摘 要:國內某反應堆壓力容器部件的母材見證件落錘試驗結果出現異常。研究了母材見證件 的化學成分、顯微組織、焊接工藝、硬度、制樣與試驗過程,分析了影響落錘試驗結果的主要原因,可 為相關工作人員提供參考。
關鍵詞:反應堆壓力容器;落錘試驗;無塑性轉變溫度
中圖分類號:TG115.5+6 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)07-0028-04
無塑性轉變溫度(TNDT)是衡量鋼材韌性儲備的 一個重要指標,對于防止鋼材發生脆性斷裂具有重要 意義,其值可通過落錘試驗獲得。反應堆壓力容器 (RPV)是壓水堆核電站反應堆冷卻系統的關鍵設備 之一,是防止冷卻劑和放射性裂變產物逸出的第二道 安全屏障。RPV長期工作在高溫、高壓、高放射性的 環境下,為保證設備受中子輻照后不發生脆性斷裂, 需要在設備制造過程中準確地測定其TNDT。
1 試驗方法
國內某堆型 RPV 某部件處于堆芯區,要求其 參考無塑性轉變溫度不大于-23.3 ℃,在制造過程 中 按 ASTM E208-20Standard Test Methodfor ConductingDrop-WeightTesttoDetermine 進 行 落錘試驗。該鍛件在出廠驗收時,其調質態和模擬 焊后熱處 理 態 的 落 錘 試 驗 結 果 合 格,其 中 調 質 態 TNDT≤-28.3 ℃,模擬態TNDT≤-33.3 ℃。選取4 個產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個試樣進行落錘 試驗,結果出現異常。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=170mm),試樣進行落錘試驗后的宏觀形貌 如圖1所示,落錘試驗結果如表1所示。
鍛件制造廠和產品制造廠的落錘試驗結果存在 較大差異,對 RPV 安全構成嚴重影響,需對其根本 原因進行分析研究,以消除隱患。
2 原因分析
已有很多學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 果的影響[1-3]。筆者基于前人研究的基礎,對該次落 錘試驗結果異常的原因進行分析。
2.1 化學成分分析
在4個試樣上取樣,對其進行化學成分分析,結 果如表2所示,由表2可知:4個試樣的化學成分均滿 足 ASME2007SectionIISA-508/SA-508MQuenched and Tempered Vacuum-Treated Carbonand Alloy SteelForgingsforPressureVessels的要求。
2.2 顯微組織分析
在4 個 試 樣 的 焊 道 處 切 取 試 樣,經 磨 制 后 用 4%(體積分數)硝酸酒精溶液和 FeCl3 溶液腐蝕并 進行觀察,4個試樣的焊縫、母材、熱影響區組織形 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,熱影響區組織均為馬 氏體+貝氏體,部分區域為粗大馬氏體;4個試樣的 焊縫組織均為馬氏體,且部分區域為粗大的馬氏體。
2.3 試樣尺寸測量
試樣采用 ASTM E208-20 中規定的 P-3 型試 樣。ASTME208-20規定了試樣裂紋源缺口底部離 試樣1.8~2.0mm。試樣尺寸測量結果顯示:缺口 底部離試樣高度為1.90mm,符合 ASTM E208-20 的要求。
2.4 焊接工藝分析
焊接過程嚴格按落錘試驗焊接指導規程(PDSP332 焊 接 工 藝 數 據 單 )執 行。 焊 材 牌 號 為 UTP73G4,焊材直徑為5mm,焊材驗收合格。分別 在4個試樣的堆焊預置裂紋焊道處切取試樣,磨制其 焊道橫截面并進行觀察,4個試樣熱影響區尺寸測量 結果如圖5所示。由圖5可知:1A 試樣的熱影響區 深度約為3.39mm,寬度為14.24mm,焊道高度為4. 58mm;1B試樣的熱影響區深度約為5.08mm,寬度 為16.53mm,焊道高度為4.28mm;2A 試樣的熱影 響區深度約為4.70mm,寬度為15.90mm,焊道高度 為5.26mm;2B試樣的熱影響區深度約為3.98mm, 寬度為14.32mm,焊道高度為4.28mm。結果表明: 隨著熱影響區尺寸的增加,TNDT 增加[4]。
2.5 硬度測試
硬度測試位置如圖6所示,對4個試樣進行硬 度測試,測試結果如圖7所示。由圖7可知:1A 試 樣在裂紋焊縫至母材區域的硬度變化相對于其他試 樣要小。結果表明:在相同的熱影響區尺寸下,隨著 熱影響區韌性的降低,TNDT 提高[4]。
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42.5mm,t/2位置距邊緣85mm,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象,其韌性會較t/4 位置差。
2.7 制樣與試驗過程
落錘試驗過程的具體參數為:試樣在冷卻介質 中過冷溫度為1 ℃,試樣保溫時間為45min,試樣 離開冷卻介質至打斷的時間為7s,試驗錘能量為 400J,均滿足 ASTM E208-20標準要求。為研究落 錘試驗制樣與試驗過程對試驗結果的影響,制作了多 組試樣并進行對比,結果如表3所示。由表3可知: 在相同試驗條件下,熱處理時間為2h的試樣斷裂情 況出現波動;熱處理時間為24h的試樣均未斷裂。
3 結論
(1)斷裂試樣堆焊預置裂紋焊道的焊接控制不 穩定導致試樣的熱影響區過熱。
(2)斷裂試樣的取樣位置更靠近中心,導致其 性能變差。
(3)熱處理時間對落錘試驗結果的影響較大。
(4)不同位置的多組試驗結果出現波動,材料 組織的不均勻性對落錘試驗結果影響較大。
參考文獻:
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