核電設(shè)備制造中落錘試驗的影響因素

1、V o l .51N o .4工程與試驗E N G I N E E R I N G &T E S T D e c .2011收稿日期2011-11-13作者簡介劉釗(1983-,男,內(nèi)蒙古赤峰人,碩士,主要研究方向:核電大型鑄鍛件制造工藝。電子信箱:l i u z h a o 917163.c o m 。核電裝備制造中落錘試驗的影響因素劉釗,朱喜斌,吉宏林,王鑫(中廣核蘇州熱工研究院設(shè)備監(jiān)理中心,江蘇蘇州215004摘要:落錘試驗是核電裝備制造中對材料進行檢測和評判的一種重要方法。本文分析了試樣尺寸、試樣焊接、過程控制和結(jié)果判定四類影響落錘試驗的因素,可在今后的試驗過程中進行控制,使測試結(jié)果達

2、到穩(wěn)定準確。關(guān)鍵詞:落錘試驗;A S TM E 208;N D T ;試樣中圖分類號:T G 115.5+6文獻標識碼:B d o i :10.3969/j.i s s n .1674-3407.2011.04.009I n f l u e n c i n g F a c t o r s o f D r o p -W e i g h t T e s t f o r M a n u f a c t u r e o f N u c l e a r E q u i pm e n t L i u Z h a o ,Z h u X i b i n ,J i H o n g l i n ,W a n g

3、X i n (E q u i p m e n t S u pe r v i s i o n R e s e a r c h C e n t e r ,S u z h o u N u c l e a r P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ,S u z h o u 215004,J i a n g s u ,C h i n a A b s t r a c t :T h e d r o p -w e i g h t t e s t i s a n i m p o r t a n t m e t h o df o r m a n u f a c t

4、 u r e o f n u c l e a r e q u i pm e n t t o t e s t a n d e v a l u a t e t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s .I n t h i s p a p e r ,f o u r k i n d s o f i n f l u e n c i n g f a c t o r s o f d r o p -w e i g h t t e s t ,s u c h a s s p e c i m e n s i z e ,s p e c i m e n w e l d ,p r

5、o c e s s c o n t r o l ,r e s u l t d e c i s i o n ,a r e a n a -l y z e d .A p p r o p r i a t e c o n t r o l s h o u l d b e d o n e t o g e t t h e a c c u r a t e a n d s t e a d y t e s t i n g r e s u l t s .K e yw o r d s :D r o p -w e i g h t t e s t ;A S TM E 208;N D T ;s p e c i m e n 1

6、引言隨著我國核電裝機容量的逐年增多及核電裝備國產(chǎn)化腳步的加快,核電裝備的安全性、可靠性已經(jīng)成為制造廠、業(yè)主及社會廣泛關(guān)注的問題。特別是反應堆壓力容器各部件,長期在高溫、高壓、強輻照的環(huán)境下工作,為保證設(shè)備受中子輻照后不產(chǎn)生脆斷,提高安全性,在制造過程中準確測定材料的無塑性轉(zhuǎn)變(N D T 溫度顯得尤為重要。落錘試驗是用來研究具有溫度轉(zhuǎn)變行為的鐵素體結(jié)構(gòu)鋼抗脆性斷裂性能的一種工程試驗方法,在電力、化工、船舶、橋梁、海洋工程等領(lǐng)域已經(jīng)得到了普遍重視和廣泛應用。通過該試驗可以獲得材料在含有微小尖銳裂紋和動態(tài)屈服加載條件下發(fā)生脆性斷裂的最高溫度,即無塑性轉(zhuǎn)變溫度(T N D T 。T N D T 的測

7、定以及在T N D T 的基礎(chǔ)上結(jié)合沖擊試驗結(jié)果確定的基準無延性轉(zhuǎn)變溫度R T N D T 都是工程結(jié)構(gòu)防斷裂設(shè)計重要的定量判據(jù),不僅代表材料防脆斷傾向,而且是進行彈塑性力學評價的重要指標參數(shù),對核電站重要部件的評價起重要作用。因此,本文就核電設(shè)備制造過程中使用落錘試驗法測定N D T 溫度的幾種常見問題進行分析和探討。2試驗概述目前我國在采購核電站主回路設(shè)備時,無論是按R C C 規(guī)范建造的二代改進型C P R 1000堆型還是按A S M E 規(guī)范建造的三代A P 1000堆型中,凡是核一級部件均要求進行落錘試驗,涉及到與落錘試驗有關(guān)的標準主要有我國的GB /T 6803、法國的RC C

