AP1000核电用SA-508 Gr.3钢锻件热处理的质量控制

金　鑫，马　蒙（湖南桃花江核电有限公司，湖南益阳413000）

AP1000核电用SA-508 Gr.3钢锻件热处理的质量控制

金鑫，马蒙（湖南桃花江核电有限公司，湖南益阳413000）

热处理作为AP1000核电主设备用大锻件制造的关键环节，对锻件的最终质量起着决定性的作用。本文通过梳理蒸汽发生器和压力容器用150余件大锻件的制造过程，对由于热处理原因造成的主要质量问题进行剖析，以便在后续的锻件制造过程中，能有针对性的加强对热处理环节的质量控制，有效保障锻件的质量和进度。

核电主设备大锻件；热处理；质量控制

1　前言

SA-508 Gr.3钢因其高强度、优良的焊接性、较好的抗中子辐照脆化能力，以及良好的低温冲击韧性等优点，被广泛应用于AP1000核电厂蒸汽发生器、压力容器等核岛主设备的锻件制造中。相对于二代核电机型的同类设备，AP1000核电SA-508 Gr.3钢大锻件向着“大型化”和“整体化”的趋势发展，在60年服役寿命的要求下，其在材料的强度、韧性等性能指标的均衡性方面提出了更高的要求。热处理作为锻件制造的关键环节，对锻件的“成性”起着决定性的作用，直接影响锻件的最终质量。本文通过梳理150余件蒸汽发生器、压力容器大锻件的制造过程，对由于热处理原因造成的质量问题进行归纳、总结，以便在后续的锻件制造过程中，有针对性的加强对热处理环节的质量控制，有效保障锻件的质量和进度。

2　热处理主要问题分析

2.1热处理原因造成性能不合的分析

通过对150余件蒸汽发生器、压力容器大锻件在制造过程中出现的外部不符合项（详见图1）进行分类，其中性能热处理后机性不合格的占50%以上。究其原因，主要是锻件热处理的工艺参数配置不佳，包括冷却速率、保温时间和温度等。

图1　外部NCR类型

2.1.1冷却条件对性能的影响

随着热处理的厚度增大，以及复杂的几何形状，核电大锻件在热处理淬火过程中难以获得理想的冷速，锻件内、外壁的冷却速度明显高于中心部位的冷却速度。为了分析不同冷却速度对SA508-Gr.3 Cl.2材料性能的影响，组织了以下的对比试验：

试料取自锻后态SA-508 Gr.3锻件，加工成25mm×25mm截面小试样，淬火保温温度为890℃，保温1h，然后按不同的冷却速度进行冷却模拟淬火。考虑到实际工况下核电大锻件取样位置冷速一般不超过3℃/s，试验中选取0.2～1.5℃/s的冷速。试样淬火后进行640℃的高温回火。热处理结束后试料加工成标准拉伸和夏比冲击试样，在电子万能试验机和夏比冲击试验机进行测试，数据详见表1。

通过绘制试样在不同冷却速度下强度的变化（详见图2）和夏比冲击的变化（详见图3）。不难看出，随着淬火冷却速度的降低，抗拉强度、屈服强度呈平缓下降的趋势，在最低的0.2℃/s时冷速下，室温抗拉强度、屈服强度仍能满足性能要求，材料的断后伸长率和断面收缩率无明显的变化趋势。但随着淬火冷速的降低，材料冲击韧性明显下降，淬火冷速为0.5℃/s和0.2℃/s的试样甚至无法满足材料低温韧性要求。因此，锻件在实际制造过程中，如出现性能热处理后韧性指标不足，可通过改善锻件的外部冷却条件，如优化冷却水槽水循环、降低水温、改变喷淋方式，或使工件在水中上下串动，尽最大可能提高锻件的冷却速度，使锻件内、外壁的冷却速度趋于平稳，以获得均匀的组织，改善锻件的韧性指标。

表1　890℃不同冷却速度淬火、640℃回火的性能结果

图2　890℃淬火不同冷却速度下强度的变化

2.1.2回火参数对性能的影响分析

为了获得良好的强韧性匹配，选择合适的回火参数至关重要。回火参数一般采用式（1）进行计算。

式中：T为回火温度K；t为回火时间，h。

在研究不同回火参数对锻件强韧性的影响文献中［1］，采用φ16圆棒试料，经过920℃×5h，空冷+650℃×8h的正火+回火的预备热处理后，针对淬火冷却速度为40℃/min的试样进行回火参数在18.66～19.92之间的回火处理，该研究得出，在一定范围内，随着回火参数的增加，抗拉强度和屈服强度下降明显；而回火参数对冲击韧性的影响比较复杂：回火参数偏小锻件的冲击指标未能达到最佳，回火参数过大则锻件的冲击指标明显下降。

