核电设备制造中落锤试验的影响因素_图文

1、V o l .51N o .4工程与试验E N G I N E E R I N G &T E S T D e c .2011收稿日期2011-11-13作者简介刘钊(1983-,男,内蒙古赤峰人,硕士,主要研究方向:核电大型铸锻件制造工艺。电子信箱:l i u z h a o 917163.c o m 。核电装备制造中落锤试验的影响因素刘钊,朱喜斌,吉宏林,王鑫(中广核苏州热工研究院设备监理中心,江苏苏州215004摘要:落锤试验是核电装备制造中对材料进行检测和评判的一种重要方法。本文分析了试样尺寸、试样焊接、过程控制和结果判定四类影响落锤试验的因素,可在今后的试验过程中进行控制,使测试结果达

2、到稳定准确。关键词:落锤试验;A S TM E 208;N D T ;试样中图分类号:T G 115.5+6文献标识码:B d o i :10.3969/j.i s s n .1674-3407.2011.04.009I n f l u e n c i n g F a c t o r s o f D r o p -W e i g h t T e s t f o r M a n u f a c t u r e o f N u c l e a r E q u i pm e n t L i u Z h a o ,Z h u X i b i n ,J i H o n g l i n ,W a n g

3、X i n (E q u i p m e n t S u pe r v i s i o n R e s e a r c h C e n t e r ,S u z h o u N u c l e a r P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ,S u z h o u 215004,J i a n g s u ,C h i n a A b s t r a c t :T h e d r o p -w e i g h t t e s t i s a n i m p o r t a n t m e t h o df o r m a n u f a c t

4、 u r e o f n u c l e a r e q u i pm e n t t o t e s t a n d e v a l u a t e t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s .I n t h i s p a p e r ,f o u r k i n d s o f i n f l u e n c i n g f a c t o r s o f d r o p -w e i g h t t e s t ,s u c h a s s p e c i m e n s i z e ,s p e c i m e n w e l d ,p r

5、o c e s s c o n t r o l ,r e s u l t d e c i s i o n ,a r e a n a -l y z e d .A p p r o p r i a t e c o n t r o l s h o u l d b e d o n e t o g e t t h e a c c u r a t e a n d s t e a d y t e s t i n g r e s u l t s .K e yw o r d s :D r o p -w e i g h t t e s t ;A S TM E 208;N D T ;s p e c i m e n 1

6、引言随着我国核电装机容量的逐年增多及核电装备国产化脚步的加快,核电装备的安全性、可靠性已经成为制造厂、业主及社会广泛关注的问题。特别是反应堆压力容器各部件,长期在高温、高压、强辐照的环境下工作,为保证设备受中子辐照后不产生脆断,提高安全性,在制造过程中准确测定材料的无塑性转变(N D T 温度显得尤为重要。落锤试验是用来研究具有温度转变行为的铁素体结构钢抗脆性断裂性能的一种工程试验方法,在电力、化工、船舶、桥梁、海洋工程等领域已经得到了普遍重视和广泛应用。通过该试验可以获得材料在含有微小尖锐裂纹和动态屈服加载条件下发生脆性断裂的最高温度,即无塑性转变温度(T N D T 。T N D T 的测

7、定以及在T N D T 的基础上结合冲击试验结果确定的基准无延性转变温度R T N D T 都是工程结构防断裂设计重要的定量判据,不仅代表材料防脆断倾向,而且是进行弹塑性力学评价的重要指标参数,对核电站重要部件的评价起重要作用。因此,本文就核电设备制造过程中使用落锤试验法测定N D T 温度的几种常见问题进行分析和探讨。2试验概述目前我国在采购核电站主回路设备时,无论是按R C C 规范建造的二代改进型C P R 1000堆型还是按A S M E 规范建造的三代A P 1000堆型中,凡是核一级部件均要求进行落锤试验,涉及到与落锤试验有关的标准主要有我国的GB /T 6803、法国的RC C

8、-M C 1230和美国的A S T M E 208。其中,R C C -M C 1230要求参照A S T M E 208标准进行落锤试验。落锤试验是在单一的冲击载荷下对给定材料的43一系列试样,在选定的温度序列进行试验,来测定试样断裂时的最高温度。冲击载荷由一个有导向的、可自由落下的锤头提供,根据被检钢种的屈服强度,该锤头可提供350J-1650J的冲击能量。通常的试验顺序为:在试样的准备和温度调节完成后,初始的落锤试验在一个估计接近N D T温度的试验温度下进行(需要操作人员对材料性能有一定了解。根据第一次的试验结果,其他试样的试验应在适当的温度间隔下进行,以确定断裂和未断裂行为之间的界

9、限在5以内。在这些连续的最小不断裂温度下进行重复试验可以确定在这个温度下的不断裂行为。3落锤试验影响因素分析3.1试样尺寸以目前广泛应用在核电锻件制造领域的法国牌号16MN D5和18MN D5钢为例,并根据具体的采购技术规范要求,落锤试验一般采用P-3试样。相关规范中要求的具体尺寸见图1和表1所示 。图1P-3型落锤试样示意图表1P-3型落锤试样尺寸表标准/规范厚度T宽度W长度L焊道长度l焊道宽度h焊道高度a缺口宽度a0缺口底高a1G B/T6803160.5501.013010606512163.55.51.51.82.0 A S TME208160.5501.01301063.512.7

10、1.51.82.0 R C C-M C1230160.5501.01301063.512.71.51.82.0注:空白处为规范中未做具体规定;数据单位为m m。由表1可知,相关标准中对P-3型落锤试样的尺寸要求基本相同,只是在裂纹源焊道的尺寸方面略有差异。G B/T6803中规定了焊道尺寸,而A S TME208中注明,如果裂纹源缺口位于试样中心,且试样被完全偏转时焊道没有接触到支撑台工作夹具,则焊道长度并不重要。在具体试验中,焊道长短会带来热输入量的不同,但在公差范围内影响不大。为了减少测试结果的波动,应在保证标准规定的前提下,固定焊道长度。对于焊道高度,A S TME208中注明,由于焊缝

