核電設(shè)備用SA738Gr.B復(fù)合鋼板的爆炸焊接試驗(yàn)研究

劉富國，馮 健，侯國亭

(1.洛陽雙瑞金屬復(fù)合材料有限公司，河南 洛陽 471800； 2.舞鋼神州重工金屬復(fù)合材料有限公司，河南 舞鋼 462500)

眾所周知，在眾多新能源中，核電無疑被認(rèn)為是環(huán)境透支最小的高效清潔能源。因此，在電力行業(yè)規(guī)劃中，特別強(qiáng)調(diào)了對(duì)核電等清潔能源的大規(guī)模投資。隨著我國近年核電工業(yè)的迅猛發(fā)展，核電設(shè)備行業(yè)將迎來巨大的市場(chǎng)空間。由于核電設(shè)備工作環(huán)境多為高溫、高壓、高輻射等，所以對(duì)核電設(shè)備用鋼的理化性能和耐蝕性能提出了更為嚴(yán)格的技術(shù)要求。

近年來，作為廣泛應(yīng)用于核電站設(shè)備壓力容器中的SA738Gr.B鋼板[1]，屬于高強(qiáng)核電容器鋼板，我國還依賴于進(jìn)口，因此我國科技人員針對(duì)SA738Gr.B鋼板進(jìn)行了開發(fā)研究，并取得了一定的科研城果。文獻(xiàn)[2]針對(duì)核電站用SA738Gr.B鋼板熱處理工藝進(jìn)行了研究，通過試驗(yàn)分析熱處理參數(shù)對(duì)鋼板顯微組織和力學(xué)性能的影響，提出了合理的淬火和回火工藝，從而實(shí)現(xiàn)了核電設(shè)備壓力容器用SA738Gr.B鋼板各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)的最優(yōu)化；文獻(xiàn)[3]對(duì)SA738Gr.B鋼板進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究，指出了經(jīng)模擬焊后熱處理的SA738Gr.B鋼板，沖擊韌性明顯下降的主要原因在于鋼中析出了含Cr合金碳化物，引起晶界弱化，提高了SA738Gr.B鋼板的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度；文獻(xiàn)[4]簡(jiǎn)要介紹了核電技術(shù)發(fā)展的歷程和核電壓力容器對(duì)材料的技術(shù)要求，對(duì)于我國研發(fā)SA738Gr.B鋼板的狀況，文章指出我國寶鋼于2006年研發(fā)出了核電站安全殼用SA738Gr.B鋼板，2007年底生產(chǎn)出了強(qiáng)度和沖擊韌性均滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的SA738Gr.B鋼板，并且所生產(chǎn)的這種鋼板已經(jīng)批量應(yīng)用于三門和海陽核電站設(shè)備中，這表明我國鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)SA738Gr.B鋼板方面已經(jīng)向前邁進(jìn)了一大步。但到目前為止，我國還未進(jìn)一步見到公開的用于核電設(shè)備壓力容器的SA738Gr.B復(fù)合鋼板的研發(fā)成果。因此，研究開發(fā)高性能的核島設(shè)備壓力容器用SA738Gr.B復(fù)合鋼板，對(duì)實(shí)現(xiàn)核電設(shè)備壓力容器關(guān)鍵部件國產(chǎn)化，打破國外市場(chǎng)壟斷具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)效益。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

基層材料選用SA738Gr.B鋼板，規(guī)格尺寸為52 mm×1 000 mm×3 000 mm；復(fù)層材料選用不銹鋼SA240 304L，規(guī)格尺寸為4 mm×1 060 mm×3 060 mm。選用的基層和復(fù)層材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1～表4所示。

表1 SA738Gr.B 鋼板化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 SA738Gr.B 鋼板的力學(xué)性能

表3 SA240 304L不銹鋼化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表4 SA240 304L不銹鋼板的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)工藝

