劉 強(qiáng), 涂盛輝, 丁祥彬, 彭祥陽, 路廣遙, 翟立宏, 劉青松

(中廣核研究院有限公司, 深圳 518000)

無塑性轉(zhuǎn)變溫度(TNDT)是衡量鋼材韌性儲備的一個重要指標(biāo)，對于防止鋼材發(fā)生脆性斷裂具有重要意義，其值可通過落錘試驗獲得。反應(yīng)堆壓力容器(RPV)是壓水堆核電站反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，是防止冷卻劑和放射性裂變產(chǎn)物逸出的第二道安全屏障。RPV長期工作在高溫、高壓、高放射性的環(huán)境下，為保證設(shè)備受中子輻照后不發(fā)生脆性斷裂，需要在設(shè)備制造過程中準(zhǔn)確地測定其TNDT。

1 試驗方法

國內(nèi)某堆型RPV某部件處于堆芯區(qū)，要求其參考無塑性轉(zhuǎn)變溫度不大于-23.3 ℃，在制造過程中按ASTM E208-20StandardTestMethodforConductingDrop-WeightTesttoDetermine進(jìn)行落錘試驗。該鍛件在出廠驗收時,其調(diào)質(zhì)態(tài)和模擬焊后熱處理態(tài)的落錘試驗結(jié)果合格，其中調(diào)質(zhì)態(tài)TNDT≤-28.3 ℃，模擬態(tài)TNDT≤-33.3 ℃。選取4個產(chǎn)品的母材見證件試樣,分別編號為1A，1B，2A，2B，其中1A，2A為在0°方向上截取的試樣，1B，2B為在180°方向上截取的試樣，對4個試樣進(jìn)行落錘試驗，結(jié)果出現(xiàn)異常。試樣類型均為P-3型，試驗溫度為-18.3 ℃，取樣位置為t/4～t/2(t為試樣的壁厚，t=170 mm)，試樣進(jìn)行落錘試驗后的宏觀形貌如圖1所示，落錘試驗結(jié)果如表1所示。

表1 4個試樣落錘試驗結(jié)果

圖1 4個試樣落錘試驗后的宏觀形貌

鍛件制造廠和產(chǎn)品制造廠的落錘試驗結(jié)果存在較大差異，對RPV安全構(gòu)成嚴(yán)重影響，需對其根本原因進(jìn)行分析研究，以消除隱患。

2 原因分析

已有很多學(xué)者研究了堆焊電流大小、焊道長短、焊道缺口、取樣位置、試樣尺寸等因素對落錘試驗結(jié)果的影響[1-3]。筆者基于前人研究的基礎(chǔ)，對該次落錘試驗結(jié)果異常的原因進(jìn)行分析。

2.1 化學(xué)成分分析

在4個試樣上取樣，對其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示，由表2可知：4個試樣的化學(xué)成分均滿足ASME 2007 Section II SA-508/SA-508MQuenchedandTemperedVacuum-TreatedCarbonandAlloySteelForgingsforPressureVessels的要求。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.2 顯微組織分析

在4個試樣的焊道處切取試樣，經(jīng)磨制后用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液和FeCl3溶液腐蝕并進(jìn)行觀察，4個試樣的焊縫、母材、熱影響區(qū)組織形貌分別如圖2～4所示。由圖2～4可知：4個試樣的母材組織均為回火貝氏體，熱影響區(qū)組織均為馬氏體+貝氏體，部分區(qū)域為粗大馬氏體；4個試樣的焊縫組織均為馬氏體，且部分區(qū)域為粗大的馬氏體。

圖2 4個試樣的焊縫顯微組織形貌

2.3 試樣尺寸測量

試樣采用ASTM E208-20中規(guī)定的P-3型試樣。ASTM E208-20規(guī)定了試樣裂紋源缺口底部離試樣1.8～2.0 mm。試樣尺寸測量結(jié)果顯示：缺口底部離試樣高度為1.90 mm，符合ASTM E208-20的要求。

2.4 焊接工藝分析

焊接過程嚴(yán)格按落錘試驗焊接指導(dǎo)規(guī)程(PD-SP332焊接工藝數(shù)據(jù)單)執(zhí)行。焊材牌號為UTP73G4，焊材直徑為5 mm，焊材驗收合格。分別在4個試樣的堆焊預(yù)置裂紋焊道處切取試樣，磨制其焊道橫截面并進(jìn)行觀察，4個試樣熱影響區(qū)尺寸測量結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：1A試樣的熱影響區(qū)深度約為3.39 mm，寬度為14.24 mm，焊道高度為4.58 mm；1B試樣的熱影響區(qū)深度約為5.08 mm，寬度為16.53 mm，焊道高度為4.28 mm；2A試樣的熱影響區(qū)深度約為4.70 mm，寬度為15.90 mm，焊道高度為5.26 mm；2B試樣的熱影響區(qū)深度約為3.98 mm，寬度為14.32 mm，焊道高度為4.28 mm。結(jié)果表明：隨著熱影響區(qū)尺寸的增加，TNDT增加[4]。

圖3 4個試樣的母材顯微組織形貌

圖4 4個試樣的熱影響區(qū)顯微組織形貌

圖5 4個試樣熱影響區(qū)尺寸測量結(jié)果

2.5 硬度測試

硬度測試位置如圖6所示，對4個試樣進(jìn)行硬度測試，測試結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：1A試樣在裂紋焊縫至母材區(qū)域的硬度變化相對于其他試樣要小。結(jié)果表明：在相同的熱影響區(qū)尺寸下，隨著熱影響區(qū)韌性的降低，TNDT提高[4]。

圖6 硬度測試位置示意

圖7 4個試樣硬度測試結(jié)果

2.6 取樣位置

落錘試樣軸線位于t/4與t/2之間，取樣位置如圖8所示。t/4位置距邊緣42.5 mm，t/2位置距邊緣85 mm，若落錘試驗試樣取樣位置更接近t/2，因鍛件存在淬透性不均勻等現(xiàn)象，其韌性會較t/4位置差。

圖8 落錘試驗取樣位置示意

2.7 制樣與試驗過程

落錘試驗過程的具體參數(shù)為：試樣在冷卻介質(zhì)中過冷溫度為1 ℃，試樣保溫時間為45 min，試樣離開冷卻介質(zhì)至打斷的時間為7 s，試驗錘能量為400 J，均滿足ASTM E208-20標(biāo)準(zhǔn)要求。為研究落錘試驗制樣與試驗過程對試驗結(jié)果的影響，制作了多組試樣并進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。由表3可知：在相同試驗條件下，熱處理時間為2 h的試樣斷裂情況出現(xiàn)波動；熱處理時間為24 h的試樣均未斷裂。

表3 多組試樣落錘試驗對比結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 斷裂試樣堆焊預(yù)置裂紋焊道的焊接控制不穩(wěn)定導(dǎo)致試樣的熱影響區(qū)過熱。

(2) 斷裂試樣的取樣位置更靠近中心,導(dǎo)致其性能變差。

(3) 熱處理時間對落錘試驗結(jié)果的影響較大。

(4) 不同位置的多組試驗結(jié)果出現(xiàn)波動，材料組織的不均勻性對落錘試驗結(jié)果影響較大。