三代核電鍛件材料落錘試驗(yàn)無(wú)效的工藝試驗(yàn)研究

楊在青，王振星，李冠軍，聶玉清

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233）

三代核電建造過(guò)程中，國(guó)內(nèi)很多的制造廠參與設(shè)備制造活動(dòng)，在制造過(guò)程中有時(shí)會(huì)存在一些問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間難以得到解決，對(duì)設(shè)備的交付進(jìn)度造成了很大的影響。為了保障設(shè)備交付的質(zhì)量，以及滿足核電建造的需要，設(shè)備采購(gòu)方針對(duì)此類情況會(huì)積極協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)院、制造廠進(jìn)行溝通交流，適時(shí)進(jìn)行幫扶指導(dǎo)，推動(dòng)質(zhì)量問(wèn)題的順利解決。

1 概述

國(guó)內(nèi)某制造廠在承制三代核電某型貫穿件鍛件的過(guò)程中，落錘試驗(yàn)出現(xiàn)較多無(wú)效的情況，需重新取樣進(jìn)行再次試驗(yàn)。貫穿件鍛件設(shè)備材料牌號(hào)為SA-336 F22 CL.3。

2 試驗(yàn)執(zhí)行情況核查及無(wú)效原因分析

在質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生后，對(duì)該制造廠所承制的三代核電某型鍛件落錘試驗(yàn)的情況進(jìn)行了梳理，發(fā)現(xiàn)SA-336 F22 CL.3材料的鍛件基本都存在無(wú)效的情況。設(shè)計(jì)院批準(zhǔn)的此類貫穿件鍛件試驗(yàn)方案為進(jìn)行通過(guò)性試驗(yàn)，即在確定的溫度對(duì)每個(gè)位置2個(gè)落錘試樣進(jìn)行落錘試驗(yàn),2個(gè)均未斷裂視為合格。

2.1 試驗(yàn)執(zhí)行情況核查

對(duì)制造廠落錘試樣制備到試驗(yàn)執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行了核查，未發(fā)現(xiàn)明顯不符合規(guī)范的情況：落錘試驗(yàn)按照ASTM E208-1991，選擇P3試樣，落錘沖擊能量按照產(chǎn)品實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值對(duì)應(yīng)ASTM E208-1991表來(lái)選擇。裂紋源焊材選用D127(EDPMn4-15)為低合金鋼堆焊焊條(GB/T984-2001)，為制造廠多年來(lái)一直使用的焊材。

2.2 無(wú)效原因分析

初步分析試驗(yàn)無(wú)效可能是因?yàn)槁溴N試驗(yàn)按照ASTM E208-1991表1確定的標(biāo)準(zhǔn)沖擊能量不夠。檢查了無(wú)效試樣與試驗(yàn)機(jī)底座的接觸情況，發(fā)現(xiàn)存在接觸痕跡，說(shuō)明不能滿足標(biāo)準(zhǔn)中增加沖擊能量的條件。

3 工藝試驗(yàn)的開展

3.1 焊材工藝試驗(yàn)（采用45Mn材料）

制造廠采用45Mn材料執(zhí)行了對(duì)所用裂紋源焊材D127（EDPMn4-15, Φ4.0，批號(hào)：17721301）的工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如下：

3.1.1 試樣的制備情況

共準(zhǔn)備10件P2試樣，焊接6件,其他4件備用。本次焊材焊接前未進(jìn)行烘干處理（采用其他廠家的常規(guī)做法），試樣1、2、3采用電流180A, 試樣4、5、6采用電流190A。采用銅模板，試樣在水箱中進(jìn)行焊接。

3.1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)依據(jù)ASTM E208-1991，試驗(yàn)溫度為室溫25℃（注明：各方認(rèn)可按照SA-336 F22 CL.3材料來(lái)選定工藝試驗(yàn)溫度，根據(jù)之前對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解，焊材工藝試驗(yàn)溫度應(yīng)為TNDT溫度以上55℃，按照已經(jīng)設(shè)計(jì)院批準(zhǔn)的試驗(yàn)方案，SA-336 F22 CL.3材料最低的TNDT溫度為-33℃，故試驗(yàn)溫度需高于22℃）,沖擊能量根據(jù)實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值選擇350J（之前已通過(guò)拉伸試驗(yàn)得出這批45Mn試料的屈服強(qiáng)度為329MPa）。

