敖 影,徐長征,黃海燕

(1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999; 2.寶鋼特鋼有限公司,上海 200940)

世界核電開發(fā)運(yùn)行的實(shí)踐證明,核電是一種清潔、安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)成熟、供應(yīng)能力強(qiáng)、能大規(guī)模應(yīng)用的發(fā)電方式[1]。加快我國核電建設(shè),提高核電在電力供給中的比重,不僅有助于緩解電力增長與交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)的矛盾,同時(shí),對帶動高科技產(chǎn)業(yè)和裝備制造業(yè)的發(fā)展、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略等方面都有重要意義[2]。

核電結(jié)構(gòu)材料是核電關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化的基礎(chǔ),鎳基合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐高溫和耐腐蝕等環(huán)境服役性能,因而其廣泛地被用于核電站核島中的關(guān)鍵構(gòu)件,如壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等核反應(yīng)堆關(guān)鍵設(shè)備。核電蒸汽發(fā)生器是核島內(nèi)的三大設(shè)備之一,主要作用是轉(zhuǎn)移堆芯中產(chǎn)生的熱量。下封頭水室隔板作為其關(guān)鍵部件將蒸汽發(fā)生器下封頭分隔成冷卻進(jìn)口、出口兩個(gè)水室,由于直接與一回路冷卻劑接觸,承受高溫高壓,對其力學(xué)性能、耐腐蝕性、板面尺寸精度等都有很高的要求[3]。目前,三代核電技術(shù)主要采用綜合性能優(yōu)異的ASME SB168 UNS N06690和RCC-M M4107 NC30Fe合金(以下均簡稱690合金)熱軋厚板制造水室隔板[4],由于其大單重、大厚度、寬板幅,制造難度非常大,之前全部依靠進(jìn)口。此外,隨著國內(nèi)核電站裝機(jī)容量的增加,對合金板材的尺寸也提出了更高的要求,例如CAP1400機(jī)組所需鎳基合金厚板的單件最大設(shè)計(jì)厚度為80 mm,最大長度為4 500 mm,最大寬度為2 450 mm。板材規(guī)格增大,組織性能的均勻性控制難度成倍增加。這無疑對大鋼錠冶煉控制、熱加工成形控制、熱處理過程控制及制造加工裝備都提出了很高的要求,制造符合厚板尺寸且綜合性能達(dá)標(biāo)的水室隔板用690合金難度極大。

寶鋼特鋼特種合金板帶產(chǎn)線投產(chǎn)后,為響應(yīng)國家自主建設(shè)第三代核電技術(shù)的號召,聯(lián)合國內(nèi)核電設(shè)備制造、設(shè)計(jì)等單位,承擔(dān)起核電關(guān)鍵鎳基合金材料的國產(chǎn)化制造工作[5]。經(jīng)過摸索和努力,寶鋼特鋼掌握了690鎳基合金熱軋厚板制造的核心技術(shù),自2013年起,陸續(xù)成功研制出了符合設(shè)計(jì)要求的CAP1000、CAP1400、華龍一號核電蒸汽發(fā)生器水室隔板用鎳基合金厚板,并完全替代了進(jìn)口產(chǎn)品。

本文結(jié)合寶鋼特鋼國產(chǎn)化制造實(shí)踐,對研制的鎳基合金熱軋大、寬、厚板產(chǎn)品多維度取樣,驗(yàn)證其組織及性能的均勻性。

1 試驗(yàn)材料及取樣方法

核電蒸發(fā)器水室隔板用690合金的C含量不大于0.03%,主要元素是Cr、Ni、Fe,但對微量元素進(jìn)行了嚴(yán)格的控制,成分須滿足表1要求?？梢?核電對合金板材成分純凈度的設(shè)計(jì)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)產(chǎn)品。

表1 UNS N06690合金化學(xué)成分規(guī)定值

根據(jù)法國核電技術(shù)規(guī)范RCC-M材料篇總則M140的規(guī)定,任選一張寶鋼特鋼生產(chǎn)的時(shí)效熱處理690厚板取樣進(jìn)行組織和力學(xué)性能分析。本試驗(yàn)厚板尺寸如下:厚52 mm,寬1 800 mm,長9 000 mm。取樣位置分別在板材兩端和1/2長度處的角部、1/4寬度和1/2寬度處,共計(jì)15個(gè)位置,如圖1中A～Q所示。試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)材料上各取樣位置對應(yīng)的試樣數(shù)量見表2。

