劉利釗
(山東核電有限公司,山東 煙臺(tái)265116)
美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第三卷《核動(dòng)力裝置設(shè)備建造準(zhǔn)則》所規(guī)定的壓力容器用SA508 Gr.3鋼,是以美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM)規(guī)定的A508-3鋼為依據(jù)的。該鋼種具有優(yōu)越的可焊性[2]、較好的抗中子輻照脆化性能和非常好的低溫沖擊韌性以及較低的無延性和轉(zhuǎn)變溫度韌性,因此被廣泛應(yīng)用于壓水堆核電站核島壓力容器制造。目前,世界各國核電站壓力容器制造也大都采用與之類似的鋼種,例如德國電站聯(lián)盟的20MnMoNi55鋼、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SFVV3鋼、法國標(biāo)準(zhǔn)RCC-M的16MND5鋼以及我國在20世紀(jì)70年代研制成功的20MnMoNiNb(S271鋼)等,以上鋼種的主要成分大致相同,性能相近[1]。
AP1000核電機(jī)組按照ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》1998年版加2000年版補(bǔ)遺進(jìn)行建造。按照西屋公司的設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)格書中的要求,AP1000反應(yīng)堆壓力容器采用SA508 Gr.3 C1.1鋼種,蒸汽發(fā)生器采用SA508 Gr.3 C1.2鋼種。實(shí)踐表明,大型核容器鍛件的制造所要求的工藝水平很高,我國試制和生產(chǎn)SA508-3鋼已有30多年歷史,但是,目前在該鋼種大噸位的最佳化學(xué)成分配比、冶金質(zhì)量精細(xì)控制技術(shù)(如純凈度和均勻度控制)、最佳熱加工工藝和最佳熱處理工藝等方面仍有欠缺。因此,國內(nèi)SA508-3鋼特大鍛件的質(zhì)量穩(wěn)定性尚存在不足[7]。由于大鍛件是核島主設(shè)備的關(guān)鍵原材料,其質(zhì)量狀況對(duì)設(shè)備安全性能及使用壽命影響大。而且由于其制造周期很長,一旦在制造后期出現(xiàn)問題,對(duì)設(shè)備制造周期的沖擊很大。因此,做好核島主設(shè)備大鍛件的監(jiān)造極為重要。本文通過對(duì)SA508-3鋼鍛件制造過程中的技術(shù)要點(diǎn)和難點(diǎn)的概括總結(jié),力求分析出該鋼種的鍛件在制造過程中的質(zhì)量關(guān)注重點(diǎn),以便在監(jiān)造過程中能更好地監(jiān)督鍛件的制造質(zhì)量。
鍛件制造廠在生產(chǎn)之前要制訂出詳細(xì)的質(zhì)量保證文件,通過這些文件的執(zhí)行和使用對(duì)鍛件生產(chǎn)的全過程控制,以確保鍛件的質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和采購技術(shù)文件中的要求。由于核島主設(shè)備大多屬于核一級(jí)設(shè)備,按照ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第三卷NB-2600的要求,制造廠的質(zhì)量體系必須滿足ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第三卷NCA-3800《金屬材料供貨組織的質(zhì)量體系要求》中的要求[3]。
每個(gè)鍛件應(yīng)按照訂貨方提供的鍛件圖制造,在鍛件圖上應(yīng)標(biāo)明鍛件的交貨尺寸(最終的精加工尺寸)、鍛件淬火尺寸、承受最大應(yīng)力的面以及力學(xué)性能取樣的部位等。
該鋼種一般用堿性電爐進(jìn)行冶煉,也可用能夠保證質(zhì)量的其他相當(dāng)或更好的工藝冶煉。為了除掉鋼中的有害氣體(特別是氫),對(duì)熔煉的鋼水必須在澆鑄前或澆鑄時(shí)進(jìn)行真空處理[5]。
鍛件應(yīng)在具有足夠能力的壓機(jī)上進(jìn)行熱加工,并且應(yīng)使鍛件全截面承受熱加工。鋼錠的頭尾(冒口、水口)應(yīng)切除足夠的鋼塊,以便將縮孔和過分偏析部分盡量去除(采購技術(shù)文件中規(guī)定了最小切除量)。鍛件的鍛壓比不小于3.5。
鍛件在鍛造后應(yīng)進(jìn)行鍛后熱處理,熱處理前應(yīng)充分冷卻以保證鍛件完成奧氏體相變。鍛后熱處理包括正火和回火兩個(gè)階段。正火的溫度為890~980 ℃,保溫足夠時(shí)間后空冷或爐冷?;鼗鸬臏囟葹?00~690 ℃,保溫足夠時(shí)間后空冷或爐冷。
