李亞菲 連占衛(wèi) 李家駒

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

核電蒸汽發(fā)生器是核電站最為關(guān)鍵的主設(shè)備之一。蒸汽發(fā)生器直接與反應(yīng)堆壓力容器相連，不僅影響核電站的發(fā)電效率，還有防止放射性裂變產(chǎn)物溢出的作用。蒸汽發(fā)生器能否安全、可靠地運(yùn)行，對整個(gè)核動力裝置的經(jīng)濟(jì)性和安全性有重要影響。蒸汽發(fā)生器制造過程中，需要進(jìn)行大量的焊接工作，因此焊縫質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的安全性[1]。由于無法通過破壞性試驗(yàn)來檢驗(yàn)產(chǎn)品焊縫質(zhì)量，目前核電設(shè)備在制造生產(chǎn)過程中，往往根據(jù)實(shí)際焊縫種類，制備相應(yīng)的產(chǎn)品焊接試板，而后對焊接試板進(jìn)行必要的物理、化學(xué)和力學(xué)試驗(yàn)來作為相應(yīng)產(chǎn)品焊縫質(zhì)量的證明。

我公司承制的某核電項(xiàng)目蒸汽發(fā)生器焊接試板，在性能熱處理后進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其室溫抗拉強(qiáng)度不滿足技術(shù)條件要求。文章分析了不合格原因，提出了預(yù)防措施，以期為將來的生產(chǎn)及研究工作提供參考與借鑒。

1 材料與力學(xué)性能要求

核電蒸汽發(fā)生器焊接試板材質(zhì)是18MND5，屬于低碳低合金鋼，主要化學(xué)成分如表1所示。生產(chǎn)流程為：冶煉→鍛造→鍛后熱處理(正火+回火)→粗加工→無損檢測→性能熱處理(調(diào)質(zhì))→取樣檢驗(yàn)→精加工→無損檢測。取樣方式為T×T4(T為鍛件熱處理厚度)。技術(shù)條件中對于該焊接試板力學(xué)性能的要求見表2。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition(mass fraction,%)

表2 力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirements

表3 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of mechanical properties

2 性能熱處理及力學(xué)性能結(jié)果

該焊接試板性能熱處理前的粗加工尺寸約為200 mm×700 mm×1900 mm。調(diào)質(zhì)工藝為：880～900℃保溫7～9 h，冷卻方式為水冷，635～650℃回火保溫7～9 h。性能熱處理之后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯摷氖覝乜估瓘?qiáng)度低于技術(shù)條件要求值。

圖1 拉伸試樣斷口形貌Figure 1 Fracture morphology of tensile specimen

圖2 夾雜物能譜圖Figure 2 Inclusion energy spectrum

3 斷口分析

為了分析該焊接試板室溫抗拉強(qiáng)度不合格的原因，對拉伸試樣的斷口形貌進(jìn)行了掃描分析，斷口形貌如圖1所示。從圖1(a)可以看出，箭頭所指的1處成為了斷裂的裂紋源，斷裂由1處向外輻射。1處尺寸約807.32 μm。從圖1(c)看出，斷口形貌以韌窩為主，為韌性斷裂。韌窩底部有夾雜物存在，夾雜物呈矩形或不規(guī)則的形狀，帶角，單個(gè)夾雜物尺寸在3.2～15.1 μm。對圖1(c)中箭頭所指的2處和3處夾雜物進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，2處夾雜物主要元素為鋁和氧，斷定此處為氧化鋁夾雜物；3處夾雜物主要元素為鋁、氧和鎂，斷定為氧化鋁和氧化鎂的復(fù)合夾雜物。

康大韜等[2]指出，非金屬夾雜物破壞了基體金屬的連續(xù)性，造成鋼的組織不均勻性，在拉伸試驗(yàn)時(shí)，易沿夾雜物產(chǎn)生裂紋，惡化了鍛件的力學(xué)性能；同樣地，張立峰[3]亦在書中指出，氧化鋁等夾雜物屬于脆性夾雜物，不易變形，在拉伸過程中難以隨基體進(jìn)行塑性變形，兩者在變形程度上的差別使得在夾雜物與鋼基體交界處形成裂紋源，危害鋼的力學(xué)性能。由此可以斷定鋼中的氧化物夾雜是導(dǎo)致該焊接試板室溫抗拉強(qiáng)度低于技術(shù)條件要求值的主要原因。

4 改進(jìn)措施

鋼中的氧化鋁夾雜主要來自于以下兩個(gè)方面：精煉過程中，采用鋁脫氧，脫氧產(chǎn)物氧化鋁在鋼水中未及時(shí)上浮而殘留于鋼中；另一方面，出鋼和澆注過程中，鋼中的鋁元素發(fā)生二次氧化，氧化產(chǎn)物隨鋼水注入錠模內(nèi)，存留于鍛件內(nèi)[4]。鋼中的氧化鎂夾雜則是耐火材料被侵蝕而混入鋼液造成的[2]。

為了避免夾雜物引起性能不合格的情況再次出現(xiàn)，建議采取以下改進(jìn)措施：(1)煉鋼時(shí)，加強(qiáng)鋼潔凈度的控制。強(qiáng)化真空處理，減少鋼水氧含量；選擇合適的精煉渣組分，提高渣對夾雜物的吸附能力；保證軟吹時(shí)長和合適強(qiáng)度，保證夾雜物充分上浮和去除[5]；控制出鋼時(shí)間，加強(qiáng)澆注系統(tǒng)保護(hù)，防止鋼水二次氧化；選用穩(wěn)定的耐高溫的耐火材料等。(2)鍛造時(shí)，應(yīng)保證足夠的水冒口切除率，盡可能地去除鋼錠中的夾雜物聚集部位，保證鋼錠質(zhì)量。

5 結(jié)論

(1)蒸汽發(fā)生器焊接試板室溫抗拉強(qiáng)度不合格主要是鋼中存在氧化鋁等夾雜物引起的。

(2)氧化鋁等夾雜物破壞了基體金屬的連續(xù)性，在拉伸過程中夾雜物難以隨基體進(jìn)行塑性變形，使得在夾雜物與鋼基體交界處形成裂紋源，危害鋼的力學(xué)性能。

(3)為了減少鋼中的非金屬夾雜物，應(yīng)加強(qiáng)鋼潔凈度的控制。加強(qiáng)鋼水保護(hù)，強(qiáng)化真空處理，減少鋼水氧含量，選擇合適的精煉渣組分，保證軟吹時(shí)長和合適強(qiáng)度，控制出鋼時(shí)間，加強(qiáng)澆注系統(tǒng)保護(hù)，選用穩(wěn)定的耐高溫的耐火材料等。