試驗(yàn)結(jié)果：試樣2、6開裂，其他試樣斷裂，未出現(xiàn)無(wú)效試樣。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析及后續(xù)計(jì)劃

本次落錘試樣的制作工藝及試驗(yàn)過(guò)程與之前產(chǎn)品試驗(yàn)所用工藝基本相同，除了試料材質(zhì)差異（材料采用45Mn，未進(jìn)行模擬焊后熱處理）、試樣形式差異（工藝試驗(yàn)P2試樣，試樣產(chǎn)品P3試樣）、焊材未進(jìn)行烘干處理以及增加了采用190A電流的3個(gè)試樣，未出現(xiàn)無(wú)效試樣，基本可以排除焊接電流等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

其后用備用試料又補(bǔ)充制作了2件試件（采用焊條350℃烘干1h，分別為7#、8#試樣），試驗(yàn)結(jié)果為7#試樣開裂，8#試樣斷裂，基本可以排除焊材烘干對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。各方據(jù)此初步認(rèn)可了制造廠所用庫(kù)存焊材的選擇及焊接工藝的可行性，同意制造廠可按降溫方案進(jìn)行產(chǎn)品工藝試驗(yàn)。

3.2 產(chǎn)品工藝試驗(yàn)（降溫方案）

3.2.1 試樣的制備情況檢查

制造廠選取試料充足的1件SA-336 F22 CL.3材料鍛件兩端頭取樣進(jìn)行了試驗(yàn)，每個(gè)位置準(zhǔn)備8件P3試樣，焊材為所用庫(kù)存D127焊材（EDPMn4-15，Φ4.0，批號(hào)：17721301）。試料模擬焊后熱處理參數(shù)與正式試驗(yàn)時(shí)相同，焊前焊材350℃烘干1h，電流180A。采用銅模板，試樣在水箱中進(jìn)行焊接。

3.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)依據(jù)ASTM E208-1991，沖擊能量根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值選擇400J，溫度保溫45min。

（1）原溫度試驗(yàn)。2個(gè)位置各取1件按經(jīng)設(shè)計(jì)院批準(zhǔn)的試驗(yàn)方案規(guī)定的溫度-10℃進(jìn)行試驗(yàn)；結(jié)果：2件均無(wú)效。

（2）降低20℃試驗(yàn)。2個(gè)位置各取1件在-30℃進(jìn)行試驗(yàn)；結(jié)果：2件均無(wú)效。

（3）再降低15℃試驗(yàn)。2個(gè)位置各取2件在-45℃進(jìn)行試驗(yàn)；結(jié)果：T端1件開裂，1件斷裂；B端2件均開裂（合格）。

（4）T端升高5℃試驗(yàn)。T端在-40℃進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果：一共打了4件，第1件無(wú)效，第2件開裂，第3件無(wú)效，第4件開裂（T端有2件開裂，合格）。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析及后續(xù)計(jì)劃

本次工藝試驗(yàn)在原規(guī)定溫度進(jìn)行落錘試驗(yàn)仍然無(wú)效，通過(guò)降低溫度進(jìn)行試驗(yàn)最終取得了有效結(jié)果，但是試驗(yàn)過(guò)程中還是出現(xiàn)了2件無(wú)效。

3.3 對(duì)工藝試驗(yàn)試樣進(jìn)行金相分析

制造廠隨機(jī)抽取了已完成試驗(yàn)的SA-336 F22 CL.3（不合格、無(wú)效、合格）和45Mn（合格、不合格）材料落錘工藝試驗(yàn)試樣各一件進(jìn)行了金相分析（宏觀金相、微觀金相），得出的結(jié)論是：同種材料不同試驗(yàn)結(jié)果的落錘試樣金相組織沒(méi)有明顯差別，焊縫組織較細(xì)，無(wú)明顯脆性組織；其后，制造廠又補(bǔ)充對(duì)之前SA-350 LF2 CL.1材料落錘試驗(yàn)合格的一件試樣進(jìn)行了金相分析，也未發(fā)現(xiàn)明顯脆性組織。