不同于一般的焊接技術(shù)，爆炸焊接生產(chǎn)具有獨(dú)特的工藝參數(shù)和規(guī)定的流程，這些工藝參數(shù)包括材料參數(shù)、炸藥參數(shù)、安裝參數(shù)、界面參數(shù)等，其主要工藝流程順序?yàn)椋夯鶑?fù)材料檢驗(yàn)、待結(jié)合面除銹、爆炸焊接、無損檢測(cè)、熱處理、性能檢測(cè)、校平拋光、標(biāo)識(shí)包裝、入庫。

1.3 爆炸焊接參數(shù)

爆炸焊接參數(shù)中，影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要參數(shù)有炸藥爆速、復(fù)板下落速度、基復(fù)板間距、單位面積裝藥量，基復(fù)板力學(xué)性能等。以上參數(shù)中尤以炸藥的品種、數(shù)量、爆速最為重要，在其他參數(shù)一定的情況下，根據(jù)炸藥的品種、數(shù)量、爆速就可以判定任一金屬組合中實(shí)際的爆炸焊接性和相對(duì)的焊接強(qiáng)度[5]。

1.3.1 炸藥品種和爆速的選擇

目前，我國爆炸焊接行業(yè)普遍采用乳化炸藥進(jìn)行爆炸焊接作業(yè)，但此種炸藥對(duì)于大幅面和硬脆金屬材料來說爆速偏高，因此這種炸藥使用前需要添加一些惰性物質(zhì)如珍珠巖、食鹽等配制成低爆速炸藥。本試驗(yàn)采用的粉狀乳化炸藥，在炸藥爆速為3 400 m/s的基礎(chǔ)上添加主要成分為碳酸鈣的粒狀分散劑，配置成爆速為2 300 m/s左右的低爆速炸藥。配置的低爆速炸藥中，在炸藥厚度為35～45 mm時(shí)，炸藥質(zhì)量占比為0.52%，此厚度下的混配炸藥平均密度為1.25 g/cm3。

1.3.2 基復(fù)板間距的選擇

基復(fù)板間距是指復(fù)板和基板之間的距離。為了使復(fù)板獲得一定的碰撞速度，必須保證復(fù)板具有一定的加速距離。工程應(yīng)用中，確定基復(fù)板間距的經(jīng)驗(yàn)公式很多，例如有學(xué)者認(rèn)為，間距值一般是復(fù)板厚度的0.5～1.0倍；還有學(xué)者認(rèn)為間距值和復(fù)板材料的密度有關(guān)，當(dāng)復(fù)板材料的密度小于5、5～10、大于10 g/cm3時(shí)，間距值分別為復(fù)板厚度的1/2～2/3、1/2～1、2/3～2倍[6,11]。學(xué)者Stivers和Wittman給出了下面的經(jīng)驗(yàn)公式：

S=0.2(h1+h2)

(1)

式中：S為基復(fù)板間距；h1為復(fù)板厚度；h2為裝藥厚度。本試驗(yàn)中復(fù)板h1=4 mm，裝藥厚度預(yù)設(shè)值h2=35～38 mm，采用經(jīng)驗(yàn)公式(1)計(jì)算的基復(fù)板間距值S=7.8～8.4 mm，取平均值S=8 mm。

在已知炸藥爆速vd和基復(fù)板間距S的情況下，可利用炸藥爆速、基復(fù)板間距以及復(fù)板動(dòng)態(tài)彎折角之間的關(guān)系式[7]求出復(fù)板的動(dòng)態(tài)彎折角β值。

(2)

1.3.3 裝藥厚度的選擇

爆炸焊接生產(chǎn)中，炸藥品種和裝藥厚度的選擇，決定了作用于復(fù)板上的爆轟能量大小，同時(shí)也影響到了復(fù)板碰撞基板速度的大小。因此，裝藥厚度決定了爆炸焊接質(zhì)量的優(yōu)劣，正確選擇炸藥品種和裝藥厚度是爆炸焊接生產(chǎn)中一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)。