鍛件在預(yù)UT結(jié)束后,須進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理(淬火+高溫回火),淬火的加熱溫度為870~920 ℃,保溫足夠時(shí)間后在水中急冷,淬火后在亞臨界溫度下進(jìn)行回火,加熱溫度不低于635 ℃,保溫時(shí)間按照最大壁厚處計(jì)算,每50 mm至少為1 h,然后空冷或爐冷。
熱處理的加熱溫度、保溫時(shí)間、加熱和冷卻速度以及淬火時(shí)的相變完成溫度和淬火結(jié)束時(shí)的鍛件溫度等均應(yīng)被記錄在經(jīng)鑒定的材料試驗(yàn)報(bào)告(CMTR,Certified Material Test Report)中。
調(diào)質(zhì)熱處理結(jié)束后,經(jīng)買方允許后進(jìn)行的任何熱處理也必須記錄在CMTR中。鍛件最終是以奧氏體化,淬火加高溫回火的狀態(tài)供貨。
制造廠在澆鋼時(shí)取樣進(jìn)行化學(xué)分析,化學(xué)成分的要求如表1和表2所示[4]。
制造廠應(yīng)對(duì)鍛件化學(xué)成分作產(chǎn)品分析,產(chǎn)品分析的試樣可取自臨近拉伸試樣附近的母材區(qū)域或破斷的拉伸試樣的端部。由于鋼錠在凝固過程中有成分偏析現(xiàn)象,成品分析的允差比熔煉分析要寬。
表1 SA508 Gr.3 C1.1鋼的化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table1 Chemical composition of steel SA508 Gr.3 C1.1%
表2 SA508 Gr.3 C1.2鋼的化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table2 Chemical composition of steel SA508 Gr.3 C1.2%
熔煉分析和產(chǎn)品分析按照美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)ASTM A751中的要求進(jìn)行。
最初輕水堆壓力容器用鋼采用焊接性優(yōu)良的低合金鋼,但其高溫性能較差。從l965年起,業(yè)界逐漸采用高溫性能較好的Mn-Mo系鋼,但隨著鍛件尺寸增大,要保證鍛件性能的均勻性和高韌性越來越困難了,因此1964年ASME做出規(guī)定,在鍛件厚度≥100 mm 時(shí),Mn-Mo系鋼中必須要加入0.4%~1.0%的Ni或Ni、Cr,以增加淬透性,便形成了Mn-Mo-Ni系鋼(即SA508-3鋼)。V元素的加入是為了細(xì)化晶粒。我國的S271鋼是在18MnMoNb的基礎(chǔ)上增加0.6%~0.9%的Ni,其基本成分與SA508-3鋼類似,不同的是通過增加0.02%~0.06%的Nb來細(xì)化晶粒,而不是加入V元素[1]。
3.1.1 試樣制備要求
鍛件經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后,按照規(guī)定切取試料(試樣的切取部位方向應(yīng)按照NB-2000的要求進(jìn)行),試料經(jīng)過模擬焊后熱處理(模擬產(chǎn)品生產(chǎn)過程中經(jīng)過的所有各項(xiàng)焊后熱處理)后加工成試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。
模擬焊后熱處理的要求為:將試料放在溫度不超過425 ℃的熱處理爐里,以不超過56 ℃/h的速度將試料加熱至595~621 ℃,保溫足夠時(shí)間(目前AP1000的設(shè)計(jì)文件要求Gr.3 Cl.1材料保溫時(shí)間為40 h; Gr.3 Cl.2材料保溫時(shí)間為48 h),然后以不超過56 ℃/h的速度將試料冷卻至低于425 ℃。
3.1.2 取樣數(shù)量
筒體類鍛件一般要求在每一端各取兩套試料,每一端的兩套試料成180°方位角;而位于一端的兩套試料的部位與位于另一端的兩套試料的部位之間又互成90°方位角。
封頭類鍛件要求在大端面取兩套試料,這兩套試料互成180°方位角(蒸汽發(fā)生器水室封頭要求和3個(gè)一次側(cè)管嘴也各取兩套試料,這兩套試料互成180°方位角)。
SG管板要求取兩套試料,這兩套試料互成180°方位角。管嘴類鍛件要求在一端取樣,兩套試料互成180°方位角。
每一套試料中應(yīng)包括室溫拉伸一個(gè),沖擊試樣3組(每組3個(gè)),落錘試樣至少1組(每組至少2個(gè))。試樣的數(shù)量應(yīng)滿足ASME鍋爐壓力容器規(guī)范第二卷SA508的要求。
3.1.3 試樣的部位
圖1 取樣部位示意圖Fig.1 Schematic of sampling position
