蒸汽發(fā)生器焊接試板抗拉強度不合格原因分析

李亞菲 連占衛(wèi) 李家駒

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

核電蒸汽發(fā)生器是核電站最為關(guān)鍵的主設(shè)備之一。蒸汽發(fā)生器直接與反應(yīng)堆壓力容器相連，不僅影響核電站的發(fā)電效率，還有防止放射性裂變產(chǎn)物溢出的作用。蒸汽發(fā)生器能否安全、可靠地運行，對整個核動力裝置的經(jīng)濟性和安全性有重要影響。蒸汽發(fā)生器制造過程中，需要進行大量的焊接工作，因此焊縫質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的安全性[1]。由于無法通過破壞性試驗來檢驗產(chǎn)品焊縫質(zhì)量，目前核電設(shè)備在制造生產(chǎn)過程中，往往根據(jù)實際焊縫種類，制備相應(yīng)的產(chǎn)品焊接試板，而后對焊接試板進行必要的物理、化學(xué)和力學(xué)試驗來作為相應(yīng)產(chǎn)品焊縫質(zhì)量的證明。

我公司承制的某核電項目蒸汽發(fā)生器焊接試板，在性能熱處理后進行力學(xué)性能檢驗時，發(fā)現(xiàn)其室溫抗拉強度不滿足技術(shù)條件要求。文章分析了不合格原因，提出了預(yù)防措施，以期為將來的生產(chǎn)及研究工作提供參考與借鑒。

1 材料與力學(xué)性能要求

核電蒸汽發(fā)生器焊接試板材質(zhì)是18MND5，屬于低碳低合金鋼，主要化學(xué)成分如表1所示。生產(chǎn)流程為：冶煉→鍛造→鍛后熱處理(正火+回火)→粗加工→無損檢測→性能熱處理(調(diào)質(zhì))→取樣檢驗→精加工→無損檢測。取樣方式為T×T4(T為鍛件熱處理厚度)。技術(shù)條件中對于該焊接試板力學(xué)性能的要求見表2。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition(mass fraction,%)

表2 力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirements

表3 力學(xué)性能檢驗結(jié)果Table 3 Test results of mechanical properties

2 性能熱處理及力學(xué)性能結(jié)果

該焊接試板性能熱處理前的粗加工尺寸約為200 mm×700 mm×1900 mm。調(diào)質(zhì)工藝為：880～900℃保溫7～9 h，冷卻方式為水冷，635～650℃回火保溫7～9 h。性能熱處理之后進行拉伸試驗，檢驗結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，該件的室溫抗拉強度低于技術(shù)條件要求值。

圖1 拉伸試樣斷口形貌Figure 1 Fracture morphology of tensile specimen

圖2 夾雜物能譜圖Figure 2 Inclusion energy spectrum

3 斷口分析

為了分析該焊接試板室溫抗拉強度不合格的原因，對拉伸試樣的斷口形貌進行了掃描分析，斷口形貌如圖1所示。從圖1(a)可以看出，箭頭所指的1處成為了斷裂的裂紋源，斷裂由1處向外輻射。1處尺寸約807.32 μm。從圖1(c)看出，斷口形貌以韌窩為主，為韌性斷裂。韌窩底部有夾雜物存在，夾雜物呈矩形或不規(guī)則的形狀，帶角，單個夾雜物尺寸在3.2～15.1 μm。對圖1(c)中箭頭所指的2處和3處夾雜物進行能譜分析，分析結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，2處夾雜物主要元素為鋁和氧，斷定此處為氧化鋁夾雜物；3處夾雜物主要元素為鋁、氧和鎂，斷定為氧化鋁和氧化鎂的復(fù)合夾雜物。

康大韜等[2]指出，非金屬夾雜物破壞了基體金屬的連續(xù)性，造成鋼的組織不均勻性，在拉伸試驗時，易沿夾雜物產(chǎn)生裂紋，惡化了鍛件的力學(xué)性能；同樣地，張立峰[3]亦在書中指出，氧化鋁等夾雜物屬于脆性夾雜物，不易變形，在拉伸過程中難以隨基體進行塑性變形，兩者在變形程度上的差別使得在夾雜物與鋼基體交界處形成裂紋源，危害鋼的力學(xué)性能。由此可以斷定鋼中的氧化物夾雜是導(dǎo)致該焊接試板室溫抗拉強度低于技術(shù)條件要求值的主要原因。

4 改進措施

鋼中的氧化鋁夾雜主要來自于以下兩個方面：精煉過程中，采用鋁脫氧，脫氧產(chǎn)物氧化鋁在鋼水中未及時上浮而殘留于鋼中；另一方面，出鋼和澆注過程中，鋼中的鋁元素發(fā)生二次氧化，氧化產(chǎn)物隨鋼水注入錠模內(nèi)，存留于鍛件內(nèi)[4]。鋼中的氧化鎂夾雜則是耐火材料被侵蝕而混入鋼液造成的[2]。

為了避免夾雜物引起性能不合格的情況再次出現(xiàn)，建議采取以下改進措施：(1)煉鋼時，加強鋼潔凈度的控制。強化真空處理，減少鋼水氧含量；選擇合適的精煉渣組分，提高渣對夾雜物的吸附能力；保證軟吹時長和合適強度，保證夾雜物充分上浮和去除[5]；控制出鋼時間，加強澆注系統(tǒng)保護，防止鋼水二次氧化；選用穩(wěn)定的耐高溫的耐火材料等。(2)鍛造時，應(yīng)保證足夠的水冒口切除率，盡可能地去除鋼錠中的夾雜物聚集部位，保證鋼錠質(zhì)量。

5 結(jié)論

(1)蒸汽發(fā)生器焊接試板室溫抗拉強度不合格主要是鋼中存在氧化鋁等夾雜物引起的。

(2)氧化鋁等夾雜物破壞了基體金屬的連續(xù)性，在拉伸過程中夾雜物難以隨基體進行塑性變形，使得在夾雜物與鋼基體交界處形成裂紋源，危害鋼的力學(xué)性能。

(3)為了減少鋼中的非金屬夾雜物，應(yīng)加強鋼潔凈度的控制。加強鋼水保護，強化真空處理，減少鋼水氧含量，選擇合適的精煉渣組分，保證軟吹時長和合適強度，控制出鋼時間，加強澆注系統(tǒng)保護，選用穩(wěn)定的耐高溫的耐火材料等。