8、-M C 1230和美國的A S T M E 208。其中,R C C -M C 1230要求參照A S T M E 208標準進行落錘試驗。落錘試驗是在單一的沖擊載荷下對給定材料的43一系列試樣,在選定的溫度序列進行試驗,來測定試樣斷裂時的最高溫度。沖擊載荷由一個有導向的、可自由落下的錘頭提供,根據(jù)被檢鋼種的屈服強度,該錘頭可提供350J-1650J的沖擊能量。通常的試驗順序為:在試樣的準備和溫度調(diào)節(jié)完成后,初始的落錘試驗在一個估計接近N D T溫度的試驗溫度下進行(需要操作人員對材料性能有一定了解。根據(jù)第一次的試驗結(jié)果,其他試樣的試驗應在適當?shù)臏囟乳g隔下進行,以確定斷裂和未斷裂行為之間的界

9、限在5以內(nèi)。在這些連續(xù)的最小不斷裂溫度下進行重復試驗可以確定在這個溫度下的不斷裂行為。3落錘試驗影響因素分析3.1試樣尺寸以目前廣泛應用在核電鍛件制造領(lǐng)域的法國牌號16MN D5和18MN D5鋼為例,并根據(jù)具體的采購技術(shù)規(guī)范要求,落錘試驗一般采用P-3試樣。相關(guān)規(guī)范中要求的具體尺寸見圖1和表1所示 。圖1P-3型落錘試樣示意圖表1P-3型落錘試樣尺寸表標準/規(guī)范厚度T寬度W長度L焊道長度l焊道寬度h焊道高度a缺口寬度a0缺口底高a1G B/T6803160.5501.013010606512163.55.51.51.82.0 A S TME208160.5501.01301063.512.7

10、1.51.82.0 R C C-M C1230160.5501.01301063.512.71.51.82.0注:空白處為規(guī)范中未做具體規(guī)定;數(shù)據(jù)單位為m m。由表1可知,相關(guān)標準中對P-3型落錘試樣的尺寸要求基本相同,只是在裂紋源焊道的尺寸方面略有差異。G B/T6803中規(guī)定了焊道尺寸,而A S TME208中注明,如果裂紋源缺口位于試樣中心,且試樣被完全偏轉(zhuǎn)時焊道沒有接觸到支撐臺工作夾具,則焊道長度并不重要。在具體試驗中,焊道長短會帶來熱輸入量的不同,但在公差范圍內(nèi)影響不大。為了減少測試結(jié)果的波動,應在保證標準規(guī)定的前提下,固定焊道長度。對于焊道高度,A S TME208中注明,由于焊縫

11、頂端尺寸變化,所以焊道高度不能準確測定,通過千分表測量只能用于已加工好缺口的最終檢查。因為落錘試樣中的焊道只是為了引入一個脆性裂紋源,而缺口是為了確定斷裂位置,只要沖擊能量足夠使焊道斷裂,產(chǎn)生引發(fā)裂紋,并使試樣彎曲達到規(guī)定的撓度,就不會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響,只是多消耗了部分斷裂能而已。但當缺口底部離試樣較近時,可能會出現(xiàn)因脆性焊肉達不到產(chǎn)生裂紋并引起脆性斷裂的條件,使測出的N D T結(jié)果較低。為了避免這種影響,在加工缺口時應盡量靠上限。其次,在單位的選用上也應注意。A S T ME208中可用兩種單位即英制和公制,兩種單位間的換算略有差異,如焊道缺口英制規(guī)定最大1/16i n(=1.5875m

12、m,而公制規(guī)定為1.5m m。在核電設(shè)備制造中出現(xiàn)過缺口尺寸1.5m m的不符合項,其實際間距400M P a -600M P a,沖63工程與試驗D e c e m b e r 2011擊能量400J。合理地安排試驗溫度和試驗順序?qū)υ囼灲Y(jié)果的取得至關(guān)重要。例如某組落錘試驗共8個試樣,編號為A P1A P8,分為4組,暫定試驗溫度為-25、-30、-35、-40,若按順序從低溫到高溫進行,試驗過程可能出現(xiàn)全部斷裂或全部未斷裂的情況,此時無法確定N D T。換一種順序,在-25和-40時均斷裂,另兩組提高試驗溫度為-20和-15就可能會出現(xiàn)未斷裂的一組,從而完成試驗。相反,如在-25和-40時均

