大型核電高壓外缸力學(xué)性能的控制

馮周榮，馬進(jìn)，蘇志東

（共享鑄鋼有限公司寧夏銀川，寧夏 銀川 750021）

0 引言

隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展和電網(wǎng)峰谷差的日趨增大，以及國(guó)家能源政策的調(diào)整和環(huán)境保護(hù)的增強(qiáng)，大幅度開(kāi)發(fā)和利用核電等潔凈能源成為必然要求。根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)2005年10月發(fā)表的數(shù)據(jù)，核電年發(fā)電量占世界發(fā)電總量的17%，且這一比重還在增加。中國(guó)政府計(jì)劃到2020年核電裝機(jī)容量增加到4000萬(wàn)千瓦，每年的增長(zhǎng)量為200萬(wàn)千瓦。

我國(guó)大型核電企業(yè)通過(guò)30余年的不斷發(fā)展壯大，在核電科研、設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)和運(yùn)行上已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)的一些先進(jìn)的百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電技術(shù)，其安全指標(biāo)和技術(shù)性能都達(dá)到了國(guó)際三代核電技術(shù)的先進(jìn)水平，具有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，填補(bǔ)了中國(guó)國(guó)內(nèi)技術(shù)空白，而且以“一帶一路”建設(shè)為契機(jī)，大力推動(dòng)實(shí)施中國(guó)核電“走出去”的戰(zhàn)略。

本文將重點(diǎn)介紹為三代核電站常規(guī)島機(jī)組配套的高壓外缸鑄鋼件生產(chǎn)中，高力學(xué)性能的實(shí)現(xiàn)及其質(zhì)量控制要點(diǎn)。

1 產(chǎn)品情況介紹

核電高壓外缸鑄件材質(zhì)為ZG17Cr2Mo1，輪廓尺寸7483×4970×2560mm，鑄件上半毛重76t，下半毛重88t，最大壁厚621mm，最小壁厚30mm。其化學(xué)成分要求如表1。

表1 基本化學(xué)成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）

核電高壓外缸鑄件是在高溫高壓惡劣環(huán)境下進(jìn)行工作，因此對(duì)力學(xué)性能及內(nèi)部組織要求非常高。對(duì)鑄件的力學(xué)性能，顧客及第三方代表都要現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證性能檢測(cè)。其中常溫力學(xué)性能要求如表2。

表2 常溫力學(xué)性能要求

除了滿足以上常溫力學(xué)性能要求外，鑄件還要求同時(shí)滿足高溫拉伸力學(xué)性能和高溫短時(shí)持久力學(xué)性能，以評(píng)估材料及其鑄件在高溫使用過(guò)程中力學(xué)性能是否仍然滿足要求。具體標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表3、4要求。

表3 高溫拉伸力學(xué)性能要求

表4 高溫短時(shí)持久性能要求

從以上力學(xué)性能要求可以看出，本文所述的產(chǎn)品與同類材質(zhì)其它產(chǎn)品相比，鑄件屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了125MPa和105MPa；而本文所述產(chǎn)品輪廓尺寸大，噸位高，又屬于厚壁件，對(duì)這種壁厚大，噸位又高的鑄件，相對(duì)壁薄噸位小的鑄件強(qiáng)度的提高保證較困難。而為了產(chǎn)品后期在顧客處精加組焊后消應(yīng)力徹底，產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范要求在鑄鋼制造廠，鑄件回火溫度≥700℃，缺陷修補(bǔ)焊后的焊后溫度≥680℃。由于鑄件尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般來(lái)說(shuō)，缺陷返修焊后次數(shù)較多，再加上鑄件上有一些管件對(duì)接焊、不銹鋼層堆焊等，這些都需要在鑄鋼件制造廠進(jìn)行多次焊后熱處理，每次焊后熱處理，產(chǎn)品力學(xué)性能尤其是強(qiáng)度容易下降導(dǎo)致不合，高溫持久難以保障；如何保證鑄件的常溫、高溫力學(xué)性能在最終焊后熱處理后符合要求且保持較好的水平，本文將重點(diǎn)介紹[1]。

2 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

鑄鋼件的化學(xué)成分設(shè)計(jì)和熱處理工藝選擇是保證產(chǎn)品力學(xué)性能的最核心的兩大要素。在顧客給定的材質(zhì)牌號(hào)及其化學(xué)成分條件下，作為鑄件生產(chǎn)制造廠，仍需要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，深入研究設(shè)計(jì)出內(nèi)部可控的成分范圍和目標(biāo)值，以滿足常溫和高溫力學(xué)性能要求以及有相對(duì)優(yōu)良的焊接性鑄造性。