試料的切取必須使得試樣的縱軸到任何熱處理表面的距離至少等于1/4T,且試樣長度的中線或試樣的端面到任何其他表面的距離至少等于T,這里的T是指熱處理對(duì)鍛件的最大厚度。如圖1所示。
對(duì)于特厚且復(fù)雜的鍛件。試料可取自產(chǎn)品的延長部分或產(chǎn)品的加工余量部位。必須使試樣的縱軸離最近熱處理表面至少等于所規(guī)定的高拉應(yīng)力表面到最近的熱處理表面的最大距離,且試樣的長度中線到其他熱處理表面至少等于此距離的兩倍。在任何情況下,試樣的縱軸到任何熱處理表面的距離不得小于20 mm,試樣的長度的中線到任何其他表面的距離至少為40 mm[5]。
3.1.4 試樣的縱軸方向
對(duì)于墩粗的餅狀鍛件,所有拉伸試樣的縱軸應(yīng)處于切線的方向;對(duì)于所有的其他鍛件,拉伸試樣的縱軸應(yīng)平行于鍛件的主鍛造方向(PWD,Principal working direction)。落錘試驗(yàn)的試樣的切取對(duì)方向沒有要求。
Cv沖擊試樣由3個(gè)試樣組成一組,這3個(gè)試樣應(yīng)在試料上并排截取。沖擊試樣的縱軸應(yīng)垂直于鍛件的主鍛造方向,但在采購技術(shù)條件有要求的情況下,也可能要求在平行于主鍛造方向上切取。
在室溫下,材料的拉伸性能如表3和表4所示。其拉伸曲線如圖2所示。
表3 SA508 Gr.3 C1.1鋼拉伸性能要求Table3 Requirements for tensile performance of the steel SA508 Gr.3 C1.1
表4 SA508 Gr.3 C1.2鋼拉伸性能要求Table4 Requirements for tensile performance of the steel SA508 Gr.3 C1.2
圖2 拉伸曲線圖Fig.2 Tensile curve
從鍛件上同一部位切取的至少兩個(gè)試樣在規(guī)定的溫度下進(jìn)行試驗(yàn),試樣通常按照P-3型(130±10)mm×(50±1)mm×(16±0.5)mm制備,落錘試驗(yàn)按照美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)ASTM E-208-91和ASME《鍋爐壓力容器規(guī)范》第二卷SA370《鋼鐵制品的力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法和定義》中的要求進(jìn)行。
無塑性轉(zhuǎn)變溫度TNDT是表明含有小裂紋的試樣在動(dòng)態(tài)加載屈服應(yīng)力下發(fā)生脆斷的最高溫度,也就是說下平臺(tái)開始上升的溫度。它的值由按照ASME E208(測(cè)定鐵素體鋼無塑性轉(zhuǎn)變溫度的落錘試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法)試驗(yàn)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)試樣未發(fā)生斷裂的最低溫度測(cè)得(我國的鍛件技術(shù)條件往往將TNDT規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)試樣發(fā)生斷裂的最高溫度)[7]。
沖擊試驗(yàn)的方法及試樣,均按照ASME《鍋爐壓力容器規(guī)范》第二卷SA370《鋼鐵制品的力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法和定義》中的要求執(zhí)行。
參考無塑性轉(zhuǎn)變溫度是SA508-3鋼對(duì)高韌性要求的指標(biāo)之一,參考無塑性轉(zhuǎn)變溫度越低越好。根據(jù)ASME《鍋爐壓力容器規(guī)范》第三卷NB2331中的規(guī)定,由夏比V形缺口沖擊功和TNDT給出一個(gè)參考無塑性轉(zhuǎn)變溫度R TNDT,用來確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)材料的斷裂韌性KIR-(TRTNDT)曲線的下限值。方法為,首先由落錘試驗(yàn)測(cè)得無塑性轉(zhuǎn)變溫度TNDT,然后在TNDT+33 ℃下作3個(gè)夏比沖擊試驗(yàn),如果每個(gè)試樣的橫向膨脹量≥0.89 mm且吸收功均≥68 J,此時(shí)的TNDT就是RTNDT[3],具體要求見表5。
表5 沖擊性能表Table5 Requirements for impact performance
每個(gè)鍛件應(yīng)進(jìn)行超聲波檢查、磁粉檢查、尺寸檢查及外觀檢查,鍛件應(yīng)沒有裂紋、熱裂或其他有害缺陷。無損檢驗(yàn)的檢驗(yàn)規(guī)程必須得到買方的批準(zhǔn)方可執(zhí)行。
