AP1000環(huán)行起重機(jī)吊鉤材料國(guó)產(chǎn)化試驗(yàn)研究

張生磊 高秀芬 武晉偉

太原重工股份有限公司 太原 030024

0 引言

AP1000核電技術(shù)是國(guó)外較先進(jìn)的三代核電技術(shù)，通過引進(jìn)吸收國(guó)外的先進(jìn)核電技術(shù)，研究試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，有助于國(guó)內(nèi)核電技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。因此，有必要對(duì)AP1000核電技術(shù)進(jìn)行研究，尤其是關(guān)鍵材料的國(guó)產(chǎn)化。低合金結(jié)構(gòu)鋼是三代環(huán)行起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱環(huán)吊）關(guān)鍵受力部件采用的主要材料，研究中外低合金鋼材料的差異，選出一種國(guó)內(nèi)替代材料尤為必要。

本文依托某核電站環(huán)吊項(xiàng)目，選用吊鉤作為關(guān)鍵受力零件，對(duì)吊鉤材料從化學(xué)成分和力學(xué)性能2個(gè)方面進(jìn)行分析、比較，以保證選用的替代材料達(dá)到使用要求。

1 吊鉤使用工況和性能

吊鉤裝置是起重機(jī)上應(yīng)用最廣泛的取物裝置，除承受吊重外，還承受起升制動(dòng)時(shí)的沖擊載荷。吊鉤是吊鉤滑輪組上最重要零件之一，需承受拉伸、彎曲以及沖擊載荷，因此，要求吊鉤具有較高強(qiáng)度、硬度、足夠的韌性、抗變形性能。

2 吊鉤材料的分析

AP1000環(huán)吊吊鉤選用的材料為ASTM A668，CL.H.4340/45（以下簡(jiǎn)稱4340），該材料屬于高強(qiáng)度合金鋼，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和資料，該材料的化學(xué)成分和經(jīng)過熱處理后的力學(xué)性能如表1、表2所示。根據(jù)GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》，4340對(duì)應(yīng)的國(guó)產(chǎn)材料為40CrNi2Mo，但我國(guó)吊鉤標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10051.1—2010《起重吊鉤 第1部分：力學(xué)性能、起重量、應(yīng)力及材料》表3的推薦使用材料中，40CrNi2Mo一般不用作吊鉤材料，考慮到工藝和成本等多方面因素，通過對(duì)比吊鉤組的工作級(jí)別和外形尺寸，經(jīng)過計(jì)算，選用與40CrNi2Mo成分相近的國(guó)產(chǎn)材料34Cr2Ni2Mo。其成分及性能如表1、表2所示。

表1 2種材料化學(xué)成分對(duì)比

表2 2種材料調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能對(duì)比

從表格1數(shù)據(jù)可以看出，34Cr2Ni2Mo的C、Ni元素含量略低于美標(biāo)材料4340，Cr元素含量高于美標(biāo)材料4340，其他元素含量與4340相近。從表2數(shù)據(jù)可以看出，34Cr2Ni2Mo力學(xué)性能的各項(xiàng)指標(biāo)與4340相比，強(qiáng)度和塑性與國(guó)外材料4340接近，在韌性方面優(yōu)于國(guó)外材料4340。

3 吊鉤材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》適用要求，表2數(shù)據(jù)（材料40CrNi2Mo和34Cr2Ni2Mo）為≤φ80 mm高強(qiáng)度合金鋼棒材力學(xué)性能數(shù)據(jù)，不適合作為鍛件驗(yàn)收要求。為了便于分析比較，取2種材料制作相同規(guī)格鍛件取軸向試棒做試驗(yàn)，經(jīng)過粗加工、熱處理、半精加工、探傷等工序后取試樣做化學(xué)成分和力學(xué)性能試驗(yàn)（參照GB/T 10051.1—2010《起重吊鉤 第1部分：力學(xué)性能、起重量、應(yīng)力及材料》、GB/T 10051.2—2010《起重吊鉤 第2部分：鍛造吊鉤技術(shù)條件》要求進(jìn)行驗(yàn)收），試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3 化學(xué)成分試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：鍛件試樣在目測(cè)、探傷合格的情況下，試棒試驗(yàn)數(shù)據(jù)完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，從報(bào)告的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在硬度接近的情況下34Cr2Ni2Mo在抗拉強(qiáng)度、沖擊功方面與4340相近，屈服強(qiáng)度略低于4340，在塑性和韌性方面優(yōu)于4340，綜合力學(xué)性能與4340接近。

