摘 要:我國核電工程沖擊試驗通常采用 GB/T２２９－２００７和 ASTM E２３－２００７a兩種標準,以核 電工程常用的SAＧ５０８Gr．３Cl．１鋼和SAＧ１８２F３１６LN 鋼為研究對象,從沖擊吸收能量和韌脆轉變溫度 兩方面對比分析了兩種標準的差異.結果表明:GB/T２２９－２００７更嚴格,按此標準測得的沖擊吸收 能量比按照 ASTME２３－２００７a測得的要低;當SAＧ５０８Gr．３Cl．１鋼的試驗溫度高于韌脆轉變溫度時, 采用兩種標準測得的沖擊吸收能量差值均隨溫度升高而增大;當溫度低于韌脆轉變溫度時,采用兩種 標準測得的沖擊吸收能量較接近;SAＧ１８２F３１６LN 鋼在試驗溫度范圍內,按照 ASTM E２３－２００７a測 得的沖擊吸收能量均比按照 GB/T２２９－２００７測得的要高,且在－８０ ℃兩者差別最大.建議在充分 積累核電工程材料沖擊性能數據的基礎上,逐步采用 GB/T２２９－２００７進行核電材料沖擊性能評價.
關鍵詞:核電工程;沖擊試驗;標準;沖擊吸收能量
中圖分類號:TG１１５．５ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０３Ｇ００２２Ｇ０４
目前我國核電設備機型眾多,技術路線多樣化, 但由于核電工程標準不統一,造成核電廠核島機械 設備設計和制造存在不必要的重復和消耗等情況, 我國核電安全和自主化發展對統一核電相關標準也 提出了迫切需求[１].在我國核電工程中,沖擊試驗 常用標準有兩種,分別是 GB/T２２９－２００７«金屬材 料 夏比擺錘沖擊試驗方法»和 ASTM E２３－２００７a StandardTestMethodsfor Notched BarImpact TestingofMetallicMaterials,該兩種標準的不一致成為困擾核電技術路線統一的主要難點之一.具 體的不一致主要體現在擺錘刀刃半徑不同(分別為 ２mm 和８mm),而擺錘刀刃半徑是對試驗結果影 響較大的因素之一[２].目前核電行業對該兩種標準 的選用,特別是擺錘刀刃半徑的選取存在較大分歧. 為此,筆者以核電工程中最具代表性的核安全一級 設備用材 SAＧ５０８Gr．３Cl．１鋼和 SAＧ１８２F３１６LN 鋼 為研 究 對 象,對 比 分 析 了 GB/T ２２９－２００７ 和 ASTM E２３－２００７a兩種標準試驗方法的差異,以 供相關人員在進行沖擊試驗時參考.
１ 試樣制備和試驗方法
１．１ 試樣制備
選用 SAＧ５０８Gr．３Cl．１鋼和 SAＧ１８２F３１６LN 鋼 的鍛件分別作為壓力容器和主管道用材.此兩種材 料的沖擊性能也是我國核電工程中的考核項目[３]. 在上述材料的１/２厚度處分別截取沖擊試樣,取樣 位置和尺寸如圖１所示.
為了排除試樣尺寸效應的影響,均按照統一尺寸加工上 述 沖 擊 試 樣,且 盡 量 兼 顧 ASTM E２３－ ２００７a和 GB/T２２９－２００７的要求.沖擊試樣的加 工尺寸如圖２所示.將 SAＧ５０８Gr．３Cl．１鋼和 SAＧ １８２F３１６LN 鋼的沖擊試樣分別記為 １ 號試樣和 ２ 號試樣.采用投影曲線磨方法加工試樣缺口,該方 法的加工精度高并能最大限度地降低對試驗結果的 影響.加工完成后,對沖擊試樣的尺寸按照表１的 要求(根據 GB/T２２９－２００７和 ASTM E２３－２００７a 制定,取兩個標準要求的重合范圍)進行初檢.抽檢 試樣尺寸均滿足表１要求,再從兩種試驗鋼中隨機 抽取２個試樣進行復檢,復檢結果如表１所示.
１．２ 試驗方法
按照表２中沖擊試驗條件要求,采用國際和美 標的 NI７５０C 型沖擊試驗機分別按照 GB/T２２９－ ２００７和 ASTME２３－２００７a對１號試樣和２號試樣 進行試驗.在試驗前,分別按照上述標準規定的間 接檢定方法對 NI７５０C型沖擊試驗機進行檢定.在 沖擊試驗中,GB/T２２９－２００７考慮到取樣過程中 會有溫 度 損 失,規 定 了 過 冷 補 償,液 氮 溫 度 定 為 －１９２ ℃(液 氮 實 際 溫 度 為 －１９６ ℃),而 ASTM E２３－２００７a并沒有規定過冷補償,規定液氮溫度仍 為－１９６ ℃.在每個溫度下試驗３次,取平均值作 為試驗最終結果.
