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嘉峪檢測網(wǎng) 2020-04-28 11:16
目前我國核電設(shè)備機(jī)型眾多，技術(shù)路線多樣化，但由于核電工程標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，造成核電廠核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計和制造存在不必要的重復(fù)和消耗等情況，我國核電安全和自主化發(fā)展對統(tǒng)一核電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也提出了迫切需求。
在我國核電工程中，沖擊試驗常用標(biāo)準(zhǔn)有兩種，分別是GB/T 229－2007«金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法»和ASTM E23－2007a Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials，該兩種標(biāo)準(zhǔn)的不一致成為困擾核電技術(shù)路線統(tǒng)一的主要難點(diǎn)之一。具體的不一致主要體現(xiàn)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(jié)果影響較大的因素之一。目前核電行業(yè)對該兩種標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備用材SA-508Gr.3Cl.1鋼和SA-182F316LN鋼為研究對象，對比分析了GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a兩種標(biāo)準(zhǔn)試驗方法的差異，以供相關(guān)人員在進(jìn)行沖擊試驗時參考。
試樣制備和試驗方法
01 試樣制備
選用SA-508Gr.3Cl.1鋼和SA-182F316LN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。
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。
圖1 取樣位置和尺寸示意圖
為了排除試樣尺寸效應(yīng)的影響，均按照統(tǒng)一尺寸加工上述沖擊試樣，且盡量兼顧ASTM E23－2007a和GB/T 229－2007的要求。沖擊試樣的加工尺寸如圖2所示。
圖2 沖擊試樣的加工尺寸
將SA-508Gr.3Cl.1鋼和SA-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(jié)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(jù)GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a制定，取兩個標(biāo)準(zhǔn)要求的重合范圍)進(jìn)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(jī)抽取2個試樣進(jìn)行復(fù)檢，復(fù)檢結(jié)果如表1所示。
表1 沖擊試樣的尺寸要求和復(fù)檢結(jié)果
02 試驗方法
按照表2中沖擊試驗條件要求，采用國際和美標(biāo)的NI750C型沖擊試驗機(jī)分別按照GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a對1號試樣和2號試樣進(jìn)行試驗。在試驗前，分別按照上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的間接檢定方法對NI750C型沖擊試驗機(jī)進(jìn)行檢定。在沖擊試驗中，GB/T 229－2007考慮到取樣過程中會有溫度損失，規(guī)定了過冷補(bǔ)償，液氮溫度定為－192℃(液氮實際溫度為－196℃)，而ASTM E23－2007a并沒有規(guī)定過冷補(bǔ)償，規(guī)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(jié)果。
表2 沖擊試驗條件
試驗結(jié)果與討論
01 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。
圖3 兩種標(biāo)準(zhǔn)下不同試樣測得沖擊吸收能量隨溫度的變化曲線
由圖3a)可見，當(dāng)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(dāng)溫度上升到40℃時，兩者的沖擊吸收能量趨于恒定；當(dāng)溫度在－40℃以下時，按照這兩種標(biāo)準(zhǔn)測得的沖擊吸收能量較接近，且隨著溫度的降低，沖擊吸收能量均趨于平穩(wěn)，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/T 229－2007得到的試驗結(jié)果更嚴(yán)格，但在－15℃時仍遠(yuǎn)高于考核值(41J)。
由圖3b)可見，2號試樣沒有呈現(xiàn)出1號試樣的S形曲線，但在試驗溫度范圍內(nèi)，按照GB/T 229－2007測得的沖擊吸收能量均比按照ASTM E23－2007a測得的要低，且當(dāng)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ASTM E23－2007a得到的沖擊吸收能量分別為296J和315J，相差19J；由于SA-182F316LN鋼具有較好的韌性，因此在測試溫度范圍內(nèi)，2號試樣在兩種標(biāo)準(zhǔn)下測得的沖擊吸收能量遠(yuǎn)高于GB/T 229－2007對此類材料的考核值(當(dāng)溫度為0℃時沖擊吸收能量大于100J)，因此在核電工程中可統(tǒng)一按照GB/T 229－2007進(jìn)行沖擊試驗。
02 韌脆轉(zhuǎn)變溫度
在工程應(yīng)用領(lǐng)域，金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(即脆性斷面率達(dá)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(shù)之一，也是沖擊標(biāo)準(zhǔn)存在差異的重要方面。采用雙曲正切函數(shù)分別對1號試樣的沖擊功和脆性斷面率進(jìn)行擬合，得到?jīng)_擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線，如圖4所示。
圖4 不同標(biāo)準(zhǔn)下1號試樣沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線
可見1號試樣按照GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度較接近，分別為－12℃和－15℃，可見GB/T 229－2007比ASTM E23－2007a稍嚴(yán)格。
由于2號試樣按照不同標(biāo)準(zhǔn)試驗時均未出現(xiàn)晶狀斷面(為100％剪切斷面)，沒有韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，沖擊韌度良好，所以不存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度。
結(jié)論
(1)對SA-508Gr.3Cl.1鋼和SA-182F316LN鋼分別按照GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a進(jìn)行沖擊試驗，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，試驗結(jié)果更為嚴(yán)格保守。
(2)當(dāng)SA-508Gr.3Cl.1鋼的沖擊試驗溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時，按照GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a進(jìn)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(dāng)溫度低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時，兩種標(biāo)準(zhǔn)所得到的沖擊吸收能量較接近。對于SA-182F316LN鋼，在沖擊試驗溫度范圍內(nèi)，按照ASTM E23－2007a測得的沖擊吸收能量比按照GB/T 229－2007測得的要高，且當(dāng)溫度為－80℃時兩者差別最大。
(3)建議在我國核電工程中統(tǒng)一采用GB/T 229－2007(采用2mm擺錘)。該標(biāo)準(zhǔn)雖然比ASTM E23－2007a更嚴(yán)格，但由于鋼材沖擊吸收能量較高，遠(yuǎn)大于考核值，一般不存在驗收不合格比例高的風(fēng)險?？稍诤穗姽こ讨蟹e累常用鋼材的沖擊試驗數(shù)據(jù)，研究試驗值與驗收值的對應(yīng)關(guān)系，逐步統(tǒng)一按照GB/T 229－2007進(jìn)行核電工程材料沖擊試驗。
作者：張宏偉，工程師，核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所
來源：理化檢驗/張宏偉
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