AP1000环行起重机吊钩材料国产化试验研究

张生磊 高秀芬 武晋伟

太原重工股份有限公司 太原 030024

0 引言

AP1000核电技术是国外较先进的三代核电技术，通过引进吸收国外的先进核电技术，研究试验实现国产化，有助于国内核电技术达到国际先进水平。因此，有必要对AP1000核电技术进行研究，尤其是关键材料的国产化。低合金结构钢是三代环行起重机（以下简称环吊）关键受力部件采用的主要材料，研究中外低合金钢材料的差异，选出一种国内替代材料尤为必要。

本文依托某核电站环吊项目，选用吊钩作为关键受力零件，对吊钩材料从化学成分和力学性能2个方面进行分析、比较，以保证选用的替代材料达到使用要求。

1 吊钩使用工况和性能

吊钩装置是起重机上应用最广泛的取物装置，除承受吊重外，还承受起升制动时的冲击载荷。吊钩是吊钩滑轮组上最重要零件之一，需承受拉伸、弯曲以及冲击载荷，因此，要求吊钩具有较高强度、硬度、足够的韧性、抗变形性能。

2 吊钩材料的分析

AP1000环吊吊钩选用的材料为ASTM A668，CL.H.4340/45（以下简称4340），该材料属于高强度合金钢，根据相关标准和资料，该材料的化学成分和经过热处理后的力学性能如表1、表2所示。根据GB/T 3077—2015《合金结构钢》，4340对应的国产材料为40CrNi2Mo，但我国吊钩标准GB/T 10051.1—2010《起重吊钩 第1部分：力学性能、起重量、应力及材料》表3的推荐使用材料中，40CrNi2Mo一般不用作吊钩材料，考虑到工艺和成本等多方面因素，通过对比吊钩组的工作级别和外形尺寸，经过计算，选用与40CrNi2Mo成分相近的国产材料34Cr2Ni2Mo。其成分及性能如表1、表2所示。

表1 2种材料化学成分对比

表2 2种材料调质后的力学性能对比

从表格1数据可以看出，34Cr2Ni2Mo的C、Ni元素含量略低于美标材料4340，Cr元素含量高于美标材料4340，其他元素含量与4340相近。从表2数据可以看出，34Cr2Ni2Mo力学性能的各项指标与4340相比，强度和塑性与国外材料4340接近，在韧性方面优于国外材料4340。

3 吊钩材料试验数据

根据GB/T 3077—2015《合金结构钢》适用要求，表2数据（材料40CrNi2Mo和34Cr2Ni2Mo）为≤φ80 mm高强度合金钢棒材力学性能数据，不适合作为锻件验收要求。为了便于分析比较，取2种材料制作相同规格锻件取轴向试棒做试验，经过粗加工、热处理、半精加工、探伤等工序后取试样做化学成分和力学性能试验（参照GB/T 10051.1—2010《起重吊钩 第1部分：力学性能、起重量、应力及材料》、GB/T 10051.2—2010《起重吊钩 第2部分：锻造吊钩技术条件》要求进行验收），试验数据如表3、表4所示。

表3 化学成分试验数据

表4 力学性能试验数据

由试验数据可以看出：锻件试样在目测、探伤合格的情况下，试棒试验数据完全符合相关标准要求，从报告的试验数据可以看出，在硬度接近的情况下34Cr2Ni2Mo在抗拉强度、冲击功方面与4340相近，屈服强度略低于4340，在塑性和韧性方面优于4340，综合力学性能与4340接近。

4 34Cr2Ni2Mo吊钩试验数据

根据JB/T 6396—2006 《大型合金结构钢锻件 技术条件》标准要求，工件的截面尺寸对锻件性能影响较大。为了更好地验证该材料的性能和厂内热加工能力，进行进一步试验。采用34Cr2Ni2Mo制作了吊钩模型，该吊钩模型是吊钩热处理状态的毛坯件，轮廓尺寸与AP1000环吊双钩体尺寸基本接近，具体对比如图1所示。经过锻造、热处理、粗加工、调质、半精加工、探伤、在钩柄处取样等工序并进行试验，试验结果如表5、表6所示。

表5 34Cr2Ni2Mo材料化学成分和试验数据

表6 34Cr2Ni2Mo材料力学性能和试验数据

图1 吊钩及吊钩模型示意图

从表5数据可以看出，34Cr2Ni2Mo化学成分比较接近4340，综合力学性能也与4340接近，同时吊钩的力学性可以满足吊钩标准（GB/T 10051.1—2010《起重吊钩 第1部分：力学性能、起重量、应力及材料》表1）的最高强度等级（V级）要求。

5 载荷验证试验

为了更好地验证吊钩的承载能力，本项目按照ASME B30.10-2019《吊钩》相关要求编制了双倍载荷试验方案，在拉力试验机上对双钩（由吊钩模型精加工成双钩体）进行双倍载荷试验。具体试验方法为：载荷试验在拉力试验机上完成，载荷试验方案如图2所示；试验过程逐步加载，分别加载到额定载荷的50%、80%、100%、132%、169%，每阶段稳定后保持5 min，无异常后缓慢加载到额定载荷200%，保持30 s后逐步卸载；在试验前、后分别对吊钩钩口（包括中间销孔）尺寸进行测量，对吊钩表面进行无损检测，判断是否有变化。判断标准为：尺寸变化值不超过原尺寸1%；表面无裂纹；外形无变化，吊钩检查尺寸如图3所示。试验要求静载荷544 t，静载时间30 s，实际试验与要求相符，试验结果如表7所示。

图2 吊钩载荷试验示意图

图3 试验检查尺寸

由表7可知，对比载荷试验前后数据，无明显变化，吊钩表面未发现裂纹，试验结果完全满足标准（ASME B30.10-2019《吊钩》）要求。

6 结论

34Cr2Ni2Mo是吊钩推荐使用材料，常用于强度等级较高的吊钩，这种材料常用作核电站起重机、水电站大型桥式起重机等产品的吊钩材料。经过多年的试验验证，已投入使用的环吊在负载运行试验中使用性能良好，使用后检查结果符合标准要求，且大部分环吊已经在现场负载工作多年，未见异常。试验证明：34Cr2Ni2Mo作为国产材料完全可以替代4340材料。AP1000环吊吊钩材料的国产化，既降低了成本，又缩短了生产周期，为环吊设计制造国产化提供了试验依据。