２ 試驗結果與討論
２．１ 沖擊吸收能量
１號試樣和２號試樣在不同試驗條件下的沖擊 吸收能量隨試驗溫度的變化如圖３所示.由圖３a) 可見,當溫度在－４０ ℃以上時,１號試樣按照 GB/T ２２９－２００７測得的沖擊吸收能量比按照 ASTM E２３ －２００７a測得的要低,且隨著溫度的升高,兩者的沖 擊吸收能量的差值越來越大;當溫度上升到４０ ℃ 時,兩 者 的 沖 擊 吸 收 能 量 趨 于 恒 定;當 溫 度 在 －４０ ℃以下時,按照這兩種標準測得的沖擊吸收能 量較接近[４],且隨著溫度的降低,沖擊吸收能量均趨 于平穩,變化較小.ASTM E２３－２００７a中要求試 驗溫度 為 －１５ ℃ 時 試 樣 的 沖 擊 吸 收 能 量 不 小 于４１J,按照 GB/T２２９－２００７得到的試驗結果更嚴 格,但在－１５ ℃時仍遠高于考核值(４１J).
由圖３b)可見,２號試樣沒有呈現出１號試樣的 S形曲線,但在試驗溫度范圍內,按照 GB/T２２９－ ２００７測得的沖擊吸收能量均比按照 ASTM E２３－ ２００７a測得的要低,且當溫度為－８０ ℃時,兩者的沖 擊吸收能量的差值最大;在液氮溫度下,按照 GB/T ２２９－２００７和 ASTME２３－２００７a得到的沖擊吸收能 量分 別 為 ２９６J 和 ３１５J,相 差 １９J;由 于 SAＧ １８２F３１６LN鋼具有較好的韌性,因此在測試溫度范圍 內,２號試樣在兩種標準下測得的沖擊吸收能量遠高 于 GB/T２２９－２００７對此類材料的考核值(當溫度為 ０℃時沖擊吸收能量大于１００J),因此在核電工程中 可統一按照 GB/T２２９－２００７進行沖擊試驗.
２．２ 韌脆轉變溫度 在工程應用領域,
金屬材料的韌脆轉變溫度(即 脆性斷面率達到５０％時的溫度,記為FATT５０)是評 價金屬材料韌性的主要性能參數之一[５],也是沖擊 標準存在差異的重要方面.采用雙曲正切函數分別 對１號試樣的沖擊功和脆性斷面率進行擬合,得到 沖擊韌脆轉變曲線,如圖４所示.可見１號試樣按 照 GB/T２２９－２００７和 ASTM E２３－２００７a得 到 的韌脆轉變溫度較接近,分別為－１２ ℃和－１５ ℃,可 見 GB/T ２２９－２００７ 比 ASTM E２３－２００７a 稍 嚴格.
由于２號試樣按照不同標準試驗時均未出現晶 狀斷面(為１００％剪切斷面),沒有韌脆轉變現象,沖 擊韌度良好,所以不存在韌脆轉變溫度.
３ 結論
(１)對 SAＧ５０８Gr．３Cl．１ 鋼 和 SAＧ１８２F３１６LN 鋼分 別 按 照 GB/T ２２９－２００７ 和 ASTM E２３－ ２００７a進行沖擊試驗,按照 GB/T２２９－２００７ 測得 的沖擊吸收能量比按照 ASTM E２３－２００７a測得的 要低,試驗結果更為嚴格保守.
(２)當SAＧ５０８Gr．３Cl．１鋼的沖擊試驗溫度高于 韌脆轉 變 溫 度 時,按 照GB/T２２９－２００７ 和 ASTM E２３－２００７a進行試驗所得到的沖擊吸收能量的差值 隨溫度升高而增大,并在４０℃及以上時趨于恒定;當 溫度低于韌脆轉變溫度時,兩種標準所得到的沖擊吸 收能量較接近.對于SAＧ１８２F３１６LN 鋼,在沖擊試驗 溫度范圍內,按照 ASTM E２３－２００７a測得的沖擊吸 收能量比按照 GB/T２２９－２００７測得的要高,且當溫 度為－８０℃時兩者差別最大.
(３)建議在我國核電工程中統一采用GB/T２２９ －２００７(采 用 ２ mm 擺 錘).該 標 準 雖 然 比 ASTM E２３－２００７a更嚴格,但由于鋼材沖擊吸收能量較高, 遠大于考核值,一般不存在驗收不合格比例高的風 險.可在核電工程中積累常用鋼材的沖擊試驗數據, 研究試 驗 值 與 驗 收 值 的 對 應 關 系,逐 步 統 一 按 照 GB/T２２９－２００７進行核電工程材料沖擊試驗.
參考文獻:
[１] 梁雪元,張宏偉,吳飛飛,等．核電廠核島機械設備標 準的融合[J]．核標準計量與質量,２０１８,１２３(１):２Ｇ７．
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[３] 李士模,湯美玲,朱正清．核電廠核島機械設備材料 標準的現狀及對材料標準的需求[J]．核標準計量與 質量,２００３,６３(１):１３Ｇ２３．
[４] 李曉冬,丁陽,顧 佳 磊．擺 錘 刀 刃 半 徑 對 SA５０８Gr． ３Cl．２鋼沖擊試驗結果的影響[J]．理化檢驗(物理分 冊),２０１８,５４(８):５７８Ｇ５８１．
[５] 許鶴君．金屬材料韌脆轉變溫度檢測中的一些關鍵 問題[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１７,５３(６):４２２Ｇ４２７
<文章來源>材料與測試網>期刊論文>理化檢驗－物理分冊>56卷>3期(pp:22-25)>