3.4 焊材工藝試驗(yàn)（使用SA-336 F22 CL.3材料做為試料）的執(zhí)行

3.4.1 試樣的制備情況檢查

選取試料充足的1件SA-336 F22 CL.3材料鍛件取樣進(jìn)行了試驗(yàn)，準(zhǔn)備8件試樣，其中4件P2試樣（制造廠焊接、試驗(yàn)），焊材為庫(kù)存D127焊材（EDPMn4-15），Φ4.0，批號(hào)：17721301；4件P3試樣（試料模擬焊后熱處理后提供給第三方制造廠用自用焊材焊接、試驗(yàn)）。8件試料同爐進(jìn)行模擬焊后熱處理，參數(shù)與正式試驗(yàn)時(shí)相同。

3.4.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

試驗(yàn)溫度為10℃（根據(jù)前期工藝試驗(yàn)的結(jié)果，各方一致認(rèn)為SA-336 F22 CL.3材料的TNDT溫度應(yīng)該在-45℃，焊材工藝試驗(yàn)溫度應(yīng)為TNDT溫度以上55℃，所以試驗(yàn)溫度確定為10℃）,沖擊能量根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值選擇400J。試驗(yàn)結(jié)果：4件P2試樣均無(wú)效。

對(duì)已完成試驗(yàn)的4件P2試樣進(jìn)行了觀察，確認(rèn)無(wú)明顯與底座接觸的痕跡；對(duì)試驗(yàn)機(jī)底座尺寸進(jìn)行了復(fù)測(cè)，未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；在這4件P2試樣中隨機(jī)選取2件再次進(jìn)行落錘沖擊，試驗(yàn)溫度為常溫（32℃左右），其中1件沖擊能量增加68J，另一件增加136J，結(jié)果為：試樣表面有明顯與底座接觸痕跡，但是，試驗(yàn)結(jié)果仍舊無(wú)效。

3.5 工藝試驗(yàn)（制造廠提供試料，第三方制造廠用自用焊材焊接、試驗(yàn)）執(zhí)行

3.5.1 試樣的制備情況檢查

4件P3試樣由制造廠提供，試件情況見(jiàn)3.4.1章節(jié)；裂紋源焊材為第三方制造廠自用CHR127焊材（EDPMn4-15，φ5.0），批號(hào)：158054；本次焊接由第三方制造廠經(jīng)驗(yàn)相對(duì)豐富的焊工施焊，焊接參數(shù)滿足制造廠落錘試樣焊接工藝規(guī)程的要求，焊前焊材350℃烘干1h，電流190～195A。采取逐件制作試樣，共制作2件試樣，剩余2件備用。

3.5.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)依據(jù)ASTM E208-1991，按照設(shè)計(jì)院批準(zhǔn)的產(chǎn)品試驗(yàn)方案，試驗(yàn)溫度為-10℃，保溫45min，沖擊能量根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值選擇400J。試驗(yàn)結(jié)果：2件試樣焊縫均開裂，試驗(yàn)有效。

3.5.3 試驗(yàn)結(jié)果分析及后續(xù)計(jì)劃

各方據(jù)此認(rèn)為，制造廠所用庫(kù)存焊材存在問(wèn)題的可能性較大，建議進(jìn)行雙向?qū)Ρ仍囼?yàn)，即由第三方制造廠提供自用焊材給制造廠進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)，由制造廠提供所用庫(kù)存焊材給第三方制造廠（使用制造廠提供的剩余2件P3試樣）進(jìn)行試驗(yàn)。

3.6 工藝試驗(yàn)（制造廠提供試料及庫(kù)存焊材，第三方制造廠焊接、試驗(yàn)）執(zhí)行

3.6.1 試樣的制備情況檢查

試樣為章節(jié)3.5.1備用的2件P3試樣；焊材為制造廠提供的庫(kù)存D127焊材D127（EDPMn4-15,Φ4.0，批號(hào)：17721301）；由第三方制造廠經(jīng)驗(yàn)相對(duì)豐富的焊工施焊，焊接參數(shù)滿足制造廠落錘試樣焊接工藝規(guī)程的要求，焊前焊材350℃烘干1h，電流180～185A。

