核電用SA508 Gr.3鋼RTN DT試驗(yàn)研究分析

戴清晨 陳 勇 陸戴丁

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司 國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心 合肥 230031)

隨著我國(guó)核電事業(yè)的快速發(fā)展，以及核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)步和加速，核電設(shè)備的安全性受到公眾的極大關(guān)注。核電裝置用材料，與普通的石油化工設(shè)備相比，其安全性和可靠性要求更高。核電設(shè)備用材料的主要特點(diǎn)為[1]：1）力學(xué)性能要求嚴(yán)格。由于長(zhǎng)期在高溫、高壓環(huán)境下服役，因此要求材料具有適合的強(qiáng)度值、較高的韌性值和較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度值（TNDT）。2）化學(xué)成分要求嚴(yán)格。核島設(shè)備用鋼要求P、S含量分別小于0.010%、0.005%。3）無(wú)損檢測(cè)要求嚴(yán)格。核電設(shè)備用鋼要求100%超聲波檢測(cè)，鋼板宏觀檢測(cè)要求進(jìn)行表面磁粉探傷。

核電站設(shè)備主要由兩大部分組成[2]：核島及核島以外的設(shè)備。核島即核反應(yīng)堆，主要包括核反應(yīng)堆壓力容器、堆內(nèi)構(gòu)件、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等。核島以外設(shè)備，又稱常規(guī)島設(shè)備，其核心為汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組。文獻(xiàn)[3-4]梳理了核電用鋼的發(fā)展歷史和趨勢(shì)，指出核反應(yīng)堆壓力容器材料一般采用工程上已成熟的材料加以改進(jìn)得來(lái)。早期曾選用鍋爐用碳(C)-錳(Mn)鋼A212B(鍛件為A105)，后改用淬透性和高溫性能更好的Mn-Mo鋼A302B(鍛件為A336)。20世紀(jì)60年代中期，對(duì)A302B鋼添加鎳(Ni)，研發(fā)出淬透性和韌性更好的Mn-Mo-Ni鋼A533B(鍛材為A508-Ⅱ鋼)。A508-Ⅲ鋼在A508-Ⅱ鋼基礎(chǔ)上，通過(guò)降低硬化元素碳(C)、鉻(Cr)、鉬(Mo)含量以減小裂紋敏感性，提高錳(Mn)含量以保證強(qiáng)度和淬透性，優(yōu)化而來(lái)。目前普遍認(rèn)為A508-Ⅲ有較好的抗再熱裂紋性，是當(dāng)前大型壓水堆壓力容器的首選材料。

由于中子輻射會(huì)使反應(yīng)堆壓力容器用材料產(chǎn)生空位、孔洞、層錯(cuò)和位錯(cuò)環(huán)等晶體缺陷，使得材料的強(qiáng)度和硬度升高，韌性和塑性下降，從而導(dǎo)致部件可能發(fā)生脆性斷裂。因此，國(guó)內(nèi)外均把防止壓力容器鋼的輻照致脆斷裂作為研究的重點(diǎn)[3]。文獻(xiàn)[3]指出，評(píng)價(jià)壓力容器鋼脆化程度的方法有兩種：一種是韌脆轉(zhuǎn)變溫度法，即用RTNDT和FATT表示的無(wú)裂紋體的脆性斷裂和疲勞斷裂，常用于壓力容器的制造和正常服役階段；另一種是斷裂力學(xué)法，即用KIC表示的裂紋體的線彈性斷裂，僅在壽命末期或存在缺陷等特定情況下使用。

本文擬通過(guò)對(duì)核電裝備中反應(yīng)堆壓力容器主體材質(zhì)—SA508 Gr.3鋼，按ASME和ASTM的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行落錘和夏比沖擊試驗(yàn)，確定參考無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度（RTNDT），并根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)提供的公式考察其預(yù)測(cè)斷裂韌性，為提高核電用鋼的質(zhì)量控制、檢驗(yàn)檢測(cè)及失效評(píng)價(jià)提供試驗(yàn)參考依據(jù)。

1 ASME規(guī)范中關(guān)于參考無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度（RTNDT）的規(guī)定

ASME核電規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)第Ⅲ卷NB分冊(cè)（ASME BPVC.Ⅲ .1.NB-2015，NB2331[5]）規(guī)定，名義截面厚度大于16mm的容器承壓材料（不包括螺栓連接件）和同它焊接的材料、名義厚度大于64mm的管道承壓材料以及與其相連接的泵、閥門(mén)和配件等材料必須確定參考無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度RTNDT。其中，管道及其連接的泵、閥門(mén)和配件等材料最低使用溫度應(yīng)不低于RTNDT+56℃。具體方法如下：

