核電工程用沖擊試驗標準對比分析

張宏偉,張華鋒,吳飛飛,梁雪元

(核工業標準化研究所,北京100091)

目前我國核電設備機型眾多,技術路線多樣化,但由于核電工程標準不統一,造成核電廠核島機械設備設計和制造存在不必要的重復和消耗等情況,我國核電安全和自主化發展對統一核電相關標準也提出了迫切需求[1]。在我國核電工程中,沖擊試驗常用標準有兩種,分別是GB/T 229－2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》和ASTM E23－2007aStandard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials,該兩種標準的不一致成為困擾核電技術路線統一的主要難點之一。具體的不一致主要體現在擺錘刀刃半徑不同(分別為2 mm 和8 mm),而擺錘刀刃半徑是對試驗結果影響較大的因素之一[2]。目前核電行業對該兩種標準的選用,特別是擺錘刀刃半徑的選取存在較大分歧。為此,筆者以核電工程中最具代表性的核安全一級設備用材SA-508Gr.3Cl.1鋼 和SA-182F316LN 鋼為研究對象,對比分析了GB/T 229－2007 和ASTM E23－2007a兩種標準試驗方法的差異,以供相關人員在進行沖擊試驗時參考。

1 試樣制備和試驗方法

1.1 試樣制備

選用SA-508Gr.3Cl.1鋼 和SA-182F316LN 鋼的鍛件分別作為壓力容器和主管道用材。此兩種材料的沖擊性能也是我國核電工程中的考核項目[3]。在上述材料的1/2厚度處分別截取沖擊試樣,取樣位置和尺寸如圖1所示。

圖1 取樣位置和尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling positions and size

為了排除試樣尺寸效應的影響,均按照統一尺寸加工上述沖擊試樣,且盡量兼顧ASTM E23－2007a和GB/T 229－2007的要求。沖擊試樣的加工尺寸如 圖2 所 示。將SA-508Gr.3Cl.1 鋼 和SA-182F316LN 鋼的沖擊試樣分別記為1 號試樣和2號試樣。采用投影曲線磨方法加工試樣缺口,該方法的加工精度高并能最大限度地降低對試驗結果的影響。加工完成后,對沖擊試樣的尺寸按照表1的要求(根據GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a制定,取兩個標準要求的重合范圍)進行初檢。抽檢試樣尺寸均滿足表1要求,再從兩種試驗鋼中隨機抽取2個試樣進行復檢,復檢結果如表1所示。

圖2 沖擊試樣的加工尺寸Fig.2 Machining dimensions of impact specimens

表1 沖擊試樣的尺寸要求和復檢結果Tab.1 Dimensional requirements and re-inspection results of impact specimens

1.2 試驗方法

按照表2中沖擊試驗條件要求,采用國際和美標的NI750C 型沖擊試驗機分別按照GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a對1號試樣和2號試樣進行試驗。在試驗前,分別按照上述標準規定的間接檢定方法對NI750C型沖擊試驗機進行檢定。在沖擊試驗中,GB/T 229－2007 考慮到取樣過程中會有溫度損失,規定了過冷補償,液氮溫度定為－192 ℃(液氮實際溫度為－196 ℃),而ASTM E23－2007a并沒有規定過冷補償,規定液氮溫度仍為－196 ℃。在每個溫度下試驗3次,取平均值作為試驗最終結果。

表2 沖擊試驗條件Tab.2 Impact test conditions

2 試驗結果與討論

2.1 沖擊吸收能量

1號試樣和2號試樣在不同試驗條件下的沖擊吸收能量隨試驗溫度的變化如圖3所示。由圖3a)可見,當溫度在－40 ℃以上時,1號試樣按照GB/T 229－2007測得的沖擊吸收能量比按照ASTM E23－2007a測得的要低,且隨著溫度的升高,兩者的沖擊吸收能量的差值越來越大;當溫度上升到40 ℃時,兩者的沖擊吸收能量趨于恒定;當溫度在－40 ℃以下時,按照這兩種標準測得的沖擊吸收能量較接近[4],且隨著溫度的降低,沖擊吸收能量均趨于平穩,變化較小。ASTM E23－2007a中要求試驗溫度為－15 ℃時試樣的沖擊吸收能量不小于41 J,按照GB/T 229－2007得到的試驗結果更嚴格,但在－15 ℃時仍遠高于考核值(41 J)。