鍛件超聲波檢測(cè)應(yīng)該使用直探頭和斜探頭分別進(jìn)行,檢測(cè)按照ASME《鍋爐壓力容器規(guī)范》第五卷以及第二卷SA388/SA388M《鍛件超聲檢驗(yàn)》中的要求進(jìn)行[3];驗(yàn)收應(yīng)按第三卷第一冊(cè)NB分卷NB-2542.2(超聲檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn))[3]和第二卷SA508部分(包括采購文件中所引用的補(bǔ)充要求)[4]進(jìn)行。
鍛件的所有表面應(yīng)進(jìn)行磁粉檢測(cè),檢驗(yàn)操作應(yīng)按照ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第五卷以及第二卷SA275/SA275M《鋼制鍛件磁粉檢驗(yàn)規(guī)程》中的要求進(jìn)行[3];驗(yàn)收應(yīng)按照ASME《鍋爐壓力容器規(guī)范》第二卷SA508部分,第三卷第一冊(cè)NB分卷NB-2546.3《磁粉檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中的要求進(jìn)行[3]。
如果鍛件的表面或近表面發(fā)現(xiàn)不能驗(yàn)收的缺陷,可以用磨削的方法清除,磨削區(qū)域還得重新進(jìn)行磁粉檢驗(yàn)。清除缺陷后的鍛件尺寸應(yīng)符合訂貨鍛件圖的規(guī)定。但是鍛件在未經(jīng)過買方批準(zhǔn)的情況下,不允許進(jìn)行任何形式的焊補(bǔ)。
若拉伸、沖擊試驗(yàn)不合格,則按照不合格項(xiàng)目在原取樣位置的附近取雙倍試樣重測(cè)。第二次試驗(yàn)中若仍有一個(gè)或一個(gè)以上的試樣不合格時(shí),該鍛件可重新熱處理。熱處理后應(yīng)進(jìn)行全部性能(化學(xué)成分除外)的試驗(yàn)。重復(fù)熱處理必須得到買方的批準(zhǔn),但重復(fù)熱處理不得超過兩次。
可按照采購規(guī)格書的要求提供母材和焊件的檔案材料,并提供相應(yīng)的圖紙及檢驗(yàn)記錄。
鍛件制造廠在交貨的同時(shí),應(yīng)向買方提供每個(gè)鍛件的質(zhì)量證明書,如經(jīng)鑒定的材料試驗(yàn)報(bào)告。質(zhì)量證明書應(yīng)至少包括以下內(nèi)容。
(1)化學(xué)成分(熔煉分析和產(chǎn)品分析)報(bào)告;
(2)每次熱處理的記錄;
(3)每項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)的報(bào)告;
(4)金相檢驗(yàn)的報(bào)告(若有要求);
(5)無損檢驗(yàn)的報(bào)告;
(6)材料的識(shí)別標(biāo)記;
(7)制造圖紙或輪廓圖(該圖應(yīng)包含鍛件熱處理尺寸,鍛件主要工作方向,所有試樣和存檔材料的切取位置、方向和標(biāo)識(shí));
(8)存檔材料的圖紙、編號(hào)、尺寸檢測(cè)報(bào)告、無損檢驗(yàn)報(bào)告等;
(9)不符合項(xiàng)報(bào)告。
開工前準(zhǔn)備工作是否充分,對(duì)后續(xù)制造工作能否順利開展影響很大。因此開工先決條件檢查應(yīng)對(duì)制造廠的管理體系、制造工藝文件準(zhǔn)備、檢驗(yàn)試驗(yàn)文件準(zhǔn)備、工藝評(píng)定及試驗(yàn)、加工設(shè)備及工器具檢定、工裝準(zhǔn)備、人員資質(zhì)與培訓(xùn)、環(huán)境、制造進(jìn)度安排等做一個(gè)全面深入的檢查,如發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)要求廠家限期整改。
鍛件制造過程中有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)該抓?。捍旨庸ず骍T、取樣、力學(xué)性能試驗(yàn)、最終UT探傷、成品檢驗(yàn)、最終文件審查及質(zhì)量放行。
粗加工后的審查可以從煉鋼原材料開始,仔細(xì)審查冶煉、鍛造、鍛后熱處理、機(jī)加工,檢查整個(gè)過程是否符合采購技術(shù)文件的要求,有沒有嚴(yán)重的偏離。鍛件在粗加工后,一般會(huì)有一個(gè)內(nèi)控預(yù)UT檢查。需要關(guān)注在此預(yù)超聲檢查中有無超標(biāo)缺陷出現(xiàn),以便及時(shí)采取準(zhǔn)備備件等處理措施。
一般要求鍛件被加工出完工輪廓形狀,并預(yù)留一定的加工余量(具體數(shù)據(jù)依材料采購規(guī)格書中的規(guī)定而定),才能被允許進(jìn)行性能熱處理。監(jiān)造中需要關(guān)注性能熱處理前鍛件的加工余量是否滿足要求。性能熱處理監(jiān)督,應(yīng)關(guān)注保溫溫度、保溫時(shí)間、加熱和冷卻速度等關(guān)鍵因素。另外,需要關(guān)注鍛件為改善性能而進(jìn)行的再次熱處理必須經(jīng)過買方的批準(zhǔn)。
