三代先進(jìn)非能動(dòng)型主泵電機(jī)碳鋼機(jī)座材料國(guó)產(chǎn)化研究

戚彩夢(mèng),李雅范,鄭吉偉，張　鵬，秦　斌

(1. 哈爾濱大電機(jī)研究所， 黑龍江哈爾濱　150040；

2. 哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司， 黑龍江哈爾濱　150046)

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三代先進(jìn)非能動(dòng)型主泵電機(jī)碳鋼機(jī)座材料國(guó)產(chǎn)化研究

戚彩夢(mèng)1,李雅范2,鄭吉偉2，張鵬2，秦斌2

(1. 哈爾濱大電機(jī)研究所， 黑龍江哈爾濱150040；

2. 哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司， 黑龍江哈爾濱150046)

摘要：評(píng)價(jià)三代先進(jìn)非能動(dòng)型主泵電機(jī)碳鋼機(jī)座材料斷裂韌性的指標(biāo)，即無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度要求極高，成為SA 508M Gr.1材料國(guó)產(chǎn)化的重點(diǎn)及難點(diǎn)。文章圍繞此難點(diǎn)進(jìn)行了基礎(chǔ)研究摸索工藝參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行了等比例模擬件試制，并針對(duì)試制結(jié)果進(jìn)行了分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為三代先進(jìn)非能動(dòng)型主泵電機(jī)碳鋼機(jī)座材料國(guó)產(chǎn)化成功奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：RTNDT；斷裂韌性；淬透性；承壓邊界

0引言

三代先進(jìn)非能動(dòng)型核電機(jī)組是國(guó)家主推的核電機(jī)組，其反應(yīng)堆冷卻劑泵是機(jī)組中唯一的能動(dòng)型設(shè)備，是整個(gè)核電站的心臟。該主泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為屏蔽電機(jī)，它與軸封主泵電機(jī)最大的區(qū)別是電機(jī)內(nèi)腔與一回路相通，冷卻劑在其內(nèi)腔流動(dòng)，因此該屏蔽電機(jī)為核島內(nèi)的安全一級(jí)設(shè)備，其上的很多部件均屬于承壓邊界部件，定子機(jī)座就是最大的承壓邊界部件。機(jī)座是定子內(nèi)其他部件的載體和保護(hù)殼，承受鐵心傳遞來(lái)的壓力，同時(shí)是冷卻鐵心的導(dǎo)體，其作用十分重要。機(jī)座由主法蘭、機(jī)殼和下法蘭組焊而成，其中主法蘭和機(jī)殼為碳鋼材料，該材料的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為ASME法規(guī)，因此計(jì)算要符合ASME法規(guī)第Ⅲ卷第1篇NB分卷NB-3000章的要求，而制造要符合第Ⅱ卷A篇及NB分卷NB-2000章的相應(yīng)要求。在該材料的諸多要求中無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度要求極嚴(yán)，這給材料制造帶來(lái)挑戰(zhàn)。本文細(xì)致解讀無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度指標(biāo)來(lái)源，同時(shí)介紹材料國(guó)產(chǎn)化情況，分析未達(dá)到無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度要求的原因，并給出改進(jìn)建議。

1指標(biāo)來(lái)源

根據(jù)NB-3000章NB-3210的規(guī)定，為防止材料脆性斷裂[1]，部件材料應(yīng)滿足以下要求之一：

a) 按照ASME法規(guī)第Ⅲ卷附錄G內(nèi)規(guī)定的類(lèi)似方法對(duì)服役及試驗(yàn)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)。

b) 對(duì)于厚度大于64 mm的管、泵及閥類(lèi)材料，其最低服役溫度不得低于RTNDT+100℉(56℃)。

c) 對(duì)于厚度不大于64 mm的管、泵及閥類(lèi)材料，在設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的最低服役溫度或更低溫度下應(yīng)滿足NB-2332(a)的要求。

主法蘭及機(jī)殼鍛件選材為SA 508 Gr.1，其作為ASME法規(guī)承壓邊界一級(jí)部件，材料分析計(jì)算也應(yīng)符合上述要求。這兩種鍛件的厚度均超過(guò)了64 mm，因此只需要符合上述a)、b)兩項(xiàng)之一即可。當(dāng)b)項(xiàng)作為考核鍛件韌性要求的準(zhǔn)則時(shí)，且設(shè)備環(huán)境溫度最低為10℃時(shí)，可知材料RTNDT不能高于-46℃才能滿足設(shè)計(jì)要求。

2試制

根據(jù)NB 2331的規(guī)定，要滿足RTNDT不高于-46℃的要求，材料的TNDT不能高于-46℃。根據(jù)以往核電近似材料的制造經(jīng)驗(yàn)判斷，SA 508 Gr.1鍛件材料欲滿足該要求不容易，它將成為材料研制的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

研制分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，然后制造小鋼錠并鍛造試樣，最后利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)以不同的冷卻速率對(duì)試樣進(jìn)行淬火處理，回火及模擬焊后熱處理后進(jìn)行性能驗(yàn)證。第二階段采用優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行全尺寸模擬件制造，并檢驗(yàn)性能以驗(yàn)證工藝參數(shù)的可實(shí)現(xiàn)性。