由圖3b)可見,2號試樣沒有呈現出1號試樣的S形曲線,但在試驗溫度范圍內,按照GB/T 229－2007測得的沖擊吸收能量均比按照ASTM E23－2007a測得的要低,且當溫度為－80 ℃時,兩者的沖擊吸收能量的差值最大;在液氮溫度下,按照GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a得到的沖擊吸收能量分別為296 J 和315 J,相差19 J;由于SA-182F316LN鋼具有較好的韌性,因此在測試溫度范圍內,2號試樣在兩種標準下測得的沖擊吸收能量遠高于GB/T 229－2007對此類材料的考核值(當溫度為0℃時沖擊吸收能量大于100 J),因此在核電工程中可統一按照GB/T 229－2007進行沖擊試驗。

圖3 兩種標準下不同試樣測得沖擊吸收能量隨溫度的變化曲線Fig.3 Impact absorption energy vs temperature curves measured by different specimens under two different standards；a）specimen 1；b）specimen 2

2.2 韌脆轉變溫度

在工程應用領域,金屬材料的韌脆轉變溫度(即脆性斷面率達到50%時的溫度,記為FATT50)是評價金屬材料韌性的主要性能參數之一[5],也是沖擊標準存在差異的重要方面。采用雙曲正切函數分別對1號試樣的沖擊功和脆性斷面率進行擬合,得到沖擊韌脆轉變曲線,如圖4所示。可見1號試樣按照GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a得到的韌脆轉變溫度較接近,分別為－12 ℃和－15 ℃,可見GB/T 229－2007 比ASTM E23－2007a 稍嚴格。

圖4 不同標準下1號試樣沖擊韌脆轉變曲線Fig.4 Impact toughness-brittleness transition curves of specimen 1 under different standards

由于2號試樣按照不同標準試驗時均未出現晶狀斷面(為100%剪切斷面),沒有韌脆轉變現象,沖擊韌度良好,所以不存在韌脆轉變溫度。

3 結論

(1)對SA-508Gr.3Cl.1 鋼 和SA-182F316LN鋼分別按照GB/T 229－2007 和ASTM E23－2007a進行沖擊試驗,按照GB/T 229－2007 測得的沖擊吸收能量比按照ASTM E23－2007a測得的要低,試驗結果更為嚴格保守。

(2)當SA-508Gr.3Cl.1鋼的沖擊試驗溫度高于韌脆轉變溫度時,按照GB/T 229－2007 和ASTM E23－2007a進行試驗所得到的沖擊吸收能量的差值隨溫度升高而增大,并在40℃及以上時趨于恒定;當溫度低于韌脆轉變溫度時,兩種標準所得到的沖擊吸收能量較接近。對于SA-182F316LN 鋼,在沖擊試驗溫度范圍內,按照ASTM E23－2007a測得的沖擊吸收能量比按照GB/T 229－2007測得的要高,且當溫度為－80℃時兩者差別最大。(3)建議在我國核電工程中統一采用GB/T 229－2007(采用2 mm 擺錘)。該標準雖然比ASTM E23－2007a更嚴格,但由于鋼材沖擊吸收能量較高,遠大于考核值,一般不存在驗收不合格比例高的風險。可在核電工程中積累常用鋼材的沖擊試驗數據,研究試驗值與驗收值的對應關系,逐步統一按照GB/T 229－2007進行核電工程材料沖擊試驗。