图3　890℃淬火不同冷却速度下的夏比冲击

在核电大锻件热处理工程实践上，锻件技术规范已规定了最低的回火温度和最短的保温时间，按规范执行的回火不存在回火参数不足的情况。因此，在实际处理锻件性能不合的问题时，当锻件的强度指标不满足规范时，可以通过适当降低回火温度或缩短回火时间的方法，在对冲击指标影响不大的前提下，提高锻件的强度；当冲击指标不满足规范要求时，则首先要考虑强度是否有足够富余量，如强度有富余量，则可以通过提高回火温度或延长回火的时间适当降低强度提高韧性指标，如强度富余量不足，则无法通过调整回火参数，使锻件的综合力学性能满足规范要求。

2.2热处理变形

锻件在性能热处理时的尺寸应尽可能接近锻件的成品尺寸，以保证锻件的性能和提高锻件的利用率，但锻件在高温状态下刚度降低，加之受到外形形状，装炉状态，起吊过程受力点分布情况等多种因素的影响，特别是壁厚薄、直径大的筒体、过渡段类锻件，在热处理过程中极易发生变形，而在性能不合进行重新热处理的锻件更会致使热处理变形量的叠加，导致局部精加工余量过小，需要耗费大量工作进行评定和校正，甚至会造成锻件的报废。

为了控制锻件在热处理时的变形量，实践中一般要尽量选择合适的工装、吊具，保证锻件在运输和热处理过程中在锻件上的载荷均匀。热处理过程中，通过采用比较缓慢的加热速度，减小加热时的温差和热应力，或是在保证机械性能的前提下，尽量将淬火温度控制在下限并力求淬火过程均匀冷却，选择适当的回火温度，利用回火加热消除变形应力等手段，使锻件热处理的变形量在可控范围之内。

3　热处理过程质量控制

3.1热处理工艺的成熟性

热处理工艺直接影响着锻件的性能参数，热处理工艺的制定是在已有生产条件的前提下，经过大量的实验获得相关数据，通过对数据的分析和比照，不断完善和优化而成。因此，成熟的热处理工艺是确保锻件质量稳定的根本，当热处理的工艺设备和热处理的条件发生变化的情况下，需要对热处理工艺进行重新评估和验证，确保锻件执行的热处理工艺是可行的、成熟的。

3.2热处理质量过程的控制

在热处理过程中，保温温度、保温时间、升降温速率作为热处理过程的核心要素，只有确保这几个要素严格按照成熟的热处理工艺执行，才能做到对热处理质量过程的控制。

3.2.1文件的符合性

通过文件审查的方式，检查热处理工艺文件的符合性，即热处理工艺与设计规范要求相符、热处理工艺曲线与实际热处理过程的相符，并将热处理过程的记录作为锻件合格的质量证明文件，以确保对热处理过程的可追溯性。

3.2.2实际热处理过程的符合性

通过见证或者现场巡检的方式，核查热处理数据的真实性和可靠性，在锻件热处理前，确保部件无油脂、油污、氯化物和含硫化合物，在锻件进、出炉时，特别是多件锻件同炉热处理时，检查热电偶的数量和联接情况、热电偶与热源是否进行了适当的隔离等是否满足规程的要求，以确保测量的温度能代表部件的实际温度，在热处理过程中，确保仪表的正常运行和温度曲线的正常记录，测量温度在工艺文件规定的范围之内。

3.2.3热处理变形的控制

在热处理前，应确保有合适的工装、吊具，检查预防热处理变形的措施是否落实到位，如是否有专用的支撑工装，垫铁放置的位置和水平度等，以确保锻件在运输和放置时受力均衡；在热处理过程中，应严格按照成熟的热处理工艺进行操作，确保锻件的受热和冷却速率缓慢、均匀，用回火工艺消除热应力；在热处理后，应对锻件的尺寸进行测量，评估热处理的变形量是否能通过调整机加工余量来进行修正，如变形量较大，需要通过矫形来修正，则需要对锻件变形量的大小进行评估，制定相应的矫形方案，必要时还需对矫形后锻件进行补充冲击试验。

4　总结

在实际锻件制造过程中，根据成熟的热处理工艺，控制好热处理过程中的核心要素，做好锻件热处理变形的预防措施，可有效的保证锻件质量的稳定性，如锻件在性能热处理后出现个别强度或韧性指标不合的情况，对锻件实际的性能、微观组织、成分进行综合分析，有针对性的调整和优化重新热处理的工艺参数，可以有效的改善锻件的综合力学性能，提高锻件的合格率。

［1］方才顺.淬火冷却速度和回火参数对核压力容器SA508-3钢强韧性的影响［J］.金属热处理，2015，40（12）：117～122.

［2］阚玉琦，梁书华.核电站蒸汽发生器管板锻件热处理质量控制研究［J］.材料热处理技术，2010，39（04）：159～161.

［3］凌 进，韩兆隆.反应堆压力容器模拟锻件用SA508-3CL钢性能研究［J］.金属热处理，2006，31（09）：14～16.

［4］杨晓请.影响钢件热处理变形因素的讨论［J］.包钢科技，2004，30（03）：83～85.

TG156.6

A

2095-2066（2016）26-0271-02

2016-9-2

金 鑫（1983-），男，工程师，本科，主要从事设备采购管理方面的工作。

马 蒙（1984-），男，工程师，研究生，主要从事设备采购管理方面的工作。