(国核工程有限公司质量监造处上海200233)
摘要：本文阐述了三代核电主蒸汽管道(ASMESA335P11)在不同正火冷却速度下的组织特性,分析正火过程中冷却速度对主蒸汽管道组织的影响，进而对其冲击力学性能的影响。分析表明，正火时在适宜的冷却速度（≥300℃～450℃/h）下主蒸汽管道可以得到细小均匀冲击力学性能优越的铁素体和渗碳体的机械混合物即珠光体;而冲击力学性能所表征的材料韧性是主蒸汽管道在预制弯曲时是否产生裂纹的重要因素,可通过对组织、冲击值的改进从而对弯曲时的裂纹加以预防。
关键词：正火冷却速率冲击值裂纹
引言
核电作为一种清洁能源，在全世界范围内被广泛使用。但核电使用过程中的核安全制约着核电项目的发展，特别是日本福岛核电站事故爆发以来，核电安全更是在全世界范围引发了广泛的讨论和质疑。如何保障三代核电项目安全，在设计方案确定以后，核安全的物理载体，无一例外的是符合设计要求且质量得到保证的以百万计的电厂部件。作为核电设施中重要部件的主蒸汽管道，其制造过程中得到保证的力学性能，对于保障电厂的安全运行及退役有着重要意义。当其应用在核电项目时，无论是在役寿命，还是其承担的安全系数，比之在常规项目的应用，均有着更高的要求。在设备/部件材质确定的前提下，通过制造工艺优化，最大限度的挖掘材料潜能，提高设备材料力学性能/预制弯曲的一次合格率/优良率，对整个核
电产业特别是第三代核电产业的健康发展有着深远的意义。目前国内厂家在提升其材料力学性能一次合格率/优良率方面存在改进空间。本文就从主蒸汽管道正火冷却速度的控制入手，进行相关的阐述，论证了正火冷却速度对组织、冲击力学性能以及影响弯
曲特性的因素。
1主蒸汽管道热处理工艺
主蒸汽管道设计采用钢材SA335P11，其要求的化学成份及力学性能见表1和表2［1］（试验均采用公称外径38英寸、壁厚1.74英寸钢管）
表1材料的化学成份(%)
表2力学性能验收值
根据ASME第Ⅱ卷材料A篇铁基材料篇并结合生产实际，将正火温度调整为940℃～950℃，回火温度为650℃～700℃。管道的交货状态为正火加回火。其中的正火过程为最终的回火热处理过程奠定了组织
基础（铁素体与渗碳体的机械混合物即珠光体）；回火过程稳定了组织、消除了正火过程中产生的热应力。为了对比不同的正火冷却速度对SA335P11钢最终组织和冲击力学性能的影响，设计了如表3所示的热处理工艺。
表3热处理工艺
图1不同试样的金相组织照片比较
图2不同试样的冲击吸收功比较
图3不同试样的抗拉强度及屈服强度比较
1.1热处理过程控制
本试验热处理设备采用天然气辊底炉。在同一侧具有8个热电偶。其中4个在上部，4个在下部，且上下部的热电偶之间相平行布置。试验件出炉后采用远红外测温仪进行温度测量，结合冷却时间进而计算出冷却速度。正火热处理曲线见图4
图4管道正火热处理曲线（保温阶段）
1.2力学性能试样取样及试样制备
本试验的试料取样位置在钢管的冒口端（T端），试料在管道上的示意图如图5所示。试样在试料环壁厚的1/2处截取，如图6所示。其中试料Ⅰ为横向试验用料（用于拉伸试验），试料Ⅱ为纵向试验用料（用于冲击试验）。
图5试料在管道截取位置图6试样在试料壁厚的1/2处截取
试验按照ASMESA370进行制备。冲击试样形状及尺寸及冲击设备如下：
冲击试样缺口形状：KV2R0.25±0.025mm
冲击试样长度：55+0-2.5mm
冲击试样厚度：10±0.075mm
冲击试样宽度：10±0.075mm
拉伸试样尺寸与形状如下：
试样横截面为圆形；直径D=12.5±0.25mmmm
拉伸试样标距G=4D;
冲击设备：ZBC2452-C冲击试验机；WE30-万能试验机
2力学性能试验
2.1正火冷却速度对组织力学性能的影响
根据试验过程中对鼓风量的控制（也即对冷却
速度的控制）以及通过对不同冷却速度下金相图片［2］(见图1)及力学性能值(见图2～3)的对比分析后可知，正火中冷却速度在300℃～450℃/h时，奥氏体冷却后转变为珠光体(铁素体＋渗碳体)的组织分布均匀，晶粒度细小（见图1-A-2、图1-B-2）,得到的各项力学性能值特别是0℃冲击值较好(如图2-A-2、图2-B-2)，其冲击吸收功分别为125J和158J；正火中冷却速度在≤300℃/h时，得到的组织分布不很均匀，晶粒较为粗大（见图1-A-1、图1-B-1），力学性能值中冲击值较差(如图2-A-1、图2-B-1)，其冲击吸收功分别为38J和29J。在以上不同的正火冷却速度控制下,各个试样的抗拉强度和屈服强度值变化不大(如图3所示)。
