核電設備用碳鋼和低合金鋼的斷裂韌性設計的研究

王誼清+++李輝

摘 要：本文主要是關于核電設備用碳鋼和低合金鋼的斷裂韌性設計的研究。化學成分、熱處理工藝、材料缺陷以及試驗的取樣情況都有可能對斷裂韌性試驗結果造成影響。設計核電設備材料時，可通過夏比沖擊試驗和落錘試驗考核碳鋼和低合金鋼的斷裂韌性，還應充分考慮影響材料韌性的各種因素，制定合適的技術要求。

關鍵詞：韌性；沖擊；落錘

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A

0.引言

核電廠中的核級承壓設備用到了大量碳鋼和低合金鋼材料，其中，良好的斷裂韌性是其重要的要求之一。目前已有很多關于材料斷裂韌性的研究，影響材料韌性的因素有很多，有些是材料本身特征方面的因素，有些是試驗條件影響了試驗結果。在以美標為基礎的核電設備用碳鋼和低合金鋼的設計中，制定怎樣的試驗要求來考核斷裂韌性，又應提出哪些其他要求來確保材料具有良好的韌性，這是本文研究的意義所在。

1.影響材料韌性的相關研究

1.1化學成分的影響

實驗表明，加Nb的碳鋼晶粒較細，使材料具有較好的斷裂韌性，元素Ce也可以起到增強韌性的作用。此外，還有其他元素也可起到細化晶粒，增強材料韌性的作用。化學元素可以增強材料韌性的主要因素是在熱處理時，可增加晶粒形核數量，阻礙晶粒長大，細化了晶粒。

1.2 熱處理工藝的影響

有研究發現，在12Cr2Mo1鍛件法蘭進行力學性能檢測時，-30℃低溫沖擊試驗不合格。通過對試樣進行理化分析，發現工件熱處理條件是造成低溫性能不合格的關鍵因素。此外，還有相關研究，可知材料熱處理工藝是影響韌性的重要因素之一。因此，材料熱處理時，應保證有合適熱處理工藝，以使材料具有較好的微觀組織，進而獲得良好的斷裂韌性。

1.3 材料缺陷的影響

夾雜物、裂紋、孔洞等缺陷，都有可能造成材料性能的下降。例如，有實驗發現非金屬夾雜物硫化錳導致了材料韌性降低。缺陷的存在使晶粒不連續，晶粒間的作用力降低，斷裂更容易發生。在材料制造過程中需要控制材料品質，盡量減少缺陷對材料性能的影響。

1.4 試驗條件的影響

材料發生斷裂時的沖擊功隨著溫度增加而增加。試驗溫度對所進行的試驗的沖擊功有影響。材料的取樣位置和方向也會影響試驗所得的沖擊功值。試驗發現Q390GJD-Z25鋼板縱向缺口的沖擊功高于橫向缺口的沖擊功，1/4厚度處的沖擊功高于厚度中心處的沖擊功。

綜上，既有化學成分、熱處理工藝、材料缺陷等內因會影響材料斷裂韌性，又有試驗溫度、試樣位置和方向等外在因素也可能對沖擊試驗結果造成影響。因此，在核電工程設計中，應充分考慮各種因素，以設計制定合理的核電設備用碳鋼和低合金鋼技術條件。

2.核電設備碳鋼和低合金鋼對斷裂韌性的要求

2.1 夏比沖擊試驗

夏比沖擊試驗是最為常用的斷裂韌性試驗，測量試樣斷裂后所吸收的能量、側向膨脹量或觀測脆斷斷口占斷裂表面的百分數。夏比沖擊試驗需要規定材料的狀態、取樣位置/方向/數量、試驗方法、驗收值、復試要求等。核電設備用碳鋼和低合金鋼的沖擊要求需要參考ASME Boiler &Pressure Vessel Code第II卷A篇中某些標準對沖擊性能的要求，如：SA-350中的LF2 Cl.1鍛件需要在-46℃進行夏比沖擊試驗，一組3個試樣的平均吸收功不能低于20J，最小吸收功不能低于16J；此外，第III卷NX分卷中的2300節中，對材料夏比沖擊試驗也有具體要求，根據材料的規范等級不同，各分卷的要求存在差異，一般材料的核安全等級越高，對夏比沖擊試驗的驗收要求越高，具體舉例如：核3級的LF2 Cl.1鍛件，參考NC-2300，厚度在16mm～25mm，設計給出的最低使用溫度以下進行夏比沖擊試驗，一組3個試樣的平均吸收功不能低于27J，最小吸收功不能低于20J。綜上，SA-350 LF2 Cl.1鍛件的夏比沖擊要求既應該滿足第II卷中的要求，同時也應該滿足第III卷中的要求，其他材料也是通過此種方式制定夏比沖擊試驗驗收要求。

2.2 落錘試驗

落錘試驗同夏比沖擊試驗一樣，可以考核并反映材料的斷裂韌性。落錘試驗用于確定材料的無塑性轉變溫度NDT。在規定的試驗溫度下至少試驗兩個落錘試樣，如果所有試樣均未斷裂，則表明材料的NDT溫度低于該規定的溫度，如果一個或多個試樣均斷裂，則表明材料的NDT溫度不低于該規定的溫度。核電設備用碳鋼和低合金鋼的落錘試驗同夏比沖擊試驗一樣需要規定取樣、驗收和試驗方法等要求。在設計時，同樣需要參考ASME Boiler &Pressure Vessel Code第III卷NX分卷2300節中的相應規定。對于核1級設備用材料需要參考第III卷NB分卷，厚度超過16mm的碳鋼和低合金鋼即要求必須進行落錘試驗，核2級和MC級設備用材料參考NC或NE分卷，厚度不超過64mm可不進行落錘試驗，對于核3級設備和支撐件用材料參考ND或NF分卷，可不進行落錘試驗。在設計落錘試驗中，需要測出材料無塑性轉變溫度，或進行驗證性試驗，如：對于厚度超過64mm的核2級碳鋼和低合金鋼材料，應保證5℃+（A–LST）的溫度以下兩個落錘試樣均不斷裂，其中LST為材料最低使用溫度，A為ASME第III卷附錄R規定的與材料厚度有關的一個參數。

2.3 其他要求

核級材料設計時還需對材料制造、化學成分、金相檢驗、表面質量、內部質量的要求進行規定。制造過程中的冶煉、成形、熱處理等關系到材料性能，與前文提到的影響材料斷裂韌性的各因素密切相關。除了以上提到的夏比沖擊試驗和落錘試驗，設計文件中還需要求進行其他檢測，其中，熔煉分析和成品分析用于控制材料化學成分和偏析；金相檢驗可避免因晶粒過粗或非金屬夾雜物導致的材料性能降低；無損檢測可盡量避免材料內部和表面各種缺陷誘導的材料脆斷。

結語

化學成分、熱處理工藝、材料缺陷等內在因素會影響材料斷裂韌性，試驗溫度、試樣位置和方向等外在因素可能對試驗結果造成影響。在核電設備的碳鋼和低合金鋼材料設計中，可以通過夏比沖擊試驗和落錘試驗考核斷裂韌性，還要充分考慮影響材料韌性的各項因素，從冶煉、成形、熱處理和各種檢測試驗來對材料性能進行控制。

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