4 34Cr2Ni2Mo吊鉤試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)JB/T 6396—2006 《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求，工件的截面尺寸對(duì)鍛件性能影響較大。為了更好地驗(yàn)證該材料的性能和廠內(nèi)熱加工能力，進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。采用34Cr2Ni2Mo制作了吊鉤模型，該吊鉤模型是吊鉤熱處理狀態(tài)的毛坯件，輪廓尺寸與AP1000環(huán)吊雙鉤體尺寸基本接近，具體對(duì)比如圖1所示。經(jīng)過鍛造、熱處理、粗加工、調(diào)質(zhì)、半精加工、探傷、在鉤柄處取樣等工序并進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5、表6所示。

表5 34Cr2Ni2Mo材料化學(xué)成分和試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 34Cr2Ni2Mo材料力學(xué)性能和試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 吊鉤及吊鉤模型示意圖

從表5數(shù)據(jù)可以看出，34Cr2Ni2Mo化學(xué)成分比較接近4340，綜合力學(xué)性能也與4340接近，同時(shí)吊鉤的力學(xué)性可以滿足吊鉤標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 10051.1—2010《起重吊鉤 第1部分：力學(xué)性能、起重量、應(yīng)力及材料》表1）的最高強(qiáng)度等級(jí)（V級(jí)）要求。

5 載荷驗(yàn)證試驗(yàn)

為了更好地驗(yàn)證吊鉤的承載能力，本項(xiàng)目按照ASME B30.10-2019《吊鉤》相關(guān)要求編制了雙倍載荷試驗(yàn)方案，在拉力試驗(yàn)機(jī)上對(duì)雙鉤（由吊鉤模型精加工成雙鉤體）進(jìn)行雙倍載荷試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方法為：載荷試驗(yàn)在拉力試驗(yàn)機(jī)上完成，載荷試驗(yàn)方案如圖2所示；試驗(yàn)過程逐步加載，分別加載到額定載荷的50%、80%、100%、132%、169%，每階段穩(wěn)定后保持5 min，無異常后緩慢加載到額定載荷200%，保持30 s后逐步卸載；在試驗(yàn)前、后分別對(duì)吊鉤鉤口（包括中間銷孔）尺寸進(jìn)行測(cè)量，對(duì)吊鉤表面進(jìn)行無損檢測(cè)，判斷是否有變化。判斷標(biāo)準(zhǔn)為：尺寸變化值不超過原尺寸1%；表面無裂紋；外形無變化，吊鉤檢查尺寸如圖3所示。試驗(yàn)要求靜載荷544 t，靜載時(shí)間30 s，實(shí)際試驗(yàn)與要求相符，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

圖2 吊鉤載荷試驗(yàn)示意圖

圖3 試驗(yàn)檢查尺寸

由表7可知，對(duì)比載荷試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)，無明顯變化，吊鉤表面未發(fā)現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)結(jié)果完全滿足標(biāo)準(zhǔn)（ASME B30.10-2019《吊鉤》）要求。

6 結(jié)論

34Cr2Ni2Mo是吊鉤推薦使用材料，常用于強(qiáng)度等級(jí)較高的吊鉤，這種材料常用作核電站起重機(jī)、水電站大型橋式起重機(jī)等產(chǎn)品的吊鉤材料。經(jīng)過多年的試驗(yàn)驗(yàn)證，已投入使用的環(huán)吊在負(fù)載運(yùn)行試驗(yàn)中使用性能良好，使用后檢查結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且大部分環(huán)吊已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載工作多年，未見異常。試驗(yàn)證明：34Cr2Ni2Mo作為國(guó)產(chǎn)材料完全可以替代4340材料。AP1000環(huán)吊吊鉤材料的國(guó)產(chǎn)化，既降低了成本，又縮短了生產(chǎn)周期，為環(huán)吊設(shè)計(jì)制造國(guó)產(chǎn)化提供了試驗(yàn)依據(jù)。