(重慶水泵廠有限責任公司，重慶 400033)

法國RCC-M M5110[1]是制作壓水堆型核電站1～3級設(shè)備螺栓與驅(qū)動桿類構(gòu)件用軋制或鍛制棒材采購規(guī)范，規(guī)范中材料除含部分碳鋼與合金鋼，還包括沉淀硬化型不銹鋼等多種高強度不銹鋼。1～3級設(shè)備螺栓涉及承壓件連接，驅(qū)動桿屬運動受力件，這些件用材的重要程度與安全保障十分突出。腐蝕是工業(yè)設(shè)備的天敵，同樣也是核電設(shè)備的天敵。在各種腐蝕形態(tài)中，由于應力與環(huán)境腐蝕介質(zhì)協(xié)同作用引起的應力腐蝕開裂(SCC)具有突發(fā)性和設(shè)備構(gòu)件破裂可能引發(fā)的災難，被認為是各種腐蝕破壞中最危險的腐蝕形態(tài)。H2S涉及金屬構(gòu)件硫化物應力開裂(SSC)，是SCC中最典型特例。SSC具有SCC與氫脆重疊作用，加之H2S本身有劇毒，因此，國內(nèi)外一些標準，對涉及H2S介質(zhì)設(shè)備構(gòu)件選材都非常重視。美國石油學會石化用泵標準API610/ISO13709[2]，對暴露在濕H2S中泵構(gòu)件(包括泵軸與連接螺栓)，要求按美國腐蝕工程師協(xié)會(NACE)MR0103[3]或ISO15156-1(ANSI/NACE MR0175)[4]標準選用規(guī)定的降低硬度的材料；若選擇標準規(guī)定以外的鐵基材料，則所用材料的屈服強度不超過620 N/mm2和硬度不超過HRC22。核電設(shè)備應用，與含H2S液體的環(huán)境條件似乎并無多少聯(lián)系。但應當看到，核電設(shè)備同樣涉及腐蝕更有輻照，且同為高危環(huán)境，SCC也時有發(fā)生。NACE對暴露在濕H2S氣體中金屬構(gòu)件，要求用實驗與現(xiàn)場使用積累的經(jīng)驗提供其最高硬度限值選用降低硬度的材料，以及規(guī)定的選材要求與原則，是解決和預防SCC發(fā)生最有效的方法和手段，對核電設(shè)備特別是核電設(shè)備重要螺栓及驅(qū)動桿件選材，有重要參考價值和一些值得借鑒的地方。RCC-M M5110中部分材質(zhì)硬度，特別是部分螺栓與驅(qū)動桿用高強度鋼的硬度規(guī)定，不僅沒有最高限值，與NACE選材原則與規(guī)定也存在一定差距，值得商榷。對RCC-M M5110有關(guān)材質(zhì)硬度規(guī)定的認識和探討很有必要。