1）通過(guò)落錘試驗(yàn)確定TNDT；

2）在不高于TNDT+33℃的某溫度下，進(jìn)行CV（夏比沖擊）試驗(yàn)，要求滿足沖擊吸收能量不小于68J，側(cè)膨脹量不小于0.89mm。允許按規(guī)定進(jìn)行復(fù)試。如果上述要求滿足，則TNDT=RTNDT。

3）如果2）中的條件不成立，則通過(guò)補(bǔ)充一組CV試驗(yàn)（三個(gè)試樣）來(lái)測(cè)定滿足2）中條件的TCV，此時(shí)RTNDT=TCV-33℃。由此，參考無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度RTNDT取TNDT和TCV-33℃兩者中的較高值。

4）若沒(méi)有在TNDT+33℃溫度下進(jìn)行CV試驗(yàn)，或在該溫度下進(jìn)行的CV試驗(yàn)的結(jié)果為沖擊吸收能量小于68J、側(cè)膨脹量小于0.89mm時(shí)，則利用試驗(yàn)所得最小數(shù)據(jù)，做出完整的CV試驗(yàn)曲線圖，再?gòu)那€中得到代表沖擊吸收能量不小于68J，側(cè)膨脹量不小于0.89mm的溫度值。RTNDT為該沖擊曲線獲得的溫度與TNDT之間的最高值。

2 試驗(yàn)概述

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為SA508 Gr.3鋼。試樣的化學(xué)成分見(jiàn)表1。主要合金元素中，錳（Mn）起強(qiáng)化基體、提高淬透性作用；鎳（Ni）保證鋼的低溫韌性；鉬（Mo）提高鋼的耐熱性和減少回火脆性，其他合金元素對(duì)材料性能的影響可參見(jiàn)文獻(xiàn)[6-7]。

試驗(yàn)材料熱處理方式為：正火+調(diào)質(zhì)。室溫下常規(guī)拉伸力學(xué)性能要求見(jiàn)表2。

表1 SA508 Gr.3鋼化學(xué)成分（Wt%）

表2 SA508 Gr.3鋼拉伸力學(xué)性能

2.2 試樣制備

通過(guò)落錘和夏比沖擊試驗(yàn)來(lái)確定RTNDT值，因此分別制備落錘試樣和沖擊試樣。

對(duì)于無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗(yàn)，依據(jù)ASTM E208-06[8]的規(guī)定，采用P-2型標(biāo)準(zhǔn)試樣，其尺寸為（19±1.0）mm×（50±1.0）mm×（130±10）mm。試樣保留一個(gè)原始表面，并在該原始表面用脆性焊條堆焊裂紋源焊道，長(zhǎng)度為（44.5±25）mm，焊接電流為180～200A，選用中等弧長(zhǎng)和中等焊速，并且要在焊道中間對(duì)焊縫進(jìn)行缺口處理。ASTM E208中并未對(duì)焊縫尺寸做出硬性要求，雖然在“裂紋源焊道”一條中給出焊縫長(zhǎng)度50mm，寬度12.7mm，但在注釋中進(jìn)一步指出“長(zhǎng)度不做要求，但要保證裂紋源缺口位于試樣中心，試驗(yàn)時(shí)要保證不接觸固定支撐”，而寬度上未給出尺寸誤差；高度上僅指出缺口底部與母材之間的距離為1.8～2.0mm，如圖1所示。

圖1 裂紋源焊道

堆焊時(shí)應(yīng)從焊道的任一端向另一端連續(xù)堆焊，且不應(yīng)有間斷。文獻(xiàn)[9]指出采用單焊道而棄用雙焊道，是因?yàn)閷?duì)于某些材料，雙焊道相當(dāng)于對(duì)熱影響區(qū)進(jìn)行回火，會(huì)明顯提高韌性，造成TNDT的降低。裂紋源焊道制備工藝參數(shù)見(jiàn)表3，保證起裂區(qū)域具有足夠的脆性，從而達(dá)到起裂的目的。落錘試樣8個(gè)為一組。

表3 裂紋源焊道制備工藝參數(shù)

對(duì)于夏比沖擊試驗(yàn)，依據(jù)ASTM E23-2012c[10]的規(guī)定，采用（10×10×55）mm V2型的標(biāo)準(zhǔn)試樣。制備過(guò)程中需保證缺口對(duì)稱面應(yīng)垂直于試樣縱向軸線。為避免混淆，對(duì)試樣進(jìn)行標(biāo)記，可在試樣的正方形端部打上印記標(biāo)號(hào)。夏比沖擊試樣3個(gè)為一組。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程和注意事項(xiàng)