基復(fù)板平行安裝是爆炸焊接生產(chǎn)慣用的方法，在這種安裝方法下，炸藥的爆速vd=vc，根據(jù)復(fù)板碰撞基板速度簡(jiǎn)圖(見圖1)可知[8]：

(3)

圖1 復(fù)板碰撞Fig.1 Collide of clad plate

爆炸焊接一維平板運(yùn)動(dòng)近似解析關(guān)系方程式針對(duì)基復(fù)板平行安裝，使用硝銨類炸藥這一情況建立起來的經(jīng)驗(yàn)公式[9]：

(4)

式中:R為單位面積上的炸藥質(zhì)量和復(fù)板質(zhì)量之比，即裝藥質(zhì)量比。把vp=683.1 m/s；炸藥爆速vd=2 300 m/s帶入式(4)，可以求出本次試驗(yàn)的裝藥質(zhì)量比R=1.475。

本次試驗(yàn)采用的復(fù)層板厚h1=4 mm，密度ρ1=7.9 g/cm3，使用的混配炸藥密度ρ2=1.25 g/cm3。

由公式R=ρ2h2/ρ1h1可求出裝藥厚度約為h2=37.28 mm。

通過以上計(jì)算，并經(jīng)優(yōu)化，采用的靜態(tài)參數(shù)為：炸藥爆速vd=2 300 m/s；裝藥厚度h2=36～38 mm；基復(fù)板間距S=8 mm，使用優(yōu)化后的參數(shù)，采用角起爆的方式對(duì)試驗(yàn)板進(jìn)行了爆炸焊接，爆炸焊接前后的復(fù)合板狀態(tài)如圖 2～圖3所示。對(duì)爆炸焊接后的試驗(yàn)板進(jìn)行了UT探傷，未發(fā)現(xiàn)未復(fù)合缺陷存在。

圖2 爆炸焊接前Fig.2 Before explosive welding

圖3 爆炸焊接后Fig.3 After explosive welding

1.4 熱處理參數(shù)選擇

爆炸焊接金屬復(fù)合材料熱處理工藝參數(shù)的制定必須充分考慮兩種不同材料的理化性能，高溫下相互作用的特性，以及復(fù)層材料可能發(fā)生敏化的溫度區(qū)間。只有綜合考慮了以上因素后，才能制定出合理的且具有針對(duì)性的熱處理參數(shù)。

本試驗(yàn)基板為SA738Gr.B，交火熱處理狀態(tài)為淬火加回火，其中回火溫度為620 ℃；復(fù)板SA240 304L交火狀態(tài)為固溶。針對(duì)基板SA738Gr.B，文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了熱處理工藝研究，并得出了核電站用SA738Gr.B鋼板的最佳熱處理工藝方案，可使鋼板的強(qiáng)度韌性達(dá)到最佳匹配。文獻(xiàn)[10]針對(duì)壓力容器用大厚度爆炸焊接金屬復(fù)合板生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究，其中對(duì)復(fù)合板的熱處理工藝進(jìn)行了詳細(xì)的分析論證試驗(yàn)，得出了大厚度爆炸焊接金屬復(fù)合板的最佳熱處理工藝參數(shù)，并成功地運(yùn)用于工業(yè)化生產(chǎn)中。

在總結(jié)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參考上述已發(fā)表的相關(guān)技術(shù)資料和研究成果，考慮到復(fù)板SA 240 304L的敏化溫度范圍，決定采用熱處理狀態(tài)為正火加回火。正火溫度選擇為(920±10) ℃，保溫時(shí)間1.8 min/mm(100 min)，出爐水霧冷至室溫；回火溫度為(620±10) ℃，保溫時(shí)間為2.6 min/mm(145 min)，出爐空冷至室溫。制定的熱處理工藝參數(shù)如圖4～圖5所示。