3.6.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

試驗(yàn)依據(jù)ASTM E208-1991，按照設(shè)計(jì)院批復(fù)的產(chǎn)品試驗(yàn)方案，試驗(yàn)溫度為-10℃，保溫45min，沖擊能量根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值選擇400J。僅對(duì)1件試樣進(jìn)行了試驗(yàn)，另一件備用。同時(shí)，對(duì)制造廠提供的一件已制備好的SA-336 F22 CL.3材料落錘試樣進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果：2件均無(wú)效。

3.7 工藝試驗(yàn)（由制造廠用第三方制造廠焊材焊接、試驗(yàn)）的執(zhí)行。

3.7.1 試樣制備情況檢查

焊材由第三方制造廠提供，CHR127焊材（EDPMn4-15），φ5.0，批號(hào)：158054。

制作2件試件，試料取自1件試料充足SA-336 F22 CL.3材料鍛件，模擬焊后熱處理參數(shù)與正式試驗(yàn)時(shí)相同。試樣水箱中焊接，焊前焊材350℃烘干1h，電流190A。

3.7.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

試驗(yàn)依據(jù)ASTM E208-1991，按照設(shè)計(jì)院批準(zhǔn)的產(chǎn)品試驗(yàn)方案，試驗(yàn)溫度為-10℃，保溫45min，沖擊能量根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值選擇400J。結(jié)果：2件試樣試驗(yàn)結(jié)果均有效。

3.7.3 試驗(yàn)結(jié)果分析及后續(xù)計(jì)劃

根據(jù)以上已完成的工藝試驗(yàn)結(jié)果，各方一致認(rèn)為：落錘試驗(yàn)無(wú)效的原因?yàn)橹圃鞆S之前所使用的庫(kù)存焊材與SA-336 F22 CL.3材料不匹配，建議制造廠立即重新采購(gòu)焊材并在使用前進(jìn)行焊材工藝試驗(yàn)。

4 新購(gòu)焊材的工藝試驗(yàn)

4.1 試樣的制備情況檢查

準(zhǔn)備3件P2試樣，裂紋源焊材為新購(gòu)的CHR127焊材（EDPMn4-15），φ4.0， 批 號(hào)：178018； 試 料 取 自 1件試料充足的SA-336 F22 CL.3材料鍛件，制作工藝同章節(jié)3.2.1，試樣加工后尺寸滿足ASTM E208-1991中P2試樣的要求。

4.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

試驗(yàn)依據(jù)ASTM E208-1991，沖擊能量根據(jù)實(shí)際屈服強(qiáng)度的數(shù)值選擇400J，焊材工藝試驗(yàn)溫度為10℃，保溫45min。結(jié)果：3件均開裂，有效。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)及后續(xù)措施

針對(duì)新購(gòu)焊材的焊材工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為3件試樣均開裂，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)所完成的一系列工藝試驗(yàn)，各方認(rèn)為已確定了之前落錘試驗(yàn)無(wú)效的原因?yàn)橹圃鞆S所用庫(kù)存焊材與SA-336 F22 CL.3材料不匹配，新購(gòu)焊材工藝試驗(yàn)?zāi)軌驖M足標(biāo)準(zhǔn)要求，可用于產(chǎn)品落錘試驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)大量的工藝試驗(yàn)，最后證明是制造廠所用裂紋源焊材與產(chǎn)品材料不匹配，雖然所用焊材牌號(hào)為國(guó)內(nèi)制造廠普遍采用，原材料質(zhì)量證明文件、入廠驗(yàn)收也符合要求，但是，因?yàn)楹覆纳a(chǎn)廠家不同，焊材性能可能會(huì)存在一定差異。

對(duì)新材料產(chǎn)品或者采用新廠商生產(chǎn)的焊材，建議制造廠在開始使用時(shí)或者出現(xiàn)無(wú)效的情況后，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊材工藝試驗(yàn)，以驗(yàn)證裂紋源焊材與產(chǎn)品材料的匹配性。