表5C1样管裂纹区域试样力学性能值
表6D1样管弯曲变形最大区域试样力学性能值
2.2组织与冲击力学性能对弯曲裂纹的影响
弯曲是主蒸汽管道预制过程中经常采用的方式。根据弯曲温度的不同，通常分为冷弯（＜704℃）和热弯(899℃～1093℃)这样两种方式。这里以相同热弯工艺对主蒸汽直管道C1,D1
表4弯曲工艺
进行弯制（其中直管道C1和D1具有相同的锻造顶伸和热处理工艺）
图7C1样管裂纹产生区域试样金相组织
D1-1200xD1-2200x
图8D1样管应力最大/弯曲变形最大处试样金相组织
整个弯曲过程包括弯曲前的准备工作均符合如表4等的设计及工艺要求,且在同一条件下进行弯曲。结果C1样管在背弯处经MT检测发现了裂纹;D1样管经目视和MT检测没有裂纹,满足要求。为了分析问题的原因,对CI样管产生裂纹附近区域按照ASMENB卷-2200,2300,
SA370,ASTM-E45,ASTM–E407进行了取样、冲击功、拉伸性能测定和金相组织分析。在裂纹附近分别进行了横向和纵向试料的切取，随后在试料厚度的1/2处进行了试样的制备。试样尺寸控制同1.2所述。金相组织和力学性能值如图7和和表5所示；为了进行比对分析,对没有弯曲裂纹的D1样管在其弯曲应力最大即弯曲变形最大处也进行相同取样分析.结果如图8和表6所示.
由上述图7图片和表5数据可知金相的组成为铁素体+珠光体.组织分布很不均匀,晶粒大小不一,存在混晶现象,部分较粗大的珠光体聚集呈现粒状及短片状形态;而在出现裂纹区域附件选取的试样冲击值有不满足设计要求值(0℃,68J);图8和表6数据显示金相的组成为铁素体+珠光体,组织分布较均匀,无带状分布,晶粒细小均匀且试样冲击值满足了设计要求值。
2.3正火冷却速度、组织、力学性能以及弯曲裂纹
正火过程中发生着的固态相变，是一个在母相中新相形核与长大的过程［3］。以ASMESA335P11为例，母相是奥氏体，新相是珠光体（铁素体与渗碳体的混合物）。对应相同的正火温度，正火冷却速度快，相变过冷度大，珠光体形核率高［4］。晶粒长大的时间少，原子扩散能力降低，晶粒长大幅度小，所以得到的珠光体晶粒多，晶粒细小且分布均匀韧性好，冲击值较为优越。反之，得到的珠光体晶粒少，晶粒较为粗大韧性差,冲击值较低,不能满足ASME材料规范的验收要求。同时，由组织和冲击值表征的韧性则直接影响弯曲时裂纹的产生与否。组织细化冲击值高韧性好，则弯曲时性能表现优良，不易产生裂纹；反之，弯曲时易于产生裂纹。
3结论
1)影响主蒸汽管道(ASMESA335P11)钢在正火后0℃冲击性能的关键要素之一便是其临界冷却速度。
2)由工艺过程决定的金相组织是否优良直接关乎着主蒸汽管道预制弯曲过程中的裂纹倾向；通过工艺改进控制好材料的成型组织可有效避免后续弯曲预制时产生裂纹。
3)工厂在实际生产中，在温度酷热空气流动性差的夏季以及壁厚大于40mm以上的工件在正火后应采用适宜的风冷措施，或被买方允许的其他等同的冷却措施如喷雾冷却来保证组织得均匀和其冲击力学性能。
4)工厂在生产实际过程中可结合自身的设备人员等进行不断的总结分析，逐步收窄适用的工艺参数如正火冷却速度的范围，进一步的提高生产效率和管道质量,为业主提供合格的满足寿期的产品,为公众安全提高保障。
5）本文没有讨论回火对性能的影响。从相关制造厂了解到，该种材料有产生回火脆性的可能，回火后缓慢冷却有一定的比例导致脆性大幅度上升，本文没有对此进行试验和分析研究。
参考文献:
［1］AmericanSocietyofMechanicalEngineers[M].Edition1998.第二卷
［2］上海市机械制造工艺研究所.金相分析技术[M].上海：上海科学技术文献出版社，第1版，1987.88-95
［3］崔忠圻.金属学及热处理[M].北京：机械工业出版社,第2版，2007.50-53
［4］郭玉林.金属材料力学性能[M].郑州：河南科学技术出版社，第1版，2011.151-153
作者简介：杨东升，男，1980年12月21日出生；籍贯：内蒙古；工程师；毕业于内蒙古工业大学，材料科学与控制工程专业，学士学位，现主要从事设备监造工作。