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        爆破閥用剪切蓋材料690合金含碳量的選材分析

        2018-09-05 來源:本站原創

        爆破閥用剪切蓋材料690合金含碳量的選材分析
        李軍業
        中核蘇閥科技實業股份有限公司, 蘇州 215129

        摘要 本文通過對爆破閥剪切蓋材料690合金的機械性能進行分析,提出了材料含碳量的選材要求,并通過試驗證明了選材的正確性。
        關鍵詞 爆破閥;剪切蓋材料;690合金;含碳量

        Carbon Content Analysis for 690 Material Used for Shear Cap for Squib Valve
        LI Jun-ye
        SUFA Technology Industry Co., Ltd. CNNC, Suzhou 215129, China

        Abstract: This article provides the proposal carbon content for 690 material used for shear cap for squib valves according to the analysis of the mechanical properties requirements for the shear cap material specification.
        Key words: Squib valve, Sear cap material, 690 alloy, Carbon content

        1、 前言
        爆破閥是三代核電AP1000技術轉讓國產化關鍵設備,其與二代或二代改進型壓水堆核電站用閥門有著本質的不同。爆破閥剪切蓋是爆破閥工作的重要組成部分。不僅需要依靠密閉的剪切蓋來保證爆破閥關閉時的密封性,確保不會發生泄漏,而且在事故階段,還需要保證剪切蓋能順利切斷,確保閥門開啟。[1]
        目前三代核電站AP1000爆破閥剪切蓋材料采用Inconel 690合金,該合金是一種30%鉻含量的奧氏體型鎳基耐蝕合金。
        本文結合爆破閥剪切蓋材料規范要求進行分析,提出了選材時為了滿足性能的材料含碳量要求,并通過實驗證明了其正確性。
        2、 爆破閥剪切蓋材料性能要求
        2.1化學成分要求
        根據爆破閥剪切蓋用690合金棒材規范[2],爆破閥剪切蓋690材料化學成分應滿足表1要求。
        表1 爆破閥剪切蓋材料化學元素限值(wt.%)
        Nickel 鎳 58.0min
        Chromium 鉻 28.0-31.0
        Iron 鐵 7.0-11.0
        Manganese 錳 0.5max
        Silicon 硅 0.5max
        Carbon* 碳 0.015-0.030
        Aluminum* 鋁 0.5max
        Titanium* 鈦 0.5max
        Boron* 硼 0.005max
        Nitrogen* 氮 0.05max
        Sulfur* 硫 0.010 max
        Phosphorus* 磷 0.015max
        Copper* 銅 0.20max
        Niobium* 鈮 0.10max
        Molybdenum* 鉬 0.10max
        Cobalt* 鈷 0.05max
        注:該元素限值比SB-166規范要求更嚴格,或者是另外提出的。

        2.2機械性能要求
        根據爆破閥剪切蓋用690合金棒材規范[2],爆破閥剪切蓋690材料室溫力學性能應滿足表2要求。
        表2 爆破閥剪切蓋材料的室溫力學性能要求
        抗拉強度
        Rm,MPa 屈服強度
        Rp0.2,MPa 延伸率
        A,% Rm×A
        MPa
        586-689 241-345 46-58 304-359
        此外,材料規范還提出了晶粒度和碳化物分布的要求[2]:
        1)熱處理后,材料晶粒度應按ASTM E112進行測定,達到3~8級要求。
        2)熱處理后的產品應具有以下特征:碳化物在所有晶界連續析出,而晶粒內碳化物析出密度很低。金相檢測的方法是用500倍電子顯微鏡掃描經2%溴甲醇處理過的試樣。

