊材,建議制造廠在開始使用時(shí)或者出現(xiàn)無效的情況后,按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊材工藝試驗(yàn),以驗(yàn)證裂紋源焊材與產(chǎn)品材料的匹配性。

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