1 為什么對高強度鋼制作的螺栓與驅(qū)動桿構(gòu)件材質(zhì)硬度必須進行限制

1.1 限制硬度是防止高強度鋼制作的螺栓與驅(qū)動桿件免遭SCC破壞最有效的方法和手段

發(fā)生SCC，有三個基本判斷[5]：一是必須有應力(含外加載荷和/或殘留內(nèi)應力)，特別是拉伸應力分量的存在。斷裂所需應力，一般在低于材料的屈服強度就能發(fā)生；二是腐蝕介質(zhì)是特定的，只有某些金屬——介質(zhì)的組合(如高強度鋼與雨水或海水或含H2S的水溶液組合)才會發(fā)生SCC，且發(fā)生腐蝕的速率普遍較微小，腐蝕只是誘因；三是斷口為脆斷型。SCC發(fā)生的重要機理之一是氫脆機理，這種機理承認SCC首先有腐蝕，而氫進入金屬引起氫脆，才是導致SCC發(fā)生的主要原因。不管是基本判斷還是氫脆機理，都表明SCC與金屬材料脆化有關(guān)。脆化降低了金屬的塑性和韌性，而拉應力則增加了裂紋的敏感性。20世紀初世界石油開發(fā)初期，大量油氣田設(shè)備構(gòu)件突然斷裂，以及前幾年我國核電設(shè)備出現(xiàn)的承壓設(shè)備連接螺栓斷裂事故等，都有氫致開裂的前科和劣跡。高強度鋼，如17-4PH沉淀硬化型不銹鋼(對應RCC-M M5110牌號：X6 CrNiCu17-04；美國鋼鐵牌號：630；我國鋼鐵牌號：05Cr17Ni4Cu4Nb)是對氫脆最敏感的材料，表1是它在H2S環(huán)境下的試驗數(shù)據(jù)，試驗施加的686 MPa拉應力，小于試樣的屈服強度。17-4PH沉淀硬化型不銹鋼經(jīng)1040 ℃固溶處理，再經(jīng)482 ℃時效處理后硬度達HRC45，試件發(fā)生破斷；而在593 ℃時效，硬度為HRC35時，則不發(fā)生斷裂。試驗表明，只要沉淀硬化型不銹鋼時效處理恰當，獲得合適硬度，就完全可以避免SSC發(fā)生。構(gòu)件選材在設(shè)計分析應力時，常以材料的屈服強度為標準，而試驗用硬度判斷，是因為硬度與屈服強度有一定關(guān)系，檢測硬度無需截取和專門制作試件，獲取相對容易。NACE據(jù)此對暴露在濕H2S氣體介質(zhì)中各種金屬，通過外加應力經(jīng)多種環(huán)境條件試驗后認定，每種金屬材料都存在著一個不發(fā)生斷裂的硬度臨界值。對材料硬度進行限制，是防止金屬構(gòu)件尤其是高強度鋼制作的承壓件連接螺栓與驅(qū)動桿構(gòu)件免遭SCC破壞最有效的方法和手段。我國石油行業(yè)推薦含H2S的油氣田所用鋼管，要求將硬度值控制在HRC22以下，就取得非常好的效果。

表1 17-4PH沉淀硬化型不銹鋼的氫脆試驗數(shù)據(jù)[5]Table 1 The hydrogen embrittlement test data for the17-4PH precipitation hardened stainless steel

1.2 不限制高強度鋼制作的螺栓與驅(qū)動桿構(gòu)件材值硬度將存在隱患

高強度鋼主要通過合金化、塑性變形和熱處理方式獲得，這些方式會使金屬材料本身的成分、組織結(jié)構(gòu)發(fā)生相應變化，隱含一定副作用。如通過固溶強化獲得的高強度鋼會使金屬晶格高度變形，從而使晶格應變增大，造成金屬材料塑性和韌性降低，產(chǎn)生脆化。國內(nèi)外標準之所以十分重視輸送含H2S介質(zhì)泵構(gòu)件選材，并非硫化物腐蝕有多嚴重，而是腐蝕后氫原子更容易浸入，尤其會促使高強度鋼金屬晶格產(chǎn)生更大變形，不僅降低金屬材料的塑性和韌性，還會加速脆化，進而發(fā)生氫脆。核電設(shè)備一般不輸送含H2S介質(zhì)，但需輸送海水、高溫水以及與三廢相關(guān)的化學水。設(shè)備制造環(huán)節(jié)涉及氫的可能性也比較大，如材料冶煉、焊接以及酸洗等都可能殘留氫。2015年某核電項目用17-4PH沉淀硬化型不銹鋼制作的螺栓發(fā)生斷裂，事后檢測到該螺栓材質(zhì)就含有約1×10-6來自酸洗環(huán)節(jié)的氫。微量氫確有很大破壞，但如深究，該螺栓斷裂與材質(zhì)硬度沒有限制應該也有一定關(guān)系。該螺栓是按RCC-M M5110規(guī)范要求制作，經(jīng)檢測完全符合規(guī)定。按RCC-M M5110規(guī)范，17-4PH沉淀硬化型不銹鋼螺栓硬度要求為≥HRC32。API610/ISO13709要求，哪怕存在微量H2S，都必須選用降低硬度的材料。提供表1試驗數(shù)據(jù)的文獻指出，17-4PH沉淀硬化型不銹鋼抗SSC最高硬度不能超過HRC35，而NACE則規(guī)定承壓件連接螺栓不能超過HRC29，這些要求雖是針對H2S，實則是對氫脆。斷裂螺栓的實測硬度為HRC35，達到試驗臨界值，并已超過NACE規(guī)定的限值。RCC-M M5110規(guī)范還帶來一個問題，由于硬度值沒有上限，經(jīng)對某專業(yè)緊固件廠跟蹤發(fā)現(xiàn)，為滿足硬度要求，加之熱處理時效溫度允許有±10 ℃偏差，該廠不同批次同為17-4PH沉淀硬化型不銹鋼M24左右規(guī)格螺栓，其實測硬度值都在HRC33以上，最高達HRC38。而HRC33試樣實測沖擊吸收能量Akv(0 ℃)為143 J，HRC38的為74 J，吸收能量差近一半，印證了金屬材料隨著硬度的提高，塑性和韌性降低的說法無誤。仔細研究ISO15156-1/ANSI/NACE MR0175與NACEMR 0103標準發(fā)現(xiàn)，應對H2S環(huán)境下抗SSC構(gòu)件選材，并不是不能選用屈服強度超過620 N/mm2和硬度超過HRC22的材料，NACE MR0103里本身就有不少硬度超過HRC22的鐵基材料，其中就包括17-4PH沉淀硬化型不銹鋼。NACE一直努力探尋的，是找到不同環(huán)境下各種金屬材料使用硬度的臨界值，然后將其作為標準中金屬材料使用限值。所謂采用降低硬度的材料，實際就是對所用材料的硬度必須進行限制。金屬材料，特別是高強度鋼，往往涉及重要設(shè)備的緊固件和泵軸等，加之高強度鋼脆化敏感性更高，硬度更需要限制。上述螺栓斷裂案例和緊固件生產(chǎn)廠實情表明，高強度鋼制作的螺栓與驅(qū)動桿構(gòu)件用材不限制硬度存在隱患。