進(jìn)行落錘試驗(yàn)前，應(yīng)檢查試驗(yàn)機(jī)，確認(rèn)砧座型號(hào)規(guī)格；確保溫度測(cè)控裝置的精度；放置試樣時(shí)，須使試樣中心線、砧座橫向中心線和錘頭軸線處于同一個(gè)垂直面內(nèi)；按規(guī)定的時(shí)間保溫試樣，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)釋放落錘。

試驗(yàn)過(guò)程中，合理地安排試驗(yàn)溫度和試驗(yàn)順序?qū)θ〉脺?zhǔn)確的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度至關(guān)重要[11]。試樣D-Ⅰ組取自鋼板表層，試樣D-Ⅱ組取自鋼板心部。首先選擇沖擊能量，根據(jù)試驗(yàn)用鋼的屈服強(qiáng)度選擇打擊能量400J。其次選擇試驗(yàn)溫度，需使用盡可能少的試樣確定試樣斷裂時(shí)的“較低溫度”和未斷裂時(shí)的“較高溫度”，然后在上述溫度范圍內(nèi)依次試驗(yàn)，直到找到試樣未斷裂時(shí)的“最高溫度”。首次試驗(yàn)溫度的選擇一般依經(jīng)驗(yàn)而定，后續(xù)試驗(yàn)溫度可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推薦進(jìn)行，間隔溫度為5～10℃。以D-Ⅰ組試驗(yàn)為例，首次試驗(yàn)溫度為-40℃，試樣斷裂；依次選擇-30℃（斷裂）、-10℃（兩個(gè)均未斷裂）、-20℃（兩個(gè)均未斷裂）、-25℃（兩個(gè)均未斷裂）進(jìn)行試驗(yàn)，最后確定TNDT為-30℃。

按照前文所述，確定TNDT后，在不高于TNDT+33℃的某溫度下，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試樣I-Ⅰ組取自鋼板表層，試樣I-Ⅱ組取自鋼板心部。以第I-Ⅰ組試驗(yàn)為例，-30℃+33℃=3℃，選擇 -2℃進(jìn)行試驗(yàn)，沖斷試樣后測(cè)定側(cè)向膨脹量。試驗(yàn)前應(yīng)檢查試驗(yàn)機(jī)完整性和零位置，對(duì)摩擦和空氣阻力損耗進(jìn)行修正；調(diào)節(jié)好試驗(yàn)要求溫度，按規(guī)定的時(shí)間保溫試樣，使用V型缺口自動(dòng)對(duì)中夾鉗將試樣轉(zhuǎn)移至砧座上，在規(guī)定時(shí)間完成沖擊試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果和判定

3.1 落錘試驗(yàn)結(jié)果

無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表4。ASTM E208規(guī)定，試樣受拉面一個(gè)或兩個(gè)棱邊斷裂，或者試樣的側(cè)面出現(xiàn)裂紋，判定為斷裂；裂紋源焊道形成的裂紋未擴(kuò)展到受拉面的棱邊，判定為未斷裂。同一溫度下兩個(gè)試樣，如有一個(gè)斷裂，則判定該溫度下試樣斷裂；如兩個(gè)均未斷裂，則判定該溫度下試樣未斷裂。斷裂時(shí)的最高溫度即為無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度。試驗(yàn)結(jié)果為D-Ⅰ組表層TNDT為-30℃，D- Ⅱ組心部TNDT為-20℃。

表4 SA508 Gr.3鋼表層和心部落錘試驗(yàn)結(jié)果

3.2 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。此外，針對(duì)I-Ⅰ組（表層）和I-Ⅱ組（心部）進(jìn)行了系列溫度沖擊試驗(yàn)，并測(cè)量側(cè)向膨脹量和斷口纖維率，結(jié)果見(jiàn)表5。綜合表4和表5的結(jié)果，可以判定Ⅰ組表層RTNDT=-30℃，Ⅱ組心部RTNDT=-20℃。

表5 SA508 Gr.3鋼表層和心部夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.3 斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度FATT的測(cè)定

50%FATT（Fracture Appearance Transition Temperature）反映了裂紋擴(kuò)展變化特征，可以定性地評(píng)定材料在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中吸收能量的能力。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，50%FATT與斷裂韌度KIC開(kāi)始急速增加的溫度有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[12]。按照上述系列溫度沖擊試驗(yàn)所得結(jié)果，測(cè)得SA508 Gr.3鋼表層部位FATT為-45℃，心部FATT為-40℃。