材料成分設(shè)計(jì)以SA 508 Gr.1為基礎(chǔ)進(jìn)行，在滿足標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，縮小碳含量范圍使其滿足力學(xué)性能同時(shí)又具有高的可焊性，同時(shí)降低磷、硫含量以提高材料塑韌性，最終優(yōu)化結(jié)果碳含量控制在0.18%～0.23%范圍內(nèi)，磷及硫含量控制在0.010%以下，化學(xué)成分具體要求見(jiàn)表1。

表1　化學(xué)成分

鍛造時(shí)使50 kg真空感應(yīng)冶煉的小鋼錠充分變形，性能熱處理時(shí)在熱模擬試驗(yàn)機(jī)以不同的冷卻速率下進(jìn)行淬火，然后在不同的回火溫度下回火，最終按產(chǎn)品要求在580℃進(jìn)行模擬焊后熱處理30 h。力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果表明以50℃/h冷卻速率淬火樣能夠滿足要求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　試驗(yàn)結(jié)果

第二階段的全尺模擬件采用第一階段獲得的優(yōu)化工藝參數(shù)制造。熔煉工藝采用電弧爐初煉加鋼包精煉，最后真空澆注鋼錠，以此來(lái)降低鋼中硫、磷雜質(zhì)含量及氫、氧氣體含量。鍛造過(guò)程中鋼錠切頭切尾量達(dá)35%，以保證無(wú)偏析及其他有害缺陷。鍛后進(jìn)行正火熱處理細(xì)化晶粒，消應(yīng)，同時(shí)為后續(xù)調(diào)質(zhì)做好組織準(zhǔn)備。性能熱處理淬火時(shí)對(duì)冷卻水進(jìn)行制冷處理，使冷卻水達(dá)到低于常溫的溫度，約15℃左右，同時(shí)冷卻水槽采取大水量循環(huán)加強(qiáng)冷卻能力，以提高鍛件的冷卻速度。力學(xué)性能檢驗(yàn)取樣按ASME SA 508M及NB-2223的要求進(jìn)行，試樣經(jīng)模擬焊后熱處理后進(jìn)行性能檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　檢驗(yàn)結(jié)果

3分析

小試樣及全尺寸模擬件性能檢驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)利用小樣在規(guī)定的可控冷卻速率淬火及其他熱處理后，無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度及其他性能指標(biāo)均可達(dá)到技術(shù)條件的要求，而全尺寸模擬件按最優(yōu)化的參數(shù)熱處理后，沖擊吸收功雖然滿足要求，但仍未達(dá)到小試樣水平，同時(shí)無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度與要求值間仍有很大差距。金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示，小試樣熱處理后顯微組織為回火貝氏體，而兩件全尺寸模擬件熱處理后取樣部位的組織為鐵素體和索氏體的混合組織，其中鐵素體呈魏氏組織，顯微組織照片見(jiàn)圖1及圖2。

圖1　小試樣顯微組織 100×

圖2　全尺寸模擬件顯微組織 500×

分析表明，造成全尺寸模擬件韌性不佳的原因有兩點(diǎn)。第一，全尺寸模擬件厚度大，取樣位置冷卻速率未能再現(xiàn)小試樣的冷卻速率，同時(shí)材料本身淬透性低，因此取樣位置顯微組織與小試樣的存在較大差異。第二， 全尺寸模擬件組織異常，先共析鐵素體沿晶界析出，同時(shí)向晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)，最終形成魏氏組織。魏氏組織是鋼的一種過(guò)熱組織，它使鋼的機(jī)械性能，特別是沖擊韌性和塑性有顯著降低，并提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度[2]。針對(duì)第二點(diǎn)原因，對(duì)兩鍛件進(jìn)行了重新熱處理，通過(guò)正火及回火預(yù)備熱處理獲得均勻細(xì)小鐵素體及珠光體組織，然后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。重新熱處理后鍛件塑韌性指標(biāo)有所提高，但無(wú)塑性轉(zhuǎn)變?nèi)晕催_(dá)到要求，顯微組織雖未出現(xiàn)魏氏組織，但是仍存在大量先共析鐵素體。

4結(jié)語(yǔ)

1) 對(duì)于厚度大于64 mm的一級(jí)承壓材料，ASME提供兩種防脆性斷裂設(shè)計(jì)準(zhǔn)則即NB-3211.(d).(1)及NB-3211.(d).(2)。

2) 三代先進(jìn)非能動(dòng)屏蔽泵電機(jī)主法蘭及機(jī)殼鍛件淬透性差，材料厚度較大，要達(dá)到無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度目標(biāo)值應(yīng)盡可能提高材料的淬火冷卻速率，減少或避免出現(xiàn)鐵素體，同時(shí)應(yīng)避免材料過(guò)熱，導(dǎo)致在隨后的淬火快冷后出現(xiàn)魏氏組織，進(jìn)一步降低材料塑韌性。

參考文獻(xiàn)

[1] ASME法規(guī)第Ⅲ卷，第1篇，NB分卷，NB-3000章 設(shè)計(jì)，1998版及2000增補(bǔ)。

[2] 崔忠圻. 金屬學(xué)與熱處理[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 1988.