2 對RCC-M M5110部分材質(zhì)硬度限值規(guī)定的認識與探討

2.1 螺栓與驅(qū)動桿用材與一般軋制和鍛制原材料力學性能指標應有所區(qū)別，不能簡單移植和照搬

原材料標準一般有兩類，一類是最終零件用材料標準，如：RCC-M M5110，它非常明確，是1～3級設(shè)備螺栓與驅(qū)動桿類構(gòu)件用軋制或鍛制棒材采購規(guī)范；另一類是初始原材料標準，如：美國機械工程師協(xié)會ASME B&PV-Ⅱ卷[6]中的ASTM/ASME SA-705/SA-705M沉淀硬化型不銹鋼鍛件規(guī)范。螺栓與驅(qū)動桿類零件，其使用目的和所需性能等級已最終確定，這類用材標準需要提供的是它的使用信息。而一般軋制或鍛制型材，它的最終使用目標并未確定，因此它需要提供的是它的選用信息。零部件設(shè)計與選用，需要知道材料的有效應力值，構(gòu)件用材在設(shè)計分析應力時，一般以材料的屈服強度為標準。因此，不管是使用信息還是選用信息，都需要知道所用零件材料和所選材料的最低抗拉強度值與最低屈服強度值，以對構(gòu)件計算與選用作出正確判斷。而對材料硬度要求，一般原材料和最終零部件用材的標準應有所不同。因為對使用目的和性能等級已最終確定的零部件材料，特別是螺栓和驅(qū)動桿類零件，不能只規(guī)定它的最低值。承壓件連接螺栓需要承受拉伸載荷，而驅(qū)動桿類零件需要承受彎扭組合載荷，且都有變工況影響。螺栓與螺母或螺紋孔配合，需要防咬合；驅(qū)動桿類零件如泵軸需要限制撓度變形，這些都要求材質(zhì)有更高硬度。但硬度過高，韌性降低，承受沖擊能力下降，存在脆斷風險，會影響壽命。因此，在規(guī)定最終零部件用材硬度的最低值時，必須規(guī)定它的最高值。一般原材料，它的最終使用有待選擇，其硬度需根據(jù)最終使用零件的要求確定，因此一般原材料標準可以只規(guī)定它的最低硬度值。國內(nèi)外標準，正是遵循這樣的原則，對一般原材料和最終零件的原材料標準給出不同限值。如：ASME/ASTM SA-193/SA-193M[6]高溫、高壓及其他特殊用途用合金和不銹鋼螺栓材料規(guī)范、ASME SA354[6]調(diào)質(zhì)合金鋼螺栓和其他外螺紋緊固件規(guī)范以及我國GB/T 3098.1[7]緊固件機械性能(螺栓、螺釘和螺柱等)標準，涉及材料力學性能指標，都規(guī)定了每一規(guī)格或某一等級螺栓用材硬度的最低值和最高值。而一般原材料標準，有的就只給出硬度的最低值，如：ASME/ASTM SA-705/SA-705M沉淀硬化型不銹鋼鍛件規(guī)范，如表2所示。由于金屬材料硬度與熱處理制度息息相關(guān)，該規(guī)范還推薦了多種熱處理制度，以供最終零件選用。對螺栓和驅(qū)動桿類零件，RCC-M M5110雖對熱處理制度作出了選擇和規(guī)定，但對部分材質(zhì)的最高硬度卻沒有限制。對硬度值，同樣需要根據(jù)零件的性能和使用要求作出選擇和限制，而不是將原材料標準簡單移植和照搬。