11、顶端尺寸变化,所以焊道高度不能准确测定,通过千分表测量只能用于已加工好缺口的最终检查。因为落锤试样中的焊道只是为了引入一个脆性裂纹源,而缺口是为了确定断裂位置,只要冲击能量足够使焊道断裂,产生引发裂纹,并使试样弯曲达到规定的挠度,就不会对试验结果产生影响,只是多消耗了部分断裂能而已。但当缺口底部离试样较近时,可能会出现因脆性焊肉达不到产生裂纹并引起脆性断裂的条件,使测出的N D T结果较低。为了避免这种影响,在加工缺口时应尽量靠上限。其次,在单位的选用上也应注意。A S T ME208中可用两种单位即英制和公制,两种单位间的换算略有差异,如焊道缺口英制规定最大1/16i n(=1.5875m

12、m,而公制规定为1.5m m。在核电设备制造中出现过缺口尺寸1.5m m的不符合项,其实际间距400M P a -600M P a,冲63工程与试验D e c e m b e r 2011击能量400J。合理地安排试验温度和试验顺序对试验结果的取得至关重要。例如某组落锤试验共8个试样,编号为A P1A P8,分为4组,暂定试验温度为-25、-30、-35、-40,若按顺序从低温到高温进行,试验过程可能出现全部断裂或全部未断裂的情况,此时无法确定N D T。换一种顺序,在-25和-40时均断裂,另两组提高试验温度为-20和-15就可能会出现未断裂的一组,从而完成试验。相反,如在-25和-40时均

13、未断裂,则另两组降低试验温度为-45和-50。这样4组试样可以保证在30范围内测得结果。这是最保险的试验顺序,在实际操作中,对试验材料较熟悉的试验人员可在两组试验后便测得N D T温度。3.4试验结果判定试验结果的判定有3种情况:断裂、未断裂、试验无效。准确地判定试样断裂与否直接影响最终落锤试验结果,但在试验中出现的一些情况仍存在一定争议。A S TME208-2006版中对断裂的描述为“As p e c i m e ni sc o n s i d e r e db r o k e ni ff r a c t u r e dt o o n eo rb o t he d g e so ft h

14、et e n s i o ns u r f a c e.C o m p l e t e s e p a r a t i o na tt h ec o m p r e s s i o ns i d eo ft h es p e c i m e n i sn o tr e q u i r e df o rb r e a kp e r f o r m a n c e”;G B/T6803 -2008及A S TME208的中文版中均描述为“裂纹源焊道形成的裂纹扩展到试样受拉面的一个或两个棱边,试样被视作断裂”,主要是由于对英文中的e d g e和中文“棱边”理解上的不同造成的。图4所示为试样侧面出现

15、裂口,但棱角上仍未断裂完全的试样 。图4试验结果有争议试样及局部放大图对于此类情况,首先焊道缺口表面有裂纹产生,证明试验有效;有人认为按照标准中的描述,只对受拉面进行考量,只要裂纹在受拉面上没有到达边界即判定为未断裂;并根据A S TME208-200614.2.1 N O T E2“T oa i di nd e t e r m i n i n gw h e t h e rat i g h t l y c l o s e dc r a c ke x t e n d sa c r o s st h et e n s i o ns u r f a c et oa c o r n e ri tm a

16、 yb eh e l p f u lt of i r s th e a t-t i n to rd y et h e s p e c i m e na n dt h e nt of r a c t u r ei ti nt w op i e c e sb y a n yc o n v e n i e n tm e a n s”中c o r n e r的描述更确定了上述e d g e为棱角或棱边;也有人认为落锤试验测定的是材料无塑性转变温度,所以落锤试样的断裂应是无塑性解理断裂,而棱角仍未完全开裂可以判定其为未断裂;也有部分人认为,标准中规定的只对受拉面进行考查是因为在落锤试验过程中受拉表面是最

17、薄弱的环节,所以不论裂纹是否延到受拉表面,只要在侧面出现裂纹即可判定试样断裂,即使不是由裂纹源延伸而来,也说明材料的性能很差。在实际生产中,例如某制造厂按照采购规范要求N D T温度-15,而在-15的落锤试验中出现上述类似情况,并且采购技术规范和标准中均没有类似冲击或拉伸试验中不合格后的复验要求。应根据A S TME208中要求对试样配上回火色或染料后,将试样打成两段,通过对裂纹效果的观察进行判断;另外出现这种情况,也不排除在本体上取样时,遇到缺陷或夹杂等。总之,一定要经过充分、全面的论证,之后给出最终的结论。4结论百万千瓦核电机组核岛主设备有落锤试验要求的部件多数涉及核安全,其力学性能的测

18、定绝不仅仅是一般意义上的符合性验证,需要准确和可靠。若能在实际生产中根据具体的采购技术规范和标准要求,统一试样尺寸、规范焊接过程,尽量减小试样焊接热影响区尺寸,合理安排试验顺序,对试验结果做出合理的判断,将影响落锤试验结果的因素降到最低,从而保证试验结果能准确和客观地反映材料性能,确保核电设备的安全性。参考文献1A S TME208-95a(R e a p p r o v e d2000S t a n d a r dT e s tM e t h o dF o rC o n d u c t i n gD r o p-W e i g h tT e s tt oD e t e r-m i n eN i l-D u c t i l i t yT r a n s i t i o nT e m p e r a t u r eo fF e r r i t i cS t e e l sS.2R C C-M2000D e s