材料的力學(xué)性能試驗(yàn)是決定鍛件是否合格的極為關(guān)鍵的工序。具有核安全等級(jí)1級(jí)要求的鍛件,在取樣方面有嚴(yán)格的規(guī)定,設(shè)備監(jiān)造工程師必須現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)取樣部位、方向和數(shù)量等滿足采購文件要求并在鍛件上打上鋼印記號(hào)以有利于質(zhì)量控制。對(duì)于試樣,應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注試樣的加工是否正確,外觀質(zhì)量是否合格,試樣是否存在缺陷等。夏比V形缺口沖擊是非常敏感的韌性指標(biāo),其試驗(yàn)結(jié)果與試樣的加工密切相關(guān),對(duì)試樣的加工要求比較高,因此應(yīng)格外予以重點(diǎn)關(guān)注。對(duì)于鍛件的性能試驗(yàn)過程應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注儀器是否經(jīng)過檢定合格,操作人員是否具有合格資質(zhì),試驗(yàn)操作方法是否滿足相關(guān)規(guī)范的要求,試驗(yàn)結(jié)果是否合格,報(bào)告編寫是否規(guī)范等。
UT探傷是檢驗(yàn)材料內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵工序,也是發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷最多的時(shí)機(jī),必須重點(diǎn)關(guān)注。SA508鍛件UT探傷一般要求必須采用直探頭和斜探頭兩種方法進(jìn)行檢驗(yàn),兩種探頭的排查結(jié)果都要記入探傷報(bào)告。超聲檢驗(yàn)規(guī)程應(yīng)對(duì)兩種探頭的信號(hào)分別規(guī)定記錄和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),超過任何一種標(biāo)準(zhǔn)的缺陷都應(yīng)該被記錄或判廢。鍛件超聲波檢驗(yàn)操作及驗(yàn)收應(yīng)按照ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》相關(guān)章節(jié)中的要求進(jìn)行。超聲檢驗(yàn)報(bào)告應(yīng)該提供缺陷性質(zhì)、缺陷方位、缺陷大小、缺陷深度、缺陷指示長度、缺陷取向、缺陷回波波幅等詳細(xì)信息。超聲檢測(cè)的見證應(yīng)關(guān)注操作人員資質(zhì)、儀器設(shè)備的檢定情況、探頭及耦合劑的選擇、基準(zhǔn)靈敏度和掃查靈敏度的確定、系統(tǒng)標(biāo)定、檢驗(yàn)實(shí)施過程、缺陷記錄和報(bào)告等。
鍛件的所有表面應(yīng)進(jìn)行磁粉檢測(cè),檢驗(yàn)操作及驗(yàn)收應(yīng)按照ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》相關(guān)章節(jié)中的要求進(jìn)行。磁粉檢測(cè)的見證應(yīng)關(guān)注操作人員資質(zhì)、儀器設(shè)備的檢定情況、檢驗(yàn)時(shí)機(jī)、工件表面準(zhǔn)備、檢驗(yàn)準(zhǔn)備、檢驗(yàn)參數(shù)、檢驗(yàn)實(shí)施過程、磁痕的評(píng)定、退磁及后處理、缺陷記錄及報(bào)告。
成品檢驗(yàn)包括尺寸檢查和表面檢驗(yàn)必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,其結(jié)果是決定成品能否驗(yàn)收的前提條件。
最終質(zhì)量文件審查和質(zhì)量放行是決定鍛件是否合格的最后一道工序,應(yīng)該對(duì)CMTR中的內(nèi)容進(jìn)行全面、詳細(xì)、嚴(yán)格的審查,發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)要求整改。
鍛件監(jiān)造的見證點(diǎn)設(shè)置如表6所示。
表6 鍛件監(jiān)造執(zhí)行方式Table6 The implementation method for supervision of steel forging
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