分享：核电工程用冲击试验标准对比分析

摘 要:我国核电工程冲击试验通常采用 GB/T２２９－２００７和 ASTM E２３－２００７a两种标准,以核 电工程常用的SAＧ５０８Gr．３Cl．１钢和SAＧ１８２F３１６LN 钢为研究对象,从冲击吸收能量和韧脆转变温度 两方面对比分析了两种标准的差异.结果表明:GB/T２２９－２００７更严格,按此标准测得的冲击吸收 能量比按照 ASTME２３－２００７a测得的要低;当SAＧ５０８Gr．３Cl．１钢的试验温度高于韧脆转变温度时, 采用两种标准测得的冲击吸收能量差值均随温度升高而增大;当温度低于韧脆转变温度时,采用两种 标准测得的冲击吸收能量较接近;SAＧ１８２F３１６LN 钢在试验温度范围内,按照 ASTM E２３－２００７a测 得的冲击吸收能量均比按照 GB/T２２９－２００７测得的要高,且在－８０ ℃两者差别最大.建议在充分 积累核电工程材料冲击性能数据的基础上,逐步采用 GB/T２２９－２００７进行核电材料冲击性能评价. 

关键词:核电工程;冲击试验;标准;冲击吸收能量 

中图分类号:TG１１５．５     文献标志码:A       文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０３Ｇ００２２Ｇ０４

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[１].在我国核电工程中,冲击试验 常用标准有两种,分别是 GB/T２２９－２００７«金属材 料 夏比摆锤冲击试验方法»和 ASTM E２３－２００７a StandardTestMethodsfor Notched BarImpact TestingofMetallicMaterials,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[２].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 SAＧ５０８Gr．３Cl．１钢和 SAＧ１８２F３１６LN 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.

１ 试样制备和试验方法 

１．１ 试样制备 

选用 SAＧ５０８Gr．３Cl．１钢和 SAＧ１８２F３１６LN 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[３]. 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. 

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/T２２９－２００７的要求.冲击试样的加 工尺寸如图２所示.将 SAＧ５０８Gr．３Cl．１钢和 SAＧ 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/T２２９－２００７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.

１．２ 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/T２２９－ ２００７和 ASTME２３－２００７a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/T２２９－２００７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. 

２ 试验结果与讨论 

２．１ 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.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[４],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/T２２９－２００７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/T２２９－ 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 ASTME２３－２００７a得到的冲击吸收能 量分 别 为 ２９６J 和 ３１５J,相 差 １９J;由 于 SAＧ 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/T２２９－２００７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/T２２９－２００７进行冲击试验.

２．２ 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[５],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.可见１号试样按 照 GB/T２２９－２００７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.

３ 结论 

(１)对 SAＧ５０８Gr．３Cl．１ 钢 和 SAＧ１８２F３１６LN 钢分 别 按 照 GB/T ２２９－２００７ 和 ASTM E２３－ ２００７a进行冲击试验,按照 GB/T２２９－２００７ 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SAＧ５０８Gr．３Cl．１钢的冲击试验温度高于 韧脆转 变 温 度 时,按 照GB/T２２９－２００７ 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SAＧ１８２F３１６LN 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/T２２９－２００７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/T２２９ －２００７(采 用 ２ mm 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/T２２９－２００７进行核电工程材料冲击试验.

参考文献: 

[１] 梁雪元,张宏伟,吴飞飞,等．核电厂核岛机械设备标 准的融合[J]．核标准计量与质量,２０１８,１２３(１):２Ｇ７． 

[２] 刘永飞,王平怀,刘宏亮,等．摆锤刀刃半径对夏比 V 型冲击吸收能量的影响[J]．理化检验(物理分册), ２０１６,５２(４):２３９Ｇ２４２． 

[３] 李士模,汤美玲,朱正清．核电厂核岛机械设备材料 标准的现状及对材料标准的需求[J]．核标准计量与 质量,２００３,６３(１):１３Ｇ２３． 

[４] 李晓冬,丁阳,顾 佳 磊．摆 锤 刀 刃 半 径 对 SA５０８Gr． ３Cl．２钢冲击试验结果的影响[J]．理化检验(物理分 册),２０１８,５４(８):５７８Ｇ５８１． 

[５] 许鹤君．金属材料韧脆转变温度检测中的一些关键 问题[J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３(６):４２２Ｇ４２７

<文章来源  > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 56卷 > 3期 (pp:22-25)>