CN103389225A - 反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法 - Google Patents

Abstract

反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法，首先将管板锻件进行平均解剖，取其中一个或多个解剖件作为测试件，在对所述测试件进行分层切割前对所述测试件的解剖面进行硫印检查、硬度检测及化学成分分析，然后对所述测试件沿与所述测试件厚度方向相垂直的横截面进行分层截取试样。采用本发明的取样方法，不仅能够全面检验出反应堆蒸发器管板锻件的整体质量，还可以对管板锻件的制造工艺进行完整评定，符合核电规范RCC-M的工艺评定要求，保证批量化生产时的质量及进度要求，从而降低了取样的成本。

Description

反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法

技术领域

本发明涉及反应堆蒸汽发生器技术领域，尤其涉及一种反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法。

背景技术

当前国际上又进入了新一轮的核电发展时期，许多国家都在积极准备建设新的核电机组，然而全世界的核岛大型铸锻件的生产能力却十分有限，制造技术主要控制在少数几个制造厂中，这已经不能满足全世界核电发展的需要。结合我们国家发展核电和核电设备国产化的政策，实现我国核电发展规划目标，必须实现反应堆蒸汽发生器管板锻件国产化。要真正实现管板锻件的国产化，在保证质量的条件下实现批量化生产，不仅需要制造厂在制造技术上进行创新，还需要成功完成核岛大型铸锻件制造工艺的技术评定，当然也必须进行反应堆蒸汽发生器管板锻件的工艺评定工作。

核岛重要部件的制造工艺技术评定是核电技术规范的要求，也是国际惯例。我国的核安全法规也相当重视相关的工作，然而国内在岭澳二期和红沿河项目之前，基本上没有开展过这项工作。由于在先前的核电项目中没有实际介入过评定工作，相关的核电规范RCC-M（《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》的简称）中只有评定的要求，而并没有具体的评定方案和评定规范。

评定本身是一项综合性的多学科核电通用技术，也是核电自主化的核心技术之一。它涉及到制造工艺技术、金属材料、理化检验、无损检验、设计分析、断裂力学、寿命管理以及工程管理等很多学科，通过设备制造工艺评定，以验证制造商的制造能力和管理能力，以及制造商所制造的这些部件或制品的整体和内在质量满足设计和核安全的要求，保证制造质量的可重复性，有效地减少检验项目，降低制造成本和缩短制造周期，从而为制造商批量制造核岛重要部件提供有力条件。

反应堆蒸汽发生器（SG，Steam generator）是蒸汽发生器，也是压水堆核电站的核岛主设备，位于一回路和二回路的交界处，它将反应堆堆芯产生的热量传递给蒸汽发生器二次侧给水，产生蒸汽推动汽轮机做功。作为连接一回路与二回路的设备，蒸汽发生器在一、二回路之间构成防止放射性外泄的第二道防护屏障，对压水堆核电站的安全运行十分重要，是一回路的主要设备之一，必须保证其在核电站40年寿命期内绝对安全可靠。蒸汽发生器管板锻件是核电站中的关键锻件，它作为饼形大锻件，在锻造工艺技术上难度相当大，并且每台机组需要三块管板。因此，管板也是大型锻件中急需国产化的锻件之一。蒸汽发生器的管板是蒸汽发生器的重要部件，它是反应堆冷却剂压力边界的组成部分，属于第二道放射性防护屏障之一，长期在高温高压的恶劣环境中工作，蒸汽发生器管板上加工有近9000个高精度的传热管孔，因而对其内在质量的要求和检验非常严格，除了化学成分、机械性能、金相组织、晶粒度、夹杂物等检验外，还要按采购规范的要求进行超声波探伤等无损检验，单个缺陷和密集缺陷均不能超出规定的范围，以保证锻件的整体质量。

蒸汽发生器和其它换热器管板是火电、核电及石化设备的重要组成部件，蒸汽发生器管板下面与蒸发器水室封头组焊，上面与蒸发器下部筒体组焊，是一、二次侧的分界。管板锻件实际使用环境较为苛刻，主要表现在：

管板两侧的温度较高且不相同。管板一次侧分为热端（冷却剂由反应堆出来）和冷端（冷却剂经过向二次侧传热）两个部分，中间由分隔板分开。两端的冷却剂由于向二次侧传热，所以温度不同；管板两侧的压力不同；管板为了安装传热管，需要钻将近9000个孔，因此在强度上有较大的减弱。

