反應堆壓力容器用SA508 Gr.3鋼落錘試驗結果異常原因

劉 強, 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 E208-20StandardTestMethodforConductingDrop-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=170 mm)，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。

表1 4個試樣落錘試驗結果

圖1 4個試樣落錘試驗后的宏觀形貌

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ASME 2007 Section II SA-508/SA-508MQuenchedandTemperedVacuum-TreatedCarbonandAlloySteelForgingsforPressureVessels的要求。

表2 化學成分分析結果 %

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。

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中規定的P-3型試樣。ASTM E208-20規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

焊接過程嚴格按落錘試驗焊接指導規程(PD-SP332焊接工藝數據單)執行。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3.39 mm，寬度為14.24 mm，焊道高度為4.58 mm；1B試樣的熱影響區深度約為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試樣的熱影響區深度約為3.98 mm，寬度為14.32 mm，焊道高度為4.28 mm。結果表明：隨著熱影響區尺寸的增加，TNDT增加[4]。

圖3 4個試樣的母材顯微組織形貌

圖4 4個試樣的熱影響區顯微組織形貌

圖5 4個試樣熱影響區尺寸測量結果

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]。

圖6 硬度測試位置示意

圖7 4個試樣硬度測試結果

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為：試樣在冷卻介質中過冷溫度為1 ℃，試樣保溫時間為45 min，試樣離開冷卻介質至打斷的時間為7 s，試驗錘能量為400 J，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2 h的試樣斷裂情況出現波動；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果

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。