圖4 正火曲線Fig.4 Normalizing curve

圖5 回火曲線Fig.5 Tempering curve

2 性能檢測(cè)與分析

2.1 性能檢測(cè)

對(duì)經(jīng)過正火加回火熱處理后的SA738Gr.B復(fù)合鋼板取樣進(jìn)行力學(xué)性能和晶間腐蝕(E法)試驗(yàn)，取樣位置位于端部1/4處。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)板SA240 304L晶間無敏化現(xiàn)象發(fā)生，彎曲面無裂紋出現(xiàn)；力學(xué)性能滿足NB/T 47002.1以及ASME SA 264標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,特別是復(fù)合板的界面剪切強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到386 MPa，大大高于NB/T 47002.1規(guī)定的210 MPa和ASME SA 264標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的140 MPa。SA738Gr.B復(fù)合鋼板的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果如表5所示，晶間腐蝕式樣結(jié)果如表6所示。

表5 SA738Gr.B 復(fù)合鋼板的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

本試驗(yàn)所采用的爆炸焊接基層材料為核電站用鋼板，復(fù)層材料為SA240 304L奧氏體不銹鋼板，在爆炸焊接炸藥選擇、安裝參數(shù)選用，以及在爆炸焊接后的熱處理工藝制定過程中，既要考慮核電用SA738Gr.B鋼板爆炸焊接前后的理化質(zhì)量穩(wěn)定性，又要兼顧復(fù)層不銹鋼板SA 240 304L的耐晶間腐蝕問題。因此，制定正確合理的爆炸焊接工藝參數(shù)，特別是熱處理工藝參數(shù)，對(duì)滿足核電設(shè)備用SA738Gr.B復(fù)合鋼板所要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)具有至關(guān)重要的作用。本試驗(yàn)通過理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，最終采用的爆炸焊接參數(shù)為：炸藥爆速vd=2 300 m/s；裝藥高度h=36～38 mm；基復(fù)板間距S=8 mm；選用的熱處理工藝參數(shù)為：正火溫度(920±10) ℃，保溫時(shí)間1.8 min/mm(100 min)，出爐水霧冷卻；回火溫度為(620±10) ℃，保溫時(shí)間為2.6 min/mm(145 min)，出爐空冷。用上述參數(shù)爆炸焊接的核電設(shè)備用SA738Gr.B復(fù)合鋼板，取樣進(jìn)行了晶間腐蝕和力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明復(fù)層奧氏體不銹鋼板SA240 304L(E法)晶間腐蝕試驗(yàn)合格，力學(xué)性能完全符合NB/T 47002.1和ASME SA 264標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)指標(biāo)，完全可以滿足核電設(shè)備壓力容器對(duì)SA738Gr.B復(fù)合鋼板的設(shè)計(jì)技術(shù)要求。因此可以說，本試驗(yàn)中爆炸焊接理論參數(shù)的計(jì)算和優(yōu)化，熱處理工藝和技術(shù)參數(shù)的選取等是合理的、正確的，是完全可以用于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)的。

3 結(jié)論

1)通過爆炸焊接試驗(yàn)可知，采用理論公式計(jì)算的爆炸焊接參數(shù)，經(jīng)優(yōu)化修正后可以直接應(yīng)用于SA738Gr.B金屬復(fù)合板的工業(yè)化爆炸焊接生產(chǎn)中。

2)對(duì)于爆炸焊接SA738Gr.B金屬復(fù)合板的熱處理工藝，本文采用的正火溫度(920±10) ℃、回火溫度(620±10) ℃的熱處理技術(shù)參數(shù)是正確合理的。

3)本試驗(yàn)所用的爆炸焊接計(jì)算公式和熱處理工藝參數(shù)也可以推廣應(yīng)用到其他核電設(shè)備用金屬材料如SA 533GrBCL2復(fù)合板的研發(fā)中。