表2 試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)材料上的取樣位置及試樣數(shù)量

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鎳基合金厚板組織均勻性

按照表2對15塊試驗(yàn)材料進(jìn)行了晶粒度的檢驗(yàn),總計(jì)90個(gè)晶粒度檢測結(jié)果見表3(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值:3.0～8.0級)。可以看出,整張厚板的晶粒度等級以7.0～5.0為主,個(gè)別細(xì)晶粒7.5級,極個(gè)別粗晶粒4.5級,完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求,典型的金相照片如圖2所示(A、B、N位置)。碳化物分布如圖3所示,析出碳化物沿晶界連續(xù)分布,晶內(nèi)極少,完全符合核電蒸發(fā)器水室隔板的技術(shù)要求。

表3 UNS N06690厚板不同取樣位置晶粒度

以上晶粒度及碳化物的檢測結(jié)果說明我公司研制的690鎳基合金厚板的組織均勻性很好,充分驗(yàn)證了各關(guān)鍵生產(chǎn)工序的均勻性控制技術(shù)水平很高。

2.2 鎳基合金厚板力學(xué)性能均勻性

2.2.1 整體力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果

力學(xué)性能檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表4。室溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)顯示:抗拉強(qiáng)度為625～662 MPa,屈服強(qiáng)度為274～307 MPa,延伸率為51%～57%,斷面收縮率為60%～66%,沖擊功為251～302 J;350 ℃力學(xué)性能數(shù)據(jù)顯示:抗拉強(qiáng)度為524～556 MPa,屈服強(qiáng)度為211～239 MPa,延伸率為50%～58%,斷面收縮率為63%～67%。與表中的標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能規(guī)定值進(jìn)行對比,不難看出,我公司研制的鎳基合金厚板經(jīng)多維度、大數(shù)量的取樣,力學(xué)性能檢測結(jié)果均滿足690厚板的設(shè)計(jì)要求,且有較大的裕量。此外,將室溫和350 ℃拉伸的力學(xué)性能測量數(shù)據(jù)做成散點(diǎn)圖,如圖4所示,抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及沖擊功的測量數(shù)據(jù)分布集中,體現(xiàn)出厚板整體力學(xué)性能均勻性很好。

表4 UNS N06690厚板力學(xué)性能檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2.2.2 不同維度力學(xué)性能均勻性分析

為了更好地驗(yàn)證厚板力學(xué)性能在不同方向上的均勻性,選取3組對比維度:長度方向、厚度方向、寬度方向。首先分別對比各組內(nèi)不同方向或部位的平均值,以平均值表征其組內(nèi)不同方向或部位之間的性能差異;再分別對比各組內(nèi)不同方向或部位的性能標(biāo)準(zhǔn)差,以標(biāo)準(zhǔn)差表征其組內(nèi)不同方向或部位性能數(shù)據(jù)的離散程度。如性能平均值之間的差別和標(biāo)準(zhǔn)差越小,則表示其性能均勻性越好。具體的對比方法如下。

長度方向:沿長度(L)方向,對比頭、中、尾之間的性能;其中頭部指圖1中位置C、A、E、F、G,中部指圖1中L、M、N、P、Q,尾部指圖1中K、J、H、B、D。

厚度方向:沿板材厚度(T)方向,對比T/4、T/2和3T/4之間的性能。

寬度方向:沿板材寬度(W)方向,對比兩側(cè)邊部、W/4、W/2和3W/4之間的性能,其中側(cè)1指圖1中C、L、K,W/4指圖1中A、M、J,W/2指圖1中E、N、H,3W/4指圖1中F、P、B,側(cè)2指圖1中G、Q、D。

通過對比3個(gè)維度不同部位之間的室溫拉伸、350 ℃拉伸和室溫沖擊性能的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,進(jìn)一步分析板材的性能均勻性。

(1) 長度方向。長度方向力學(xué)性能均勻性對比如圖5所示。各項(xiàng)力學(xué)性能在頭、中、尾3個(gè)部位取樣測試的平均值只有微小差別,強(qiáng)度指標(biāo)尾部的性能略高于頭部和中部(相差8～12 MPa),沖擊性能尾部略低于頭、中部(相差16 J)。由標(biāo)準(zhǔn)差的定義可知,對比數(shù)據(jù)組的平均值接近時(shí),數(shù)據(jù)的離散程度根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值大小來判定。標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值越大,則該組數(shù)據(jù)離散程度越大;標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值越小,該組數(shù)據(jù)離散程度越小;若標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值接近,則表示幾組數(shù)據(jù)離散程度相當(dāng)。長度方向各項(xiàng)性能在頭、中、尾三組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差差值小于3.34,說明3個(gè)部位測量數(shù)據(jù)的離散程度接近。