大型大厚度管板属于锻造工艺难度非常大的饼形类锻件，为了保证后续近9000个高精度传热管孔的加工，管板锻件需要有很好的内部质量均匀性。另一方面，蒸汽发生器的管板这样的饼形类锻件也是难以检验其内部均匀性的产品。反应堆蒸汽发生器规范等级I级，安全等级I级，质量等级I级，抗震类别I级，清洁类别A类。因此，反应堆蒸汽发生器部件具有制造技术标准高、难度大和周期长等特点。

如附图1所示，为现有技术反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法的示意图。根据核电规范RCC-M中锻件性能试验的试样的取样要求的规定，在所述管板锻件10底部设置试环20，所述试环20的外径小于所述管板锻件10底部加长段（水口端）的内径，试料21取自所述试环20上沿直径方向相对的X和Y两个部位，且试料21需在管板锻件10性能热处理后截取，具有足够的尺寸，以便能够截取全部试验和复验所需用的试料。试料21的轴线位置为拉伸和常规冲击试样的轴线应至少距热处理端面50mm，距热处理其它表面100mm；落锤和补充冲击试样的轴线应至少距热处理端面20mm，距热处理其它表面40mm。试环20上还留有备用试料22。

对所述管板锻件10的质量检验主要包括化学成分检验、力学性能检验和金相组织检查，另外，还要进行尺寸和目视检查，以及磁粉检测、液体渗透检测、超声波检测等无损检测。

而反应堆蒸汽发生器的管板锻件10是组成蒸汽发生器的关键锻件，因其尺寸巨大，一般采用100吨以上的钢锭锻造，钢锭的冶炼难度非常大，由于厚度的增加，也大幅度地增加了这种锻件的锻造难度。加上管板锻件服役时内部会产生较大应力，往往会在一些细小的夹杂或微裂纹的尖端产生应力集中，尤其在氢含量较高时会产生氢脆（或氢损伤）。这就要求管板锻件在冶炼过程中要保证钢水的纯净度，还应采取有效的除气措施；在锻造过程中需要采用合适的压实方法和足够的扩氢时间。同时管板锻件在后续制造中需要钻近9000个高质量的传热管孔，因此为了避免钻孔的尺寸超差，要求管板的内部质量有足够的均匀性锻件，从锻件制造的角度看，核电、火电站用大型换热器管板、水轮机叶轮、石化容器类的封头等属于厚饼类实心锻件，厚饼类实心锻件芯部难于压实，扩氢难，白点敏感性强，生产周期长。蒸汽发生器管板锻件具体的制造工艺难点如下：

采用电弧炉粗炼+钢包精炼钢水，钢锭要最大程度地减小偏析，细化晶粒，减少夹杂物是一项非常复杂的技术问题；

由于管板锻件厚度大，锻造过程中管板变形不均匀，芯部极不容易锻透，疏松和裂纹不易锻合，锻合与焊合，夹杂不易打碎的难点。

锻造过程中，在镦粗工序，存在上下两个难变形区，这两个难变形区互相挤压，易产生夹杂性裂纹，当夹杂性裂纹汇集在一起，往往在超声波检测时会呈现出超标缺陷；

管板锻件在镦粗过程中，存在上下两个难变形区，这两个难变形区互相挤压，易产生夹杂性裂纹。当夹杂性裂纹汇集在一起时，超声波检测往往会显示缺陷超标；

由于管板锻件圆截面和厚度大，管板锻件芯部的氢元素不容易扩散，易产生白点，热处理参数的选择难度较大，锻件壁厚较大，力学性能不容易达到要求。

由于蒸汽发生器的管板锻件存在上述制造难点，管板锻件外部和芯部部位的性能很难保证一致，如何对所述蒸汽发生器的管板锻件进行取样来检验管板锻件整体质量也将十分重要。由于蒸汽发生器的管板锻件的制造成本非常高，正常生产过程中，不可能对每一件管板锻件进行彻底地检验，必须在工艺评定过程中充分考虑各种制造因素和使用条件，设计出能完全检验出管板锻件整体质量的取样方法，避免因工艺不成熟带来的批量化生产时不能满足质量和工期的情况发生。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种能够满足完全检验出蒸汽发生器的管板锻件整体质量的取样方法，避免因工艺不成熟带来的批量化生产时不能满足质量和工期的情况发生。