本文所述產(chǎn)品材質(zhì)ZG17Cr2Mo1的主要元素標(biāo)準(zhǔn)要求相對(duì)比較寬，C：0.13%-0.2%、Si≤0.6%、Mn：0.5%-0.9%、P≤0.20%、S≤0.2%、Cr：2.0%-2.5%、Ni≤0.5%、Mo：0.9%-1.2%、Cu≤0.3%。按照以上標(biāo)準(zhǔn)下限和上限分別計(jì)算碳當(dāng)量Ceq=0.79-1.09，范圍還是比較寬泛的。因?yàn)镃對(duì)強(qiáng)度的提高貢獻(xiàn)率較大，在一定的C含量范圍內(nèi)，C含量與硬度成線性關(guān)系[1]。Si溶入鐵素體可以起固溶強(qiáng)化的作用，可使鋼的強(qiáng)度和硬度增加。Cr、Mo也能提高強(qiáng)度[2]。為便于統(tǒng)計(jì)分析，引入碳當(dāng)量來(lái)統(tǒng)計(jì)分析且進(jìn)行日常成分控制。通過(guò)Mintab對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出此類材質(zhì)碳當(dāng)量Ceq與強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及不同成分對(duì)應(yīng)的可焊性的影響，最終確定了碳當(dāng)量Ceq目標(biāo)范圍為0.89-1.0，再結(jié)合顧客要求的成分范圍，最終確定出了合適的嚴(yán)格的內(nèi)控成分范圍[2]。具體見(jiàn)下表5：

表5 核電高壓外缸內(nèi)控成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%）

其中Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%）；

3 性能熱處理工藝設(shè)計(jì)及過(guò)程控制

因?yàn)殍T件噸位較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故結(jié)合材質(zhì)規(guī)范以及實(shí)際生產(chǎn)能力和條件，確定鑄件熱處理工藝按照“正火+回火”的工藝類型執(zhí)行。根據(jù)類似材質(zhì)的性能統(tǒng)計(jì)分析，此材質(zhì)的性能實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于鑄件的強(qiáng)度。

對(duì)這種核電大缸，因其體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚比變化大，如采用淬火冷卻，則在吊運(yùn)設(shè)備、淬火設(shè)備及人員操作方面有很大的難度，且鑄件的變形、開(kāi)裂方面不好控制，故優(yōu)先選擇風(fēng)冷的方式。因此，鑄件的熱處理方式即為高溫正火風(fēng)冷加回火。

在材料一定的情況下，鑄件的性能取決于鑄件的組織，而鑄件的組織又和熱處理工藝有關(guān)。核電大缸的材質(zhì)為鉻鉬系列的低碳合金鋼鋼，組織要求為回火貝氏體+小于20%鐵素體。因此，在質(zhì)量熱處理即正火時(shí)必須采取滿足組織要求的冷速。根據(jù)此材料CCT曲線可以看出，正火冷速越快，鐵素體含量越低，相對(duì)硬度越高即強(qiáng)度越高[3]。鑄件正火常用溫度920～960℃，根據(jù)測(cè)算，需要大缸正火冷速達(dá)到1h內(nèi)冷到500℃，即風(fēng)冷冷速450℃/h以上為佳。采用7.5KW軸流風(fēng)機(jī)圍著鑄件一圈，每臺(tái)風(fēng)量48000m3/h，實(shí)際最低冷速約為300℃/h，采用11KW軸流風(fēng)機(jī)圍著鑄件一圈，每臺(tái)風(fēng)量68000m3/h，實(shí)際最低冷速約為450℃/h。因此，這種核電大缸正火風(fēng)冷，至少采用11KW以上軸流風(fēng)機(jī)，必要時(shí)，鑄件厚大部位可以采用水霧冷。

另外，鑄件正火保溫時(shí)間和回火保溫時(shí)間根據(jù)核電高壓缸鑄件最大壁厚，按1h/25mm進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。可保證鑄件正火高溫奧氏體化時(shí)，組織完全均勻化，各種碳化物及鑄態(tài)組織、枝晶完全溶解擴(kuò)散，在隨后的強(qiáng)風(fēng)冷卻過(guò)程中形成均勻的貝氏體組織，經(jīng)隨后充分的高溫回火，使基體組織中的第二相得到適當(dāng)?shù)奈龀?，基體組織塑韌性適當(dāng)提高，鑄件應(yīng)力得到徹底的消除。具體正回火工藝曲線見(jiàn)下圖：

