核电站稳压器用16MND5板材国产化评定分析与研究

余　平　黄炳炎

（中国核动力研究设计院，四川 成都 610041）

【摘　要】国内首次进行了核电站稳压器用16MND5板材的评定，通过对RCC-M M140评定范围的分析与讨论，提出了16MND5钢板评定开展的工作内容，并对评定大纲与设计规范和材料技术条件的主要差异进行了深入分析，确定其合理性和充分性。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 16MND5板材；评定；M140；取样；化学成分；力学性能

０　引言

目前国内在役或在建百万千万级核电站（如大亚湾、岭澳、红沿河、宁德、阳江、福清、方家山等）普遍采用的是40m3稳压器，其主体承压边界材料采用的是RCC-M[1]16MND5板材（厚度范围90mm~120mm）。此前，该板材完全依赖进口，由于缺乏市场竞争，不仅大大增加了设备的制造成本，也很大程度上影响到设备制造周期。为了实现该材料的国产化，2009年中国核动力研究设计院联合宝钢股份有限公司开展了16MND5钢板的研制和评定工作。

本文将对此次评定开展的工作内容进行论述，并对评定大纲与设计规范和材料技术条件的主要差异进行了深入分析。

1　评定目的和范围

按照RCC-M规范要求，对用于制造稳压器筒体和上、下封头的16MND5板材，应先按RCC-M M140进行评定后方可供货。而且评定大纲主要依据M140和材料技术规范的要求进行编制。鉴于RCC-M规范对评定工作的要求较为宏观和笼统，此处有必要对M140的评定的具体要求进行分析。

经过分析，对M140评定的主要内容可用下图简要描述：

M140评定的目的应是为确定一套完整的制造工艺（包括制造程序和试验程序），保证在指定车间（经过评定的车间）按此工艺制造出的材料，能满足后续设备的制造性能（如：成形、加工和焊接等）和使用条件（如辐照、腐蚀等）。所以，首先应根据设备的制造性能和使用条件确定材料牌号和适用标准，然后开发一套能生产出满足要求的制造工艺。对稳压器筒体、封头来说，规范及核电站工程实践已经证明，其所选取的材料牌号（16MND5）和适用标准（RCC-M M2126），能够满足稳压器的后续制造和使用环境要求。此时，M140的全部评定内容只包括：在指定车间按指定工艺生产的板材，满足M2126对16MND5板材的要求即可。

板材满足M2126对16MND5的要求，意味着板材内部各处的化学成分、力学性能和组织均能达到M2126的规定。M2126的取样部位的试验应属于板材出厂的验收试验项目，对评定来说，仅按M2126进行取样试验是不充分的，这正是M140评定要解决的问题。具体内容包括：验证板材的内部质量；评定板材化学成分和力学性能的均匀性。相应地，在评定时应考虑进行充分取样试验。

２　评定取样分析

影响板材性能的主要因素包括材料的化学成分、轧制工艺及热处理工艺等。“充分取样”应结合具体工艺特征，分析其可能导致的化学成分偏析、金相组织和夹杂物分布，以及力学性能的变化，选取沿变化趋势上的典型位置，充分获取钢板内部质量。并得到具有稳定内部组织、均匀化学成分和力学性能的板材。此次评定确定的取样位置和试验项目见表1。

从下表可以看出，相对材料技术规范，评定时增加了板材近表面（1/6厚度处）和心部（1/2厚度处）的全套试验。同时，沿宽度方向，增加了1/2宽度处的全套试验。下面针对这些取样位置的代表性和合理性，以及是否能充分覆盖钢板整体性能进行了分析和讨论。

对于特厚的16MND5低合金钢板材，在冶炼和轧制过程中，主要可能产生的冶金缺陷包括：化学元素偏析、分层和裂纹等。下面分别针对这些缺陷的成因、防止措施和典型取样位置进行分析和讨论。

２.1　化学元素偏析

铸坯从表壳到中心结晶过程中，由于钢中一些溶质元素（如碳、锰、硼、硫或磷）在固液边界上溶解并平衡移动，从柱状晶析出的溶质元素扩散到尚未凝固的中心，即产生铸坯的中心偏析。由于中心偏析导致的低熔点元素向中心偏聚，加上生产过程中化学成份的控制不稳定，碳和合金元素偏析、各种缺陷都聚集在钢锭中心。尤其是硫和磷的偏析，使的钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。

通过采用底部浇注的改进工艺，以及选择优质的原材料和炼钢过程中杂质元素的严格控制，能适当改善中心偏析导致材料心部性能的恶化。同时，基于国外成熟供货商的参考经验，评定时，针对中心偏析中最为明显的杂质元素硫、磷也特别提高了要求，由原来的S≤0.012%提高到S≤0.008%、P≤0.012%提高到P≤0.008%。减少硫、磷的偏聚引起的钢板心部塑韧性降低。

