核电蒸汽发生器下封头分隔板用镍基合金厚板组织与性能均匀性研究

2020-05-15徐长征黄海燕

宝钢技术 2020年2期

敖影,徐长征,黄海燕

(1.宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海 201999; 2.宝钢特钢有限公司,上海 200940)

世界核电开发运行的实践证明,核电是一种清洁、安全、经济、技术成熟、供应能力强、能大规模应用的发电方式[1]。加快我国核电建设,提高核电在电力供给中的比重,不仅有助于缓解电力增长与交通运输、环境保护的矛盾,同时,对带动高科技产业和装备制造业的发展、促进经济增长、调整能源结构、保障能源安全、实施可持续发展战略等方面都有重要意义[2]。

核电结构材料是核电关键设备国产化的基础,镍基合金具有优良的力学性能、耐高温和耐腐蚀等环境服役性能,因而其广泛地被用于核电站核岛中的关键构件,如压力容器、蒸汽发生器、稳压器等核反应堆关键设备。核电蒸汽发生器是核岛内的三大设备之一,主要作用是转移堆芯中产生的热量。下封头水室隔板作为其关键部件将蒸汽发生器下封头分隔成冷却进口、出口两个水室,由于直接与一回路冷却剂接触,承受高温高压,对其力学性能、耐腐蚀性、板面尺寸精度等都有很高的要求[3]。目前,三代核电技术主要采用综合性能优异的ASME SB168 UNS N06690和RCC-M M4107 NC30Fe合金(以下均简称690合金)热轧厚板制造水室隔板[4],由于其大单重、大厚度、宽板幅,制造难度非常大,之前全部依靠进口。此外,随着国内核电站装机容量的增加,对合金板材的尺寸也提出了更高的要求,例如CAP1400机组所需镍基合金厚板的单件最大设计厚度为80 mm,最大长度为4 500 mm,最大宽度为2 450 mm。板材规格增大,组织性能的均匀性控制难度成倍增加。这无疑对大钢锭冶炼控制、热加工成形控制、热处理过程控制及制造加工装备都提出了很高的要求,制造符合厚板尺寸且综合性能达标的水室隔板用690合金难度极大。

宝钢特钢特种合金板带产线投产后,为响应国家自主建设第三代核电技术的号召,联合国内核电设备制造、设计等单位,承担起核电关键镍基合金材料的国产化制造工作[5]。经过摸索和努力,宝钢特钢掌握了690镍基合金热轧厚板制造的核心技术,自2013年起,陆续成功研制出了符合设计要求的CAP1000、CAP1400、华龙一号核电蒸汽发生器水室隔板用镍基合金厚板,并完全替代了进口产品。

本文结合宝钢特钢国产化制造实践,对研制的镍基合金热轧大、宽、厚板产品多维度取样,验证其组织及性能的均匀性。

1 试验材料及取样方法

核电蒸发器水室隔板用690合金的C含量不大于0.03%,主要元素是Cr、Ni、Fe,但对微量元素进行了严格的控制,成分须满足表1要求。可见,核电对合金板材成分纯净度的设计要求远远高于常规产品。

表1 UNS N06690合金化学成分规定值

根据法国核电技术规范RCC-M材料篇总则M140的规定,任选一张宝钢特钢生产的时效热处理690厚板取样进行组织和力学性能分析。本试验厚板尺寸如下:厚52 mm,宽1 800 mm,长9 000 mm。取样位置分别在板材两端和1/2长度处的角部、1/4宽度和1/2宽度处,共计15个位置,如图1中A～Q所示。试验项目及试验材料上各取样位置对应的试样数量见表2。

表2 试验项目和试验材料上的取样位置及试样数量

2 试验结果与分析

2.1 镍基合金厚板组织均匀性

按照表2对15块试验材料进行了晶粒度的检验,总计90个晶粒度检测结果见表3(标准规定值:3.0～8.0级)。可以看出,整张厚板的晶粒度等级以7.0～5.0为主,个别细晶粒7.5级,极个别粗晶粒4.5级,完全符合标准要求,典型的金相照片如图2所示(A、B、N位置)。碳化物分布如图3所示,析出碳化物沿晶界连续分布,晶内极少,完全符合核电蒸发器水室隔板的技术要求。