        3、 選材分材
        從表2可以看出,為保證爆破閥剪切蓋60年內壓力邊界完整,同時保證在一定裝藥量下剪切蓋能成功被剪斷,因此,爆破閥剪切蓋材料的機械性能(抗拉強度、屈服強度、延伸率)都限定在一個很窄的范圍區間內,且對抗拉強度和延伸率的乘積也限定在一下很窄的范圍區間內。因此,爆破閥剪切蓋材料的難點在于滿足其嚴格的機械性能要求。
        表1規定了爆破閥剪切蓋材料的化學成分限制,其中對材料力學性能影響比較大的主要是碳含量,研究表明[3],碳含量對晶粒尺寸的影響見圖1,從中可以看出,碳質量分數在0.011%-0.033%范圍內時,隨著碳含量的逐漸增加,平均晶粒尺寸從23μm減小到10μm,在碳質量分數超過0.020%時,晶粒尺寸降低幅度較大。碳含量對室溫力學性能的影響見圖2,從中可以看出,隨著碳含量的增加,室溫抗拉強度從702.5MPa提高到810MPa,屈服強度從300MPa提高到402.5MPa;同時當碳的質量分數超過0.020%時,力學性能增加幅度較大。

        圖1 不同碳含量對固溶態(左)和脫敏態(右)690合金晶粒度的影響[3]


        圖2 不同碳含量對固溶態690合金室溫力學性能的影響[3]

        從表2可以看出,爆破閥剪切蓋用690合金棒材的抗拉強度應在586-689MPa區間范圍內,屈服強度應在241-345MPa區間范圍內。結合圖1和圖2可以得出初步分析結果,即爆破閥剪切蓋用690合金棒材的碳含量上限值應限制在0.020%以下比較合理,碳含量不宜超過0.020%,即碳含量應限制在0.015%-0.020%之間。因為當碳含量超過0.020%后,其抗拉強度和屈服強度的增加幅度將比較大,易于超出爆破閥剪切蓋用690合金棒材的力學性能上限值。

        4、 試驗驗證
        4.1試驗材料
        采用直徑為25mm的690合金鍛棒(車光)作為試驗材料,其含碳量為0.018%,合金實際化學成分見表3,其滿足表1的要求。
        表3 實驗用690合金鍛棒的化學成分(wt%)
        元素 C Mn S P Si Ni Cr Al Ti Cu
        含量 0.018 0.04 0.002 0.007 0.09 59.70 29.73 0.19 0.25 0.02
        元素 Sn As Pb N Fe Mo Nb B Co
        含量 0.001 0.001 0.001 0.008 9.63 0.02 0.02 0.001 0.015

        4.2試驗結果
        在固溶溫度分別為1030℃、1050℃和脫敏溫度為715℃下,對材料進行了熱處理,熱處理后690合金晶粒度分別為6.5級和6級,滿足技術指標要求。
        對浸蝕后的690合金試樣,采用掃描電鏡對碳化物分布形貌進行了觀測研究,組織照片見圖3~圖4,從圖中可見,其碳化物均在晶界連續析出,基本無晶粒內碳化物析出,碳化物分布均滿足要求。

        圖3碳化物分布(1030℃×1h+715℃×8h) 圖4碳化物分布(1050℃×1h+715℃×8h)

        熱處理后的690合金棒材的室溫力學性能(包括抗拉強度、屈服強度、延伸率、及抗拉強度×延伸率乘積)見表4,滿足技術指標要求。
        表4力學性能
        熱處理工藝 平行試樣 室溫力學性能
        抗拉強度
        Rm,MPa 屈服強度
        Rp0.2,MPa 延伸率
        A,% Rm×A
        MPa
        1030℃×1h+715℃×8h 1 668 298 48.5 324.0
        2 664 289 47.5 315.4
        1050℃×1h+715℃×8h 1 660 278 48.5 320.1
        2 666 284 48.5 323.0

        5、 結論
        1)為滿足爆破閥剪切蓋材料規范的要求,材料碳含量不宜超過0.020%,即碳含量應限制在0.015%-0.020%之間。
        2)在含碳量0.018%的試驗材料中,固溶溫度分別1030℃、1050℃均能獲得滿足材料規范的技術性能指標。

        參考文獻
        [1] 樂秀輝,盛燮康,李軍業. AP1000核島主要閥門特點. 通用機械[J],2010,(7)
        [2] 李軍業,吳輝,宋志剛,豐涵. 爆破閥剪切蓋690合金熱處理工藝. 閥門[J],2016,(3)
        [3] 周思源,鄭文杰,宋志剛,張立波,豐涵.碳含量對690合金組織和力學性能的影響及強化機制.鋼鐵[J],2012,47(8)


        作者簡介:
        姓名:李軍業
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