为达到上述目的，本发明提供一种反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法，包括以下步骤：

（1）以所述管板锻件的径向直线为解剖线，将所述管板锻件平均解剖成n个解剖件，其中，2≦n≦4；

（2）取步骤（1）中m个所述解剖件作为测试件，在所述测试件的解剖面的径向直线方向上设置用以对所述解剖面进行硫印检查的长条形的硫印检查区域，其中，1≦m≦n；

（3）在所述解剖面上沿所述测试件的径向和所述测试件的厚度方向分别设置多条网格线，以所述网格线的交叉点的位置为化学成分分析取样位置；

（4）将所述测试件沿与所述测试件的厚度方向直线相垂直的横截面进行分层切割，按前述方式切割多次得到多个等厚度的试片；

（5）在每个所述试片上沿所述试片的径向截取多个与所述试片具有相同圆心的试环，在所有所述试环上均截取多个试样。

较佳地，所述步骤（1）中，对所有所述解剖件的解剖面进行里氏硬度检测。

较佳地，所述步骤（2）中，所述硫印检查区域的宽度为200mm。

较佳地，所述步骤（3）中，所述解剖面上由冷加工进行所述网格线的绘制。更佳地，每2个所述化学成分分析取样位置之间的间距小于或等于100mm。

较佳地，所述步骤（4）中，所述试片厚度为25mm。

较佳地，所述步骤（5）中，截取3个所述试环，沿所述试片的径向依次为第一试环、第二试环及第三试环，所述第三试环的外径与所述试片的外径距离为100mm。更佳地，所述第一试环的径向宽度、所述第二试环的径向宽度、所述第三试环的径向宽度均大于等于60mm。

较佳地，所述第一试环与所述第二试环的之间的距离为400mm~600mm，所述第二试环与所述第三试环之间的距离为400 mm~600mm。

由于采用以上技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：

通过本发明的取样方法，对所述管板锻件进行平均解剖，取其中一个或多个解剖件作为测试件，在对所述测试件进行分层切割前对所述测试件的解剖面进行硫印检查、硬度检测及化学成分分析，然后对所述测试件沿与所述测试件厚度方向相垂直的横截面进行分层截取试样，对试样进行金相组织检查及力学性能测试。本发明的取样方法不仅能够全面检验出反应堆蒸发器管板锻件的整体质量，还可以对管板锻件的制造工艺进行完整评定，符合核电规范RCC-M的工艺评定要求，保证批量化生产时的质量及进度要求，从而降低了取样的成本。另一方面，对于剩余的解剖件制造厂可以自己处理或者可作为堆焊和胀管试板出售给蒸汽发生器制造厂，以便节约解剖的成本。

附图说明

图1为现有技术反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检测的取样方法的示意图；

图2为本发明的取样方法中所述管板锻件的解剖示意图；

图3a为本发明的取样方法中所述测试件的平面示意图；

图3b为本发明的取样方法中图3a中的A向解剖面的化学成分分析取样位置示意图；

图3c为本发明的取样方法中图3a中的B向解剖面的化学成分分析取样位置示意图；

图4为本发明的取样方法中所述试片分布示意图；

图5为本发明的取样方法中所述试环分布示意图；

图6a为本发明的取样方法中所述第三试环上取样位置示意图；

图6b为图6a的仰视图；

图7 a为本发明的取样方法中所述第二试环上取样位置示意图；

图7b为图7a的仰视图；

图8a为本发明的取样方法中所述第一试环上取样位置示意图；

图8b为图8a的仰视图；

图9为本发明的取样方法的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式并结合说明书附图，对本发明作进一步描述：

结合蒸汽发生器管板锻件10使用和制造过程中的困难，研究认为该部件的芯部是检验的重点区域，且常规验收试验的取样位置只能在管板锻件10的端部外表面，因此，常规验收试验得出的性能尚不能代表管板锻件10芯部的质量状况。所以，有必要在常规验收试验的取样位置取样检验的同时，通过评定的机会，对管板锻件10的内部进行解剖检验，对制造厂制造的这类锻件的内部质量进行全面的评定，以准确判断部件的整体质量。因此，对蒸汽发生器管板锻件10的评定需采用全面评定，即除了常规验收试验外，还需对管板锻件10进行解剖检验。本发明提供的一种反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法，不仅能够全面检验出反应堆蒸汽发生器的管板锻件10的整体质量，还可以对管板锻件10的制造工艺进行完整评定，符合核电规范RCC-M的工艺评定要求，保证批量化生产时的质量及进度要求，从而降低了取样的成本。另一方面，对于剩余的解剖件制造厂可以自己处理或者可作为堆焊和胀管试板出售给蒸汽发生器制造厂，以便节约解剖的成本。