13、未斷裂,則另兩組降低試驗溫度為-45和-50。這樣4組試樣可以保證在30范圍內(nèi)測得結(jié)果。這是最保險的試驗順序,在實際操作中,對試驗材料較熟悉的試驗人員可在兩組試驗后便測得N D T溫度。3.4試驗結(jié)果判定試驗結(jié)果的判定有3種情況:斷裂、未斷裂、試驗無效。準確地判定試樣斷裂與否直接影響最終落錘試驗結(jié)果,但在試驗中出現(xiàn)的一些情況仍存在一定爭議。A S TME208-2006版中對斷裂的描述為“As p e c i m e ni sc o n s i d e r e db r o k e ni ff r a c t u r e dt o o n eo rb o t he d g e so ft h

14、et e n s i o ns u r f a c e.C o m p l e t e s e p a r a t i o na tt h ec o m p r e s s i o ns i d eo ft h es p e c i m e n i sn o tr e q u i r e df o rb r e a kp e r f o r m a n c e”;G B/T6803 -2008及A S TME208的中文版中均描述為“裂紋源焊道形成的裂紋擴展到試樣受拉面的一個或兩個棱邊,試樣被視作斷裂”,主要是由于對英文中的e d g e和中文“棱邊”理解上的不同造成的。圖4所示為試樣側(cè)面出現(xiàn)

15、裂口,但棱角上仍未斷裂完全的試樣 。圖4試驗結(jié)果有爭議試樣及局部放大圖對于此類情況,首先焊道缺口表面有裂紋產(chǎn)生,證明試驗有效;有人認為按照標準中的描述,只對受拉面進行考量,只要裂紋在受拉面上沒有到達邊界即判定為未斷裂;并根據(jù)A S TME208-200614.2.1 N O T E2“T oa i di nd e t e r m i n i n gw h e t h e rat i g h t l y c l o s e dc r a c ke x t e n d sa c r o s st h et e n s i o ns u r f a c et oa c o r n e ri tm a

16、 yb eh e l p f u lt of i r s th e a t-t i n to rd y et h e s p e c i m e na n dt h e nt of r a c t u r ei ti nt w op i e c e sb y a n yc o n v e n i e n tm e a n s”中c o r n e r的描述更確定了上述e d g e為棱角或棱邊;也有人認為落錘試驗測定的是材料無塑性轉(zhuǎn)變溫度,所以落錘試樣的斷裂應是無塑性解理斷裂,而棱角仍未完全開裂可以判定其為未斷裂;也有部分人認為,標準中規(guī)定的只對受拉面進行考查是因為在落錘試驗過程中受拉表面是最

17、薄弱的環(huán)節(jié),所以不論裂紋是否延到受拉表面,只要在側(cè)面出現(xiàn)裂紋即可判定試樣斷裂,即使不是由裂紋源延伸而來,也說明材料的性能很差。在實際生產(chǎn)中,例如某制造廠按照采購規(guī)范要求N D T溫度-15,而在-15的落錘試驗中出現(xiàn)上述類似情況,并且采購技術(shù)規(guī)范和標準中均沒有類似沖擊或拉伸試驗中不合格后的復驗要求。應根據(jù)A S TME208中要求對試樣配上回火色或染料后,將試樣打成兩段,通過對裂紋效果的觀察進行判斷;另外出現(xiàn)這種情況,也不排除在本體上取樣時,遇到缺陷或夾雜等。總之,一定要經(jīng)過充分、全面的論證,之后給出最終的結(jié)論。4結(jié)論百萬千瓦核電機組核島主設(shè)備有落錘試驗要求的部件多數(shù)涉及核安全,其力學性能的測

18、定絕不僅僅是一般意義上的符合性驗證,需要準確和可靠。若能在實際生產(chǎn)中根據(jù)具體的采購技術(shù)規(guī)范和標準要求,統(tǒng)一試樣尺寸、規(guī)范焊接過程,盡量減小試樣焊接熱影響區(qū)尺寸,合理安排試驗順序,對試驗結(jié)果做出合理的判斷,將影響落錘試驗結(jié)果的因素降到最低,從而保證試驗結(jié)果能準確和客觀地反映材料性能,確保核電設(shè)備的安全性。參考文獻1A S TME208-95a(R e a p p r o v e d2000S t a n d a r dT e s tM e t h o dF o rC o n d u c t i n gD r o p-W e i g h tT e s tt oD e t e r-m i n eN i l-D u c t i l i t yT r a n s i t i o nT e m p e r a t u r eo fF e r r i t i cS t e e l sS.2R C C-M2000D e s