(2) 厚度方向。厚度方向力學(xué)性能均勻性對比如圖6所示。將T/4、T/2、3T/4等3個(gè)部位的力學(xué)性能數(shù)據(jù)分類列出,各項(xiàng)指標(biāo)在3個(gè)部位測得的平均值基本一致,強(qiáng)度指標(biāo)僅相差3～11 MPa,沖擊性能相差7 J,說明厚度方向的力學(xué)性能均勻性也十分優(yōu)異。標(biāo)準(zhǔn)差對比顯示,除室溫抗拉強(qiáng)度T/2處數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差比T/4、3T/4處對應(yīng)值略微偏大(相差5.16)外,其他各項(xiàng)性能的3組標(biāo)準(zhǔn)差均很接近(相差0.71～3.65),說明厚度方向力學(xué)性能數(shù)據(jù)的離散程度相當(dāng)。

(3) 寬度方向。圖7為寬度方向的力學(xué)性能均勻性對比。寬度方向的力學(xué)性能數(shù)據(jù)根據(jù)取樣位置共分為五組,分別是側(cè)1、W/4、W/2、3W/4、側(cè)2,從各項(xiàng)力學(xué)性能對應(yīng)的5組平均值來看,數(shù)據(jù)基本一致,強(qiáng)度指標(biāo)僅相差3～5 MPa,沖擊性能相差11 J,表明力學(xué)性能在寬度方向的均勻性同樣是優(yōu)異的。標(biāo)準(zhǔn)差的對比結(jié)果顯示,屈服強(qiáng)度和沖擊性能均是在兩側(cè)的數(shù)據(jù)離散程度最小(屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差相差最大不超過5.43,沖擊標(biāo)準(zhǔn)差差值最大不超過11.27),抗拉強(qiáng)度在5個(gè)位置的數(shù)據(jù)離散程度相當(dāng)(標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值相差不超過2.58)。

通過以上對比分析發(fā)現(xiàn),長度方向上強(qiáng)度指標(biāo)尾部的性能略高于頭部和中部,沖擊性能尾部略低于頭、中部,這主要和其電渣重熔的凝固特性有關(guān)。因鋼錠的尾部處于凝固初期,此時(shí)冷卻條件最佳,凝固組織較好,因此板材的拉伸強(qiáng)度稍高,但其差值也僅為8～12 MPa,后續(xù)可通過優(yōu)化電渣重熔初期的供電參數(shù)和冷卻條件進(jìn)一步縮小該差距。厚度方向上,性能差別很小,屈服強(qiáng)度僅相差3～4 MPa,抗拉強(qiáng)度相差11 MPa,沖擊功最大相差7 J。寬度方向,強(qiáng)度指標(biāo)僅相差3～5 MPa,沖擊功相差不超過11J,比長度和厚度方向更均勻。綜上,350 ℃拉伸、室溫拉伸和沖擊性能指標(biāo)在3個(gè)對比維度上的均勻性均很優(yōu)異,充分驗(yàn)證了我公司在690厚板方面的制造技術(shù)能很好地消除軋制板材的各向異性,保證厚板的力學(xué)性能均勻性。

3 結(jié)論

(1) 對核電蒸汽發(fā)生器用690合金厚板不同位置的組織和力學(xué)性能檢測結(jié)果表明,其各項(xiàng)性能均超出標(biāo)準(zhǔn)要求,且有較大的裕量。組織整體均勻性好,晶粒度主要以7.0～5.0級為主,碳化物的分布完全符合核電蒸發(fā)器水室隔板的技術(shù)要求。

(2) 對不同維度力學(xué)性能均勻性的分析結(jié)果顯示,厚板不同部位測量的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)均值、標(biāo)準(zhǔn)差均非常接近,表明其力學(xué)性能在厚板的各個(gè)維度分布非常均勻。

(3) 研究分析結(jié)果說明我公司鎳基合金厚板產(chǎn)品在冶金質(zhì)量、熱加工和熱處理均勻性控制方面達(dá)到很高的水平,并進(jìn)一步證明了我國已成功掌握了核電蒸汽發(fā)生器水室隔板用鎳基合金厚板的核心制造技術(shù),實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化自主制造。