如附图1~9所示，管板锻件10包括外环、试环20，其中，外环的外径为D1=3500-4000mm、内径为D4=3000-3200mm，试环20的外径为D3=2500-2800mm、内径为D2=1700-2100mm，管板锻件10的高度为H1=700-900mm。如图9所示，两条相垂直的相交线上的黑点表示分析试样取样位置，包括化学成分分析和硬度检查取样位置，三个试环上的灰点表示力学性能取样位置。

本发明提供的一种反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法包括以下步骤：

步骤（1）：如附图2所示，将管板锻件10按象限平均的方式解剖成4个解剖件，对解剖后的解剖件上的所有解剖面按大约100mm（厚度方向）×200mm（径向）的网格进行里氏硬度检测，以便了解管板锻件10内部的硬度分布情况，为后面的管板机加工钻孔工序给出指导数据。

步骤（2）：如附图3所示，取其中一个解剖件作为测试件30，将测试件30的二个解剖面进行加工，加工至粗糙度为Ra1.6，然后在所述二个解剖面的径向直线方向上设置用以对所述解剖面进行硫印检查的长条形的硫印检查区域，硫印检查区域的宽度为200mm。

步骤（3）：如附图3所示，测试件30进行完硫印检查后，在测试件30的2个解剖面上沿测试件30的径向和其厚度方向分别设置多条网格线，如附图3b、图3c所示，以所述网格线的交叉点K的位置为化学成分分析取样位置，每2个化学成分分析取样位置之间的间距S小于或等于100mm，并将交叉点进行编号，编号规定如下：K_p行K_q列的交叉点的编号为K_pq，如K₃行和K₅列的交叉点的编号为K₃₅，依次类推，2个解剖面均按此处理，编号后方便测试人员记录。其中，网格线的绘制由冷加工进行绘制。

步骤（4）：如附图4所示，将测试件30沿与测试件30厚度方向直线垂直的横截面进行分层切割，按前述方式切割多次得到厚度均为25mm的多个试片，具体做法为：将测试件30在厚度方向上均分8等厚度分进行分解，以各个等分线位置为中心线向两侧均匀留量截取厚度L为25mm的试片，预截取7个，实施操作时，只需截取4个试片，因测试件30形状对称，而力学性能与热处理有很大关系，1/2厚度的测试件及测试件中心线上的取样对力学性能有代表性，以减少取样的工作量。如图4所示，将取下的4个试片依次标示为T/8、T/4、3T/8及T/2。

步骤（5）：如附图5所示，在每个试片上沿试片的径向截取3个与试片具有相同圆心的试环，依次为第一试环41、第二试环42、第三试环43，三个试环的厚度均为60mm，以标示为T/8的试片为例，第三试环43的外径与试片T/8的外径距离为100mm，第一试环41与第二试环42、第二试环42与第三试环43之间的距离均为500mm。

步骤（6）：如附图6~8所示，在每个试环上截取多个试样进行力学性能测试和金相组织检查，具体做法为：

（61）第三试环43的取样：第三试环43的取样如图6所示，在第三试环43上截取一个试样A39做金相组织检查；沿第三试环43的宽度方向均匀间隔的分层截取多个试样做拉伸试验，具体地，截取2个试样，为A1、A2，试样A1做室温拉伸，试样A2做高温拉伸；沿第三试环43的周向均匀间隔地截取多个试样做径向冲击，具体地，取18个试样，为试样A21-A38，以三个试样为一组做不同温度下的径向冲击，试样A21-A29做温度为0℃、20℃、-20℃的径向冲击，试样A30-A38做温度为-40℃、20℃、60℃的径向冲击；沿第三试环43的宽度方向均匀间隔的分层截取多个试样做周向冲击，具体地，同一宽度方向取三层试样，共取18个试样，为试样A3-A20，以三个试样为一组做不同温度下的周向冲击，试样A3-A11做温度为0℃、20℃、-20℃的周向冲击，试样A12-A20做温度为-40℃、20℃、60℃的周向冲击。利用所有冲击试验数据绘制KV-TC曲线。

