使用工况条件下核用18Ni(300)钢拉杆的力学性能

丁 明, 胡卉桦, 刘 攀, 郝宪朝, 马颖澈

[1.中核武汉核电运行技术股份有限公司, 武汉 430223;2.中国科学院核用材料与安全评价重点实验室(中国科学院金属研究所), 沈阳 110016]

蒸汽发生器传热管是压水堆核电站一、二回路的压力边界[1],在高温、高压、振动和应力等复杂工况条件下,随着运行时间的延长,部分传热管发生腐蚀损伤[2-3],以及传热管壁厚减薄、破损或泄漏现象,影响核电站的安全运行。为了保证核电站的正常运行,通常对缺陷传热管两端进行封堵。目前核电站广泛使用拉拔式机械堵管技术对蒸汽发生器传热管进行堵管,即将包括外管和滑块的拉拔式机械堵头装入传热管内,通过拉杆拉动滑块,滑块与外管之间的倒锥面结构因滑块向下滑动而使外管发生外径变大的塑性变形,使得外管外表面与传热管紧密贴合,从而达到封堵的目的。

拉杆为细长杆件,在使用拉杆的过程中,拉杆上端通过螺纹与堵头滑块连接,下端通过台阶面与拉拔液压缸连接,为实现密封,拉杆需承受较大的轴向拉力;拉杆受堵头结构尺寸的限制,截面面积较小,且工程使用过程中出现过拉杆拉断的现象,为避免拉杆断裂,拉杆材料需要具备较高的硬度、屈服强度及良好的疲劳性能。拉杆材料选用18Ni系马氏体时效钢,这类材料以超低碳的Fe-Ni马氏体为基体,通过时效处理过程中基体析出弥散的金属间化合物来实现材料的强化[4]。

18Ni系时效钢主要有18Ni(200)、18Ni(250)、18Ni(300)[5]、18Ni(350)、18Ni(400)和18Ni(400)[6],随着强度的增大,材料的断裂韧性明显降低,为了与拉拔式机械堵头外管和滑块材料的拉伸性能、变形行为、硬度相适应,选用时效18Ni(300)钢制备拉杆。LI等[7]指出析出相与基体的晶格错配程度较低能够促进材料发生均匀变形,改善材料的断裂韧性。SINHA等[8]和JHA等[9]指出显微组织细化有益于改善材料的断裂韧性。此外,提高材料的纯净度也是改善冲击韧性的有效措施[10]。一般地,载荷性质(如静载荷、冲击载荷或交变载荷)、加载频率、服役工况、材料表面状态等均会影响18Ni系时效钢的疲劳性能。罗文英等[11]的研究结果显示,随着加载频率的增大,18Ni系时效钢疲劳寿命先延长后缩短。厉鑫洋等[12]的研究指出,经过480 ℃时效处理的18Ni(250)钢获得了最佳的低周疲劳性能。WANG等[13]对疲劳裂纹形成的研究显示,在高应力状态下,2 800 MPa时效钢的疲劳裂纹主要起源于试样表面,在低应力条件下,疲劳裂纹起源于内部夹杂物。

笔者选用热处理状态是时效的18Ni(300)钢制备蒸汽发生器传热管拉拔式机械堵管用拉杆试样,对拉杆在接近使用工况条件下的疲劳和断裂行为进行试验研究,分析了断裂机理,为确定拉杆使用寿命及明确出厂检验指标提供了理论依据。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

对18Ni(300)钢热轧棒材进行热处理。在850 ℃下进行固溶处理,保温时间为65 min,保温后将棒材水淬冷却至室温。采用机械加工方法将固溶处理的热轧棒材加工成拉杆试样,成型后对其进行480 ℃时效处理,保温时间为4 h,保温后空冷至室温。因为拉杆最薄弱的环节为前端螺纹的退刀槽,为避免拉杆在受力过程中发生应力集中,退刀槽过渡处设置有圆角,其半径R为0.5 mm。

图1 拉杆螺纹端倒角结构示意

1.2 试验方法

为了使拉拔式机械堵头发生合适的塑性变形,将堵头安装过程中的拉拔力控制为56 ～61 kN,并保持2 s,以达到密封效果;根据堵头的安装经验,堵头安装过程的加载周期为9 s,卸载周期为4 s。试验加载过程如图2所示,在上述使用工况条件下,用拉伸试验机循环加载,直至拉杆断裂,测试时采用3个平行试样。

