反应堆压力容器制造过程中脆性断裂影响因素研究

反应堆压力容器制造过程中脆性断裂影响因素研究

唐中杰 ,王美丽

一重集团大连核电石化有限公司

摘要：核电主设备反应堆压力容器制造过程中零部件需焊接临时附件，以满足容器制造、过程中焊接、加工、翻转、转运的需求。临时附件的合理设计和稳定使用，关系到整个反应堆压力容器的安全制造，甚至影响核电项目建设的周期。针对某核电项目反应堆压力容器临时附件起重时发生断裂为例，从临时附件的设计强度、材料、焊接方面分析原因，明确临时附件装焊的控制技术措施，为后续压力容器的安全稳定制造提供指导和借鉴。

关键词：反应堆压力容器 临时附件 脆性断裂

0．前言

反应堆压力容器是核电厂一回路的核电主设备之一，主要由下封头、过渡段、堆芯筒体、接管段、顶盖组件等几部分部件组成。制造过程中为满足容器部件堆焊、组焊、加工以及运转的执行，需在部件上焊接临时附件。临时附件不是反应堆压力容器最终产品的一部分，在制造过程中往往忽视它的质量控制。但临时附件的失效缺会造成压力容器制造的延期以及威胁现场操作人员的人身安全，甚至造成核项目建设的延期。

本文以某项目核电反应堆压力容器过渡段部件上临时附件在使用时发生断裂为例，分析临时附件的材料、承载、焊接等各方面的影响因素，提出对临时附件的装焊控制的技术措施，为后续压力容器的安全稳定制造提供指导和借鉴。

1.简介

反应堆压力容器过渡段在制造时需进行堆焊、加工、组焊等制造工序，由于部件的形状接近半球形，为满足焊接质量要求，在堆焊组焊时需在变位器上进行操作。因此需在过渡段上焊接临时附件，以满足制造需求。每个临时附件在压力容器焊接和起重运转时都承载着过渡段自重的载荷。临时附件分布见图1所示。某项目压力容器过渡段在焊接完成下变位器起吊时，某一方位临时附件受载突然发生断裂。

图1 过渡段临时附件分布图

2.失效影响因素

从承载强度校核、断口分析以及母材性能分析对断裂的临时附件展开原因分析：

2.1强度校核

    目前过渡段的临时附件分布如图1，共分布5个临时附件。临时附件尺寸100mm×600mm×250mm。过渡段材质为Mn-Ni-Mo钢，临时附件材质为Q235B。过渡段重量约69吨。，根据模拟计算吊耳理论强度[1~3]，在使用4个临时附件起吊时均匀受载的情况下，最大位置的载荷强度为98Mpa，见图5。依据临时附件和焊缝的理论强度，不存在过载导致临时附件失效的情况。

图2吊耳各处位置载荷模拟分布

2.2断口分析

断口母材表面起裂源位置位于角焊缝焊趾处。起裂源位置随未发现肉眼可见的焊接缺陷或其他尖锐凹坑、裂纹存在，但此位置为焊接应力集中的区域。吊耳断裂前未发生变形，为典型的脆性断裂。因此，需要进行对母材的冲击韧性展开分析。

2.3母材性能分析

由于断裂位置发生在母材上，对钢板理化性能重新试验，分析如下：

2.3.1力学性能

对母材力学性能数据整理如表1。其中屈服强度及冲击韧性值都偏低，不能满足标准要求。因此冲击试样几乎全部为脆断。

表1  力学性能

2.3.2化学分析

表2 化学分析

上述元素虽然都满标准GB/T 700-2006化学成分要求，但通常优质碳素结构钢Mn含量控制在0.30%~0.70%之间。Mn元素在Q235中起着固溶强化以及脱氧的作用，能够增加Q235的强度及韧性。断裂吊耳母材是Mn元素含量过低，导致了强度和韧性的下降。在老版本GB/T 700-1998规定了Mn元素含量为0.30%~0.70%。为保证Q235性能，通常轧钢厂一般控制Mn元素在0.60%左右。

2.3.3．金相分析

在起裂源附近制备金相试样，进行夹杂物分析。在约10mm*20mm的视场内，发现多处外貌尖锐的夹杂物。甚至有的夹杂物长达139um。从形貌判定，疑似为硅酸盐和氧化物。这些夹杂物硬度较高且外形尖锐，在临时附件承载时很容易成为起裂源[4]。从化学分析考虑，作为脱氧剂Mn含量的不足，导致材料中氧含量偏高，生成较多的氧化物和硅酸盐。

2.3.4小结

压力容器过渡段临时附件断裂为脆性断裂。临时附件材料力室温下屈服强度和冲击韧性未达到标准要求。冲击平均值为32.5J，断面剪切率仅为5%~15%，临时附件室温下不能够承受冲击载荷。

3.控制措施：

为保障压力容器临时附件的安全使用，除了计算理论载荷，设计合适的材料尺寸和合适的焊缝尺寸之外，建议增加以下措施：

1）对于作为临时附件用的Q235钢板，性能不能只满足标准要求。需编制通用采购规范，提高对冲击性能的要求。

2）建议承载临时附件的尖点部位需在焊后进行倒钝处理，防止应力集中。

3）临时附件的焊缝焊趾处也打磨圆滑，进行目视检查，确保表面无咬边、裂纹等可见缺陷。

4.结论

综上所述，过渡段上临时临时附件断裂的最主要原因为母材性能欠佳导致。后续压力容器的临时附件的使用除合理设计临时附件装焊位置、数量、尺寸外，及材料自身的质量也严格进行把关；焊接后对可能引起应力集中的区域进行处理，杜绝临时附件脆性断裂的发生，保障核电设备的安全生产制造。

参考文献

[1]李鹏举，王永新. 一种300t焊接设备顶部起重吊耳的设计研究[J].锻压装备与制造技术2021,(6) 563

[2]GB/T35981 -2018,冶金设备 焊接吊耳【S】

[3]HG/T21574-2018,化工设备吊耳设计选用规范【S】

[4]王冲, 曾燕屏, 谢锡善. 拉伸与低周疲劳载荷作用下夹杂物特征参数对航空用超高强度钢中裂纹萌生与扩展的影响[J]. 北京科技大学学报, 2009, 31(5): 557-56