表2 630沉淀硬化型不銹鋼的力學性能

2.2 提高強度與硬度不應是改善金屬材料性能的唯一目的和唯一選項

研究確定以氫脆機理發(fā)生SCC/SSC的防護方法，與酸性介質(zhì)對金屬材料表面的腐蝕、海水與氯化物對金屬材料的點蝕包括縫隙腐蝕以及金屬材料的晶間腐蝕等都有所不同，往往會忽略金屬表面的腐蝕裕度、金屬材料的抗點蝕指數(shù)(PRE)和金屬化學成分穩(wěn)定化元素的影響。對SCC而言，材料的脆化尤其是氫脆，是承壓件連接螺栓與泵軸等斷裂敏感性激增的最主要的原因。而防止脆化的方法主要與材料的力學性能有關(guān)。金屬材料強度與硬度的提高，應當給予限制，因為提高強度與硬度并不是改善金屬材料性能的唯一目的和唯一選項。對金屬材料應用而言，除了不斷提高強度與硬度外，還必須注意材料的綜合性能。尤其是必須根據(jù)使用條件，需要足夠的塑性和韌性以及對環(huán)境與介質(zhì)的適應性。隨著強度與硬度的提高，材質(zhì)的塑性和韌性會降低，機械性能與耐蝕性反而變差。實際上，大多數(shù)鐵基合金都能耐輻照，核電設(shè)備大量使用奧氏體不銹鋼，一是它對許多酸性介質(zhì)尤其是硼酸有很強的適應性，二是看重它的低硬度和高的塑性。RCC-M M5110中的材料，并不是對所有材料的硬度值都沒有范圍限制，規(guī)范中的合金鋼、馬氏體不銹鋼、非加工硬化奧氏體不銹鋼以及奧氏體沉淀硬化型不銹鋼等都規(guī)定了硬度的最低值和最高值。而對脆化高度敏感的加工硬化奧氏體不銹鋼以及馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，RCC-M M5110卻只規(guī)定了這些材質(zhì)硬度的最低值，讓人費解。

2.3 NACE MR0103的許多規(guī)定值得RCC-M M5110借鑒

NACE MR0103是專門為石油煉制環(huán)境抗SSC開裂金屬選材而制定的標準，該標準主要根據(jù)實驗室試驗結(jié)果和現(xiàn)場使用積累的經(jīng)驗匯總編制而成。對H2S腐蝕環(huán)境選材，NACE MR0103規(guī)定了嚴格的評定規(guī)則包括試驗方法和選材原則，提供了詳細的選材條件和清單，尤其是給出的符合標準選材條件及制造工藝規(guī)定的“路線圖”，對各種鐵基材料及有色金屬允許的化學成分、熱工條件及熱處理制度，以及這些材料在產(chǎn)品(如：壓縮機和泵)應用中允許的制造工藝條件(含拴接、鍍涂、焊接等)，標準中對應的章節(jié)條款都詳細列出，有很強的針對性和可操作性。仍以17-4PH沉淀硬化型不銹鋼為例，“路線圖”中，該不銹鋼適應條款為13.9。在13.9中，明確規(guī)定用于H2S環(huán)境時，其鍛件最高硬度為HRC33；鑄件最高硬度為HRC30；承壓件連接螺栓最高硬度為HRC29。其中，鍛件熱處理制度必須按13.9.2.3或13.9.2.4執(zhí)行，類似于表2中H1150制度，但規(guī)定得更細。鑄件和承壓件連接螺栓也都規(guī)定了相應的熱處理制度，并規(guī)定承壓件連接螺栓的H1150處理不得超過兩次。像這樣具體詳細的規(guī)定幾乎涵蓋了“路線圖”中羅列的所有材料，這些材料都有具體的相關(guān)熱處理條件和最高硬度限值。標準在防止金屬材料的脆化傾向方面，還有很多獨特的舉措。如，不得以提高機械性能強度為目的對奧氏體不銹鋼進行冷作強化處理(包括某些材料不能用冷軋型材)；不得以提高加工性能在材料中添加硒、鉛及硫等合金元素；雙相不銹鋼的鐵素體含量應控制在35%～65%，且不允許對其進行時效處理；對鐵素體不銹鋼及雙相不銹鋼中的σ相要限制而不是無條件保留等。NACE提倡用實驗與現(xiàn)場使用積累的經(jīng)驗匯總提供最高硬度限值數(shù)據(jù)，以及上述防止金屬材料脆化傾向的各種舉措和對材料評估的各種方法與選材的各項原則，有很強的說服力和實際使用價值。SSC雖是SCC的特例，但作為應對防止SCC的發(fā)生，尤其對核電設(shè)備承壓件連接螺栓和驅(qū)動桿類構(gòu)件金屬構(gòu)件選材都有很好的借鑒作用，很值得利用。核電設(shè)備涉及SSC的可能性雖小，卻回避不了SCC。從“冗余設(shè)計”和“縱深防御”原則來講，都需要對螺栓和驅(qū)動桿類零件包括泵軸進行防范。RCC-M M5110不但沒有NACE MR0103方面的規(guī)定，反而允許螺栓與驅(qū)動桿類構(gòu)件可以使用加工硬化奧氏體不銹鋼，且對其強化后的最高硬度沒有限制，對使用馬氏體沉淀硬化型不銹鋼的硬度也沒有限制，這從另一個側(cè)面反襯出RCC-M M5110的不足和問題所在。