图2 试验加载过程示意

用扫描电镜(SEM) 观察断口的形貌,用光学显微镜(OM)测定晶粒度,用透射电镜(TEM)观察时效态的显微组织,用FeCl3溶液腐蚀金相试样[14]。

2 试验结果

2.1 显微组织

固溶处理后18Ni(300)钢的显微组织形貌如图3所示。由图3可知:原奥氏体晶粒尺寸约为24 μm,对应的晶粒度为7.0级;组织中含有少量的残余奥氏体。经480℃时效处理的18Ni(300)钢的显微组织形貌如图4所示。统计结果显示,原奥氏体晶粒尺寸约为26 μm,与图3所示的固溶态晶粒尺寸一致,表明时效过程中原奥氏体晶粒未发生粗化,这与时效温度较低有关。由图3,4可知,时效组织中未观察到残余奥氏体。

图3 固溶处理后18Ni(300)钢的显微组织形貌

图4 经480 ℃时效处理的18Ni(300)钢的显微组织形貌

利用TEM观察时效后18Ni(300)钢的显微组织,结果如图5所示。由图5可知:淬火马氏体发生回复,析出大量尺寸细小的颗粒状强化相;马氏体板条内含有大量的位错,在位错线上发现了析出相,该相具有面心立方结构,推断为Ni3Ti[15];该相中含有一定量的Fe、Co元素。在铁基合金中,Ni3Ti相析出的吉布斯自由能比FeCo、FeNi和CoNi相小得多,在时效处理过程中优先形成[16-19]。

图5 18Ni(300)钢的时效组织TEM图像

2.2 使用工况条件下循环加载力学性能

3件同批次、同尺寸的拉杆试样在使用工况条件下室温循环加载至断裂的周次(以下简称“断裂周次”)分别为486,569,776次,断裂位置均为拉杆螺纹段根部,拉杆试样断裂后的宏观形貌如图6所示。根据堵管维修实施经验,一次蒸汽发生器传热管大修拉杆的使用次数不大于150次。试验断裂周次最小为486次,是拉杆目标断裂周次的3倍以上。在61 kN拉拔力的作用下,拉杆最小截面(φ6.5 mm)产生的拉伸应力约为1 839 MPa,接近拉杆材料的抗拉强度(2 050 MPa),断裂出现在拉杆前端螺纹的退刀槽圆角过渡区,不同试样上圆角过渡区表面加工状态的差异会使该区域的应力水平与分布不同,导致断裂周次有差异,但所有试样的断裂周次都满足规范要求,说明目前的拉杆试样设计合理。

图6 拉杆试样断裂后的宏观形貌

拉杆断口SEM形貌如图7所示。由图7可知:断口由塑性变形区和脆性变形区组成,塑性变形区居中,断裂周次较大试样的塑性变形区在整个断口的占比较大,而断裂周次较小试样的塑性变形区占比明显减小;随着断裂周次的减小,脆性变形区占比增大;塑性变形区由韧窝组成,呈典型韧性变形特征,这是因为塑性变形过程中位错在Ni3Ti相界面塞积,促进裂纹形成,接着扩大成孔洞,邻近孔洞互相连接,最后在孔洞边缘撕裂。断裂面呈现拉伸、冲击和疲劳混合断裂特征,主要以拉伸和冲击断裂特征为主,存在疲劳辉纹,但与文献报道的马氏体钢低周疲劳破坏特征不完全相符,而与拉伸断裂[20-21]和冲击断裂形貌[22-23]特征相符,由此推断拉杆材料在使用工况条件下的受力行为以拉伸和冲击形式为主,以疲劳加载形式为辅。

图7 拉杆断口SEM形貌

3 结论

(1) 固溶处理的拉杆材料呈现淬火马氏体组织,原奥氏体晶粒尺寸约为24 μm,残余奥氏体质量分数为0.26%。时效处理后,原奥氏体晶粒尺寸约为26 μm,与固溶态保持一致,未观察到残余奥氏体;马氏体发生回复,(Ni, Co, Fe)3Ti相在位错上析出,呈细小颗粒状。

(2) 在室温循环加载条件下,拉杆试样的断裂周次大于480次,满足一次大修拉杆需适用150次的要求;拉杆试样断裂位置均为拉杆螺纹段根部,具有较好的一致性。

(3) 断口由塑性变形区和脆性变形区组成,塑性变形区居中。在近使用工况条件下,拉杆受力行为应以轴向拉伸形式为主,以疲劳加载形式为辅,因此断裂面主要以拉伸断裂特征为主,伴随疲劳特征。