（62）第二试环42的取样：第二试环42的取样方法与第三试环43的取样方法一样，在此不再重复，如图7所示，试样B21做金相组织检查，试样B1做室温拉伸，试样B2做高温拉伸，B12-B20做径向冲击（温度分别为0℃、20℃、-20℃），B3-B11做周向冲击（温度分别为0℃、20℃、-20℃)。

（63）第一试环41的取样：第一试环41的取样方法与第三试环43的取样方法一样，在此不再重复，如附图8所示，C21做金相组织检查，试样C1做室温拉伸，试样C2做高温拉伸，C12-20做径向冲击（温度分别为0℃、20℃、-20℃），C3-11做周向冲击（温度分别为0℃、20℃、-20℃)。

试片T/4、试片3T/8、试片T/2上截取试环及试环上的取样与试片T/8的操作是一样的，在此不再重复。

通过上述取样方法对管板锻件的测试，测试结果为：

1）化学成分的偏析

A）C 、Mn、S含量从锻件中心沿径向到锻件边缘基本是递减。

B）C、Mn、S含量从冒口至水口沿管板锻件的高度方向基本是递减。主要原因是钢锭的最后凝固点在冒口中心处，制造厂可以进一步采取一定的手段来减小钢锭的偏析。

2）力学性能的分布：有一定的倾向性

A）拉伸强度在管板锻件1/3半径处和边缘处从管板锻件厚度中心处向表面方向递增，而在锻件的2/3半径处从管板锻件厚度中心处向表面方向递减。

B）周向冲击功沿厚度方向从中心到表面递减，径向冲击功沿厚度方向从中心到表面呈递增趋势。

3）硬度分布

硬度值从管板锻件中心沿径向到管板锻件边缘基本是递减。硬度值从冒口至水口沿管板锻件的高度方向基本是递减。造成以上机械性能分布趋势的主要原因是：管板锻件的化学成分偏析（正偏析最大处在冒口端中心位置）和锻造压实方法综合作用的结果。由于RCC-M中规定的验收试验中未要求执行硬度试验，因此本次评定的解剖检验中的硬度检验，只作为管板锻件内部的硬度分布情况了解和为后续管板机加工钻孔给出指导数据，对硬度指标不作要求。

4）金相组织及其分布

金相组织主要为贝氏体回火组织，在管板锻件芯部有少量铁素体。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，且本发明不限于上述的实施例，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法，其特征在于，所述取样方法包括以下步骤：

（1）以所述管板锻件的径向直线为解剖线，将所述管板锻件平均解剖成n个解剖件，其中，2≦n≦4；

（2）取步骤（1）中m个所述解剖件作为测试件，在所述测试件的解剖面的径向直线方向上设置用以对所述解剖面进行硫印检查的长条形的硫印检查区域，其中，1≦m≦n；

（3）在所述解剖面上沿所述测试件的径向和所述测试件的厚度方向分别设置多条网格线，以所述网格线的交叉点的位置为化学成分分析取样位置；

（4）将所述测试件沿与所述测试件的厚度方向直线相垂直的横截面进行分层切割，按前述方式切割多次得到多个等厚度的试片；

（5）在每个所述试片上沿所述试片的径向截取多个与所述试片具有相同圆心的试环，在所有所述试环上均截取多个试样。

2.根据权利要求1所述的反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法，其特征在于，所述步骤（1）中，对所有所述解剖件的解剖面进行里氏硬度检测。

3.根据权利要求1所述的反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述硫印检查区域的宽度为200mm。

4.根据权利要求1所述的反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法，其特征在于， 所述步骤（3）中，所述解剖面上由冷加工进行所述网格线的绘制。

5.根据权利要求4所述的反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法，其特征在于，每2个所述化学成分分析取样位置之间的间距小于或等于100mm。

6.根据权利要求1所述的反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法，其特征在于，所述步骤（4）中，所述试片厚度为25mm。

7.根据权利要求1所述的反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法，其特征在于，所述步骤（5）中，截取3个所述试环，沿所述试片的径向依次为第一试环、第二试环及第三试环，所述第三试环的外径与所述试片的外径距离为100mm。

8.根据权利要求7所述的反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法，其特征在于，所述第一试环的径向宽度、所述第二试环的径向宽度、所述第三试环的径向宽度均大于等于60mm。

9.根据权利要求1所述的反应堆蒸汽发生器的管板锻件质量检验的取样方法，其特征在于，所述第一试环与所述第二试环的之间的距离为400mm~600mm，所述第二试环与所述第三试环之间的距离为400 mm~600mm。

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