表3 UNS N06690厚板不同取样位置晶粒度

以上晶粒度及碳化物的检测结果说明我公司研制的690镍基合金厚板的组织均匀性很好,充分验证了各关键生产工序的均匀性控制技术水平很高。

2.2 镍基合金厚板力学性能均匀性

2.2.1 整体力学性能统计结果

力学性能检测结果统计数据见表4。室温力学性能数据显示:抗拉强度为625～662 MPa,屈服强度为274～307 MPa,延伸率为51%～57%,断面收缩率为60%～66%,冲击功为251～302 J;350 ℃力学性能数据显示:抗拉强度为524～556 MPa,屈服强度为211～239 MPa,延伸率为50%～58%,断面收缩率为63%～67%。与表中的标准力学性能规定值进行对比,不难看出,我公司研制的镍基合金厚板经多维度、大数量的取样,力学性能检测结果均满足690厚板的设计要求,且有较大的裕量。此外,将室温和350 ℃拉伸的力学性能测量数据做成散点图,如图4所示,抗拉强度、屈服强度及冲击功的测量数据分布集中,体现出厚板整体力学性能均匀性很好。

表4 UNS N06690厚板力学性能检测结果统计数据

2.2.2 不同维度力学性能均匀性分析

为了更好地验证厚板力学性能在不同方向上的均匀性,选取3组对比维度:长度方向、厚度方向、宽度方向。首先分别对比各组内不同方向或部位的平均值,以平均值表征其组内不同方向或部位之间的性能差异;再分别对比各组内不同方向或部位的性能标准差,以标准差表征其组内不同方向或部位性能数据的离散程度。如性能平均值之间的差别和标准差越小,则表示其性能均匀性越好。具体的对比方法如下。

长度方向:沿长度(L)方向,对比头、中、尾之间的性能;其中头部指图1中位置C、A、E、F、G,中部指图1中L、M、N、P、Q,尾部指图1中K、J、H、B、D。

厚度方向:沿板材厚度(T)方向,对比T/4、T/2和3T/4之间的性能。

宽度方向:沿板材宽度(W)方向,对比两侧边部、W/4、W/2和3W/4之间的性能,其中侧1指图1中C、L、K,W/4指图1中A、M、J,W/2指图1中E、N、H,3W/4指图1中F、P、B,侧2指图1中G、Q、D。

通过对比3个维度不同部位之间的室温拉伸、350 ℃拉伸和室温冲击性能的平均值和标准差,进一步分析板材的性能均匀性。

(1) 长度方向。长度方向力学性能均匀性对比如图5所示。各项力学性能在头、中、尾3个部位取样测试的平均值只有微小差别,强度指标尾部的性能略高于头部和中部(相差8～12 MPa),冲击性能尾部略低于头、中部(相差16 J)。由标准差的定义可知,对比数据组的平均值接近时,数据的离散程度根据标准差的数值大小来判定。标准差数值越大,则该组数据离散程度越大;标准差数值越小,该组数据离散程度越小;若标准差数值接近,则表示几组数据离散程度相当。长度方向各项性能在头、中、尾三组数据的标准差差值小于3.34,说明3个部位测量数据的离散程度接近。

(2) 厚度方向。厚度方向力学性能均匀性对比如图6所示。将T/4、T/2、3T/4等3个部位的力学性能数据分类列出,各项指标在3个部位测得的平均值基本一致,强度指标仅相差3～11 MPa,冲击性能相差7 J,说明厚度方向的力学性能均匀性也十分优异。标准差对比显示,除室温抗拉强度T/2处数据标准差比T/4、3T/4处对应值略微偏大(相差5.16)外,其他各项性能的3组标准差均很接近(相差0.71～3.65),说明厚度方向力学性能数据的离散程度相当。

(3) 宽度方向。图7为宽度方向的力学性能均匀性对比。宽度方向的力学性能数据根据取样位置共分为五组,分别是侧1、W/4、W/2、3W/4、侧2,从各项力学性能对应的5组平均值来看,数据基本一致,强度指标仅相差3～5 MPa,冲击性能相差11 J,表明力学性能在宽度方向的均匀性同样是优异的。标准差的对比结果显示,屈服强度和冲击性能均是在两侧的数据离散程度最小(屈服强度标准差相差最大不超过5.43,冲击标准差差值最大不超过11.27),抗拉强度在5个位置的数据离散程度相当(标准差数值相差不超过2.58)。

通过以上对比分析发现,长度方向上强度指标尾部的性能略高于头部和中部,冲击性能尾部略低于头、中部,这主要和其电渣重熔的凝固特性有关。因钢锭的尾部处于凝固初期,此时冷却条件最佳,凝固组织较好,因此板材的拉伸强度稍高,但其差值也仅为8～12 MPa,后续可通过优化电渣重熔初期的供电参数和冷却条件进一步缩小该差距。厚度方向上,性能差别很小,屈服强度仅相差3～4 MPa,抗拉强度相差11 MPa,冲击功最大相差7 J。宽度方向,强度指标仅相差3～5 MPa,冲击功相差不超过11J,比长度和厚度方向更均匀。综上,350 ℃拉伸、室温拉伸和冲击性能指标在3个对比维度上的均匀性均很优异,充分验证了我公司在690厚板方面的制造技术能很好地消除轧制板材的各向异性,保证厚板的力学性能均匀性。