圖1 試塊性能熱處理試驗(yàn)工藝

根據(jù)以上工藝處理鑄件，對(duì)附鑄試塊進(jìn)行加工試樣，檢測(cè)力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表6。各項(xiàng)常溫力學(xué)性能指標(biāo)均滿足顧客標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明工藝參數(shù)可行。

表6 鑄件正回火后常溫力學(xué)性能

金相組織主要為均勻分布的回火貝氏體組織，組織中鐵素體含量很少，符合該材質(zhì)性能熱處理后的顯微組織特征。反映出熱處理各項(xiàng)參數(shù)尤其是正火冷卻速度均滿足該材料的力學(xué)性能需求。具體金相組織照片如圖2所示。

圖2 正回火后金相組織

4 焊后熱處理工藝設(shè)計(jì)及過(guò)程控制

本文所述鑄件產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范中要求最終一次焊后熱處理的焊后保溫溫度必須是680±10℃。但此材質(zhì)按焊后保溫溫度680℃，保溫時(shí)間18h（按鑄件最大壁厚mm×1h/25mm進(jìn)行計(jì)算）進(jìn)行三次焊后熱處理后，強(qiáng)度下降明顯，基本低于顧客要求下限，且高溫短時(shí)持久性能易惡化。根據(jù)組織轉(zhuǎn)變理論及實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證檢測(cè)分析，在和回火溫度相接近的幾次高溫焊后后，鑄件基體組織中固溶的第二相會(huì)進(jìn)一步析出長(zhǎng)大，尤其是晶界上，導(dǎo)致固溶強(qiáng)化效果減弱，強(qiáng)度硬度降低，甚至塑韌性會(huì)有少量的降低，高溫性能也會(huì)惡化。故需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鑄件的實(shí)際質(zhì)量狀況和質(zhì)量生產(chǎn)流程需要，通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)流程，控制焊接質(zhì)量等盡可能減少鑄件做焊后的次數(shù)，最終確定焊后熱處理試驗(yàn)方案按照三次消應(yīng)力設(shè)計(jì)，且三次焊后熱處理保溫溫度分別是660℃/660℃/680℃，即首次、二次焊后采用相對(duì)較低的焊后溫度660±10℃，主要達(dá)到消除焊接應(yīng)力之目的即可，又對(duì)性能無(wú)明顯降低。最終一次所有缺陷及堆焊層及管件焊接完畢，再按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的焊后溫度680±10℃去執(zhí)行。這樣既保證了鑄件常溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能沒(méi)有明顯下降，又滿足鑄件包括焊接區(qū)的應(yīng)力消除和焊接區(qū)硬度降低[4-5]。

表6 鑄件分別經(jīng)過(guò)660℃/660℃/680℃焊后熱處理后常溫力學(xué)性能

對(duì)鑄件經(jīng)過(guò)660℃/660℃/680℃三次焊后熱處理后的試塊,進(jìn)行500℃和550℃的高溫拉伸試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。具體檢測(cè)值見(jiàn)表7。

表7 高溫拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)鑄件經(jīng)過(guò)660℃/660℃/680℃三次焊后熱處理后的試塊,進(jìn)行高溫短時(shí)持久試驗(yàn)，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果也符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 高溫持久力學(xué)性能試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

從以上常溫和高溫力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果可以看出，核電外缸材料經(jīng)過(guò)920-960℃正火強(qiáng)風(fēng)水霧冷+690-720℃回火，并經(jīng)660℃/660℃/680℃三次焊后消應(yīng)力處理后，各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

在滿足顧客要求的成分范圍內(nèi)，通過(guò)內(nèi)控設(shè)計(jì)控制核電外缸碳當(dāng)量Ceq=0.89-1.0，最終設(shè)計(jì)出了滿足高強(qiáng)度核電外缸的內(nèi)控成分。性能熱處理正火時(shí)外缸內(nèi)腔超上裝爐采用強(qiáng)風(fēng)冷卻加水霧冷卻的方式，滿足大型厚壁鑄鋼件獲得高性能的冷卻需求。并針對(duì)鑄件多次焊后熱處理采用前低后高即660℃/660℃/680℃保溫的焊后熱處理方式，保證了核電大缸鑄件最終各項(xiàng)力學(xué)性能仍滿足技術(shù)要求，從而實(shí)現(xiàn)了鑄件批量穩(wěn)定生產(chǎn)。