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嘉峪检测网 2020-04-28 11:16
目前我国核电设备机型众多，技术路线多样化，但由于核电工程标准不统一，造成核电厂核岛机械设备设计和制造存在不必要的重复和消耗等情况，我国核电安全和自主化发展对统一核电相关标准也提出了迫切需求。
在我国核电工程中，冲击试验常用标准有两种，分别是GB/T 229－2007«金属材料 夏比摆锤冲击试验方法»和ASTM E23－2007a Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials，该两种标准的不一致成为困扰核电技术路线统一的主要难点之一。具体的不一致主要体现在摆锤刀刃半径不同(分别为2mm和8mm)，而摆锤刀刃半径是对试验结果影响较大的因素之一。目前核电行业对该两种标准的选用，特别是摆锤刀刃半径的选取存在较大分歧。
为此，笔者以核电工程中最具代表性的核安全一级设备用材SA-508Gr.3Cl.1钢和SA-182F316LN钢为研究对象，对比分析了GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a两种标准试验方法的差异，以供相关人员在进行冲击试验时参考。
试样制备和试验方法
01 试样制备
选用SA-508Gr.3Cl.1钢和SA-182F316LN钢的锻件分别作为压力容器和主管道用材。此两种材料的冲击性能也是我国核电工程中的考核项目。
在上述材料的1/2厚度处分别截取冲击试样，取样位置和尺寸如图1所示。
图1 取样位置和尺寸示意图
为了排除试样尺寸效应的影响，均按照统一尺寸加工上述冲击试样，且尽量兼顾ASTM E23－2007a和GB/T 229－2007的要求。冲击试样的加工尺寸如图2所示。
图2 冲击试样的加工尺寸
将SA-508Gr.3Cl.1钢和SA-182F316LN钢的冲击试样分别记为1号试样和2号试样。采用投影曲线磨方法加工试样缺口，该方法的加工精度高并能最大限度地降低对试验结果的影响。加工完成后，对冲击试样的尺寸按照表1的要求(根据GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a制定，取两个标准要求的重合范围)进行初检。抽检试样尺寸均满足表1要求，再从两种试验钢中随机抽取2个试样进行复检，复检结果如表1所示。
表1 冲击试样的尺寸要求和复检结果
02 试验方法
按照表2中冲击试验条件要求，采用国际和美标的NI750C型冲击试验机分别按照GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a对1号试样和2号试样进行试验。在试验前，分别按照上述标准规定的间接检定方法对NI750C型冲击试验机进行检定。在冲击试验中，GB/T 229－2007考虑到取样过程中会有温度损失，规定了过冷补偿，液氮温度定为－192℃(液氮实际温度为－196℃)，而ASTM E23－2007a并没有规定过冷补偿，规定液氮温度仍为－196℃。在每个温度下试验3次，取平均值作为试验最终结果。
表2 冲击试验条件
试验结果与讨论
01 冲击吸收能量
1号试样和2号试样在不同试验条件下的冲击吸收能量随试验温度的变化如图3所示。
图3 两种标准下不同试样测得冲击吸收能量随温度的变化曲线
由图3a)可见，当温度在－40℃以上时，1号试样按照GB/T 229－2007测得的冲击吸收能量比按照ASTM E23－2007a测得的要低，且随着温度的升高，两者的冲击吸收能量的差值越来越大；当温度上升到40℃时，两者的冲击吸收能量趋于恒定；当温度在－40℃以下时，按照这两种标准测得的冲击吸收能量较接近，且随着温度的降低，冲击吸收能量均趋于平稳，变化较小。ASTM E23－2007a中要求试验温度为－15℃时试样的冲击吸收能量不小于41J，按照GB/T 229－2007得到的试验结果更严格，但在－15℃时仍远高于考核值(41J)。
由图3b)可见，2号试样没有呈现出1号试样的S形曲线，但在试验温度范围内，按照GB/T 229－2007测得的冲击吸收能量均比按照ASTM E23－2007a测得的要低，且当温度为－80℃时，两者的冲击吸收能量的差值最大；在液氮温度下，按照GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a得到的冲击吸收能量分别为296J和315J，相差19J；由于SA-182F316LN钢具有较好的韧性，因此在测试温度范围内，2号试样在两种标准下测得的冲击吸收能量远高于GB/T 229－2007对此类材料的考核值(当温度为0℃时冲击吸收能量大于100J)，因此在核电工程中可统一按照GB/T 229－2007进行冲击试验。
02 韧脆转变温度
在工程应用领域，金属材料的韧脆转变温度(即脆性断面率达到50％时的温度，记为FATT50)是评价金属材料韧性的主要性能参数之一，也是冲击标准存在差异的重要方面。采用双曲正切函数分别对1号试样的冲击功和脆性断面率进行拟合，得到冲击韧脆转变曲线，如图4所示。
图4 不同标准下1号试样冲击韧脆转变曲线
可见1号试样按照GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a得到的韧脆转变温度较接近，分别为－12℃和－15℃，可见GB/T 229－2007比ASTM E23－2007a稍严格。
由于2号试样按照不同标准试验时均未出现晶状断面(为100％剪切断面)，没有韧脆转变现象，冲击韧度良好，所以不存在韧脆转变温度。
结论
(1)对SA-508Gr.3Cl.1钢和SA-182F316LN钢分别按照GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a进行冲击试验，按照GB/T 229－2007测得的冲击吸收能量比按照ASTM E23－2007a测得的要低，试验结果更为严格保守。
(2)当SA-508Gr.3Cl.1钢的冲击试验温度高于韧脆转变温度时，按照GB/T 229－2007和ASTM E23－2007a进行试验所得到的冲击吸收能量的差值随温度升高而增大，并在40℃及以上时趋于恒定；当温度低于韧脆转变温度时，两种标准所得到的冲击吸收能量较接近。对于SA-182F316LN钢，在冲击试验温度范围内，按照ASTM E23－2007a测得的冲击吸收能量比按照GB/T 229－2007测得的要高，且当温度为－80℃时两者差别最大。
(3)建议在我国核电工程中统一采用GB/T 229－2007(采用2mm摆锤)。该标准虽然比ASTM E23－2007a更严格，但由于钢材冲击吸收能量较高，远大于考核值，一般不存在验收不合格比例高的风险。可在核电工程中积累常用钢材的冲击试验数据，研究试验值与验收值的对应关系，逐步统一按照GB/T 229－2007进行核电工程材料冲击试验。
作者：张宏伟，工程师，核工业标准化研究所
来源：理化检验/张宏伟