3.4 無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度與沖擊吸收功之間關(guān)系的討論

由系列溫度沖擊試驗(yàn)得出的KV2-T曲線圖和TNDT的相對(duì)位置見(jiàn)圖2。試驗(yàn)用材料SA508 Gr.3鋼表層與心部的TNDT均處于各自KV2-T曲線的中間轉(zhuǎn)變區(qū)。文獻(xiàn)[13]指出TNDT在KV2-T曲線中的位置是不固定的，但絕大多數(shù)鋼種TNDT所對(duì)應(yīng)的沖擊吸收功與最大沖擊吸收功的比值在0.3～0.7范圍內(nèi)，Ⅱ組（心部）試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到很好的印證，Ⅰ組（表層）試驗(yàn)數(shù)據(jù)雖在該范圍之外，但偏差不大。由于較為容易通過(guò)夏比V型系列溫度沖擊試驗(yàn)得出KV2-T曲線，因此可以大致推定TNDT所在范圍，對(duì)首次選擇落錘試驗(yàn)溫度有指導(dǎo)意義，可以節(jié)約時(shí)間，節(jié)省試樣，提高效率。

圖2 系列溫度沖擊吸收功KV2與TNDT的關(guān)系

4 斷裂韌性預(yù)測(cè)值

材料的斷裂韌性是評(píng)價(jià)容器、保證結(jié)構(gòu)完整性能的最關(guān)鍵的參數(shù)。眾所周知，材料的斷裂韌性是隨溫度變化的，材料使用或環(huán)境溫度降低，其斷裂韌性隨之下降[14]。2004年之前，ASME B & PV Code第Ⅲ卷附錄中采用KIR值表示材料斷裂韌性，以RTNDT的下包絡(luò)線KIR-(T-RTNDT)表示，見(jiàn)式（1），被認(rèn)為極為保守[14]。之后的修訂版[15]改為采用KIC-(T-RTNDT)曲線取代KIR-(T-RTNDT)曲線，見(jiàn)式（2）。此處依據(jù)前文Ⅰ組表層材料所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用式（1）、式（2）兩計(jì)算得出的斷裂韌性值見(jiàn)表6。

文獻(xiàn)[14]基于美國(guó)Oak Ridge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的斷裂韌性測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比分析指出KIC-(T-RTNDT)曲線只在T-RTNDT高于-60℃的情況下適用，而低于-60℃時(shí)，很多數(shù)據(jù)落在該曲線規(guī)定范圍之外，保守性不足。進(jìn)而提出修正公式（3），并認(rèn)為適用于承壓熱沖擊工況下的評(píng)定。同樣基于前文Ⅰ組表層材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用式（3）得出的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

式中：

T——試驗(yàn)溫度或容器壁工作溫度，℃；

RTNDT——參考無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，其值由沖擊試驗(yàn)和落錘試驗(yàn)測(cè)定，℃；

KIR——參考斷裂韌度，MPa·m1/2；

KIC——平面應(yīng)變斷裂韌度，MPa·m1/2。

表6 SA508 Gr.3鋼斷裂韌性預(yù)測(cè)結(jié)果

圖3示出的是由上述3個(gè)公式計(jì)算得出的數(shù)據(jù)繪制的曲線圖，從圖3中可以看出采用KIR值表示材料斷裂韌性曲線過(guò)于保守，其值偏低。修訂版中采用KIC值表示材料斷裂韌性曲線明顯優(yōu)于KIR曲線，其斷裂韌度極限值大幅提高。而文獻(xiàn)[14]提出的修正版KIC曲線在環(huán)境溫度或使用溫度低于0℃以下時(shí)與ASME之KIC曲線相差無(wú)幾，當(dāng)溫度高于0℃以后，數(shù)據(jù)差別逐漸拉大，進(jìn)一步提高了材料的使用極限。

圖3 幾種公式所得斷裂韌性曲線圖

5 結(jié)論

1）按照ASME Code的相關(guān)規(guī)定和ASTM的試驗(yàn)要求，對(duì)核電用材料SA508 Gr.3鋼測(cè)得其表層部位RTNDT=-30℃，心部部位RTNDT=-20℃。進(jìn)行了夏比V型缺口系列溫度沖擊試驗(yàn)，得出了KV2-T曲線圖，以及TNDT在該曲線圖中的相對(duì)位置。指出了KV2-T曲線圖對(duì)于進(jìn)行無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)的指導(dǎo)意義。

2）依據(jù)ASME第Ⅲ卷附錄和參考文獻(xiàn)中提供的預(yù)測(cè)斷裂韌度公式，基于本文所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以試驗(yàn)用材料表層部分為例，計(jì)算不同溫度下的斷裂韌度值，并進(jìn)行比較、繪制曲線圖。驗(yàn)證原版KIR曲線過(guò)于保守，修訂版KIC曲線大幅提高安全極值，而文獻(xiàn)給出的修正KIC曲線則在低于0℃時(shí)與修訂版KIC曲線差別不大，在高于0℃后逐漸拉大差距，提供了更高的安全裕度。

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