虽然通过冶炼工艺改进和原材料控制能有效改善元素偏析导致的板材性能不合格，但因合金元素负偏析带的存在总会引起板材沿厚度方向的强度下降，特别是硫、磷的偏聚引起的板材心部塑韧性的降低。因此，选取了沿板厚方向上各典型位置（包括表面、近表面（1/6厚度）、1/4厚度、1/2厚度）的取样试验。一方面获取板材内部充分的性能数据，验证板材沿厚度方向的性能总能满足材料技术规范要求；另一方面，通过评定实测数据分析，验证板材内部化学成分和力学性能的均匀性。

２.2　分层

对于具有高韧性的16MND5低合金钢板材，在轧制过程中时常出现平行板面的分层，分层严重的钢板在随后的加工及使用过程中可能形成层状撕裂，严重影响板材质量。

与锻件不同的是，板材在各个方向的压缩比存在明显的差异，由于化学元素偏析引起的MnS等夹杂物聚集，导致其沿板材主轧制方向形成延伸的夹杂物带（即带状组织），成为导致钢板分层的根源。这种带状组织在常规的正火、淬火和回火时很难消除。一般的解决措施包括：严格控制硫、磷含量，减少带状组织的形成；加入合金微量元素，改变硫化物的形态和分布；控制轧制工艺，尽可能采取大压下量和横轧措施，使得钢的中心疏松得到焊合，改变夹杂物平行分布状态；严格控制终轧温度，防止低温轧制等。

评定时，通过选取板材头、尾1/2板宽处的Z向拉伸试样，能有效验证16MND5板材的抗分层撕裂性能。

２.3　裂纹

在冶炼过程中残留的小气泡，中心偏析导致的组织疏松、夹杂物聚集，以及因钢锭冷却收缩、或因轧制工艺不当，从而可能导致钢材内部形成细小的裂纹，使钢材性能变差。

对钢锭中的小气泡和组织疏松等缺陷，可通过后续轧制使得板材内部组织密实起来，从而予以解决。对于钢锭中心偏析引起的MnS等夹杂物聚集、以及钢中氢的存在，导致在应力作用下引发的微裂纹开裂等情形，通过严格控制杂质元素含量以及钢板析氢堆缓冷等措施能有效减少裂纹形成。

由于钢板内部存在化学元素的偏析，尤其心部的偏析更为严重，促进了偏析带中MnS夹杂物的聚集，同时由于钢中氢的存在，均形成可能的裂纹源。在运输和装卸过程中保护不当可能引起钢板张力，导致材料内应力加剧，最终导致裂纹的形成。经回火处理的钢板能有效消除内应力、稳定组织，消除外部载荷导致内应力加剧，从而可能引发的裂纹缺陷。鉴于此，为保证钢板入厂验收的质量，特别要求将稳压器筒体和封头用16MND5板材交货状态均明确为性能热处理态。

上述分析了板材本身的轧制特点可能引起的板材性能的变化，从而选取了典型位置处的取样试验和检验项目。实际上，板材沿厚度方向的性能变化还受性能热处理时淬火冷却速率不同引起。板厚两侧的强度和冲击性能要明显好于中心部位，但这种明显变化大致分布在上下表面至1/4厚度处，在1/4厚度以内的中心部位其性能变化不大。针对这一特点，上述取样位置能够有效验证性能热处理造成的板材性能变化。

针对板材宽度方向，增加了1/2宽度处的取样试验。板材沿宽度方向均匀性较好，但考虑到稳压器用板材宽度超过三米，表面温度均匀控制的难度较大，可能引起性能发生变化。为验证宝钢制造工艺对温度控制的可靠性，评定时选取了1/4宽度和1/2宽度处的取样。

根据上述取样位置，所有试样形成一个划分整张钢板的矩阵，能充分覆盖整张钢板的内部组织和力学性能特征。再结合必要的无损检测，和对板材交货状态的控制，能有效控制16MND5板材的内部质量以及化学成分和力学性能的均匀性。

３　小结

经以上分析和讨论，评定大纲补充取样试验要求对验证板材内部质量均匀性是合理且充分的。按此评定大纲开展稳压器筒体和封头用16MND5板材的评定能满足设计规范和材料技术条件的要求。实际评定的结果也表明，宝钢生产的钢板各项检验和试验结果均满足要求，且综合性能良好，内部质量均匀。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献

［１］RCC-M 压水堆核岛机械设备设计和建造规则[S]. 2000.（RCC-M Design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands[S].2000.

［责任编辑：邓丽丽］