2.4 認識和討論RCC-M M5110有關(guān)高強度鋼材質(zhì)硬度限值規(guī)定是現(xiàn)實需要

由于法國在壓水堆核電建設(shè)方面的成就，以及我國對法國核電技術(shù)的引進，作為壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計建造的RCC-M規(guī)范，不但在核電建設(shè)，而且在其他工程項目中對我國工程界都有很大影響。RCC-M以ASME B&PV-Ⅲ卷[8]為范本，通過多年的核電建設(shè)實踐，RCC-M承襲了ASME精華，廣泛吸取了法國在壓水堆核電機組核島機械設(shè)備設(shè)計、建造、運行等方面的經(jīng)驗與技術(shù)，加之引用了法國、歐洲及ISO等相關(guān)標準，除有其自身特色外，還反映了當代壓水堆核電站核島機械設(shè)備的技術(shù)水平，得到國內(nèi)核電行業(yè)的認可與應用。一段時間以來，國內(nèi)許多企業(yè)都將RCC-M M5110作為編制核電和一些重要項目設(shè)備連接螺栓與軸類用材采購技術(shù)條件的依據(jù)。由于17-4PH沉淀硬化型不銹鋼兼有奧氏體鉻-鎳不銹鋼優(yōu)良的耐蝕性和馬氏體鉻鋼的高強度，泵行業(yè)不僅將其用作核電設(shè)備承壓件連接螺栓用材，還將其用于核電、冶金、石化以及煤化工等重要項目的泵軸制作。但用17-4PH沉淀硬化型不銹鋼制作的螺栓與泵軸斷裂卻時有發(fā)生[9]，這些斷裂，大都屬于脆斷。國內(nèi)在分析應用RCC-M M5110方面，對英文版中其化學成分存在的問題已有更正。而在應對螺栓斷裂整治方面，還僅停留在對氫的限制和規(guī)范執(zhí)行。至于硬度限制，并未提上日程。涉及17-4PH沉淀硬化型不銹鋼螺栓與泵軸材料采購技術(shù)條件，還保留了RCC-M M5110有關(guān)硬度規(guī)定[9]，對硬度限制缺乏相應認識和討論，需要引起業(yè)界的重視。根據(jù)我公司對17-4PH沉淀硬化型不銹鋼的使用，該材質(zhì)在硬度超過HRC40后，棒料存在跌斷風險。對于轉(zhuǎn)軸和承壓件螺栓，該材質(zhì)硬度使用范圍宜控制在HRC28 ～HRC32之間，其最高硬度應限制在HRC33以內(nèi)。

3 小 結(jié)

核電機械設(shè)備主要構(gòu)件選材必須保證滿足承載和安全運轉(zhuǎn)要求，確保有足夠的強度和硬度，這對核電設(shè)備連接螺栓及驅(qū)動桿件選材尤其重要。確保材質(zhì)的強度與硬度，不能不考慮材料耐腐蝕包括抗SCC。核電設(shè)備用材需要的是綜合力學性能，提高強度與硬度不應是改善金屬材料性能的唯一目的和唯一選項。對高強度鋼構(gòu)件材質(zhì)硬度進行限制，是“冗余設(shè)計”和“縱深防御”的需要，理應成為高危行業(yè)設(shè)備用材原則。文中提供的案例和專業(yè)緊固件生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)實情及分析表明，對RCC-M M5110有關(guān)高強度鋼材質(zhì)硬度限制的認識和討論是現(xiàn)實需要，很有必要。