中国核工业第五建设有限公司 上海 201512
摘要：本文概要介绍了AP1000核电核1级部件焊接材料断裂韧性性能的基本要求和焊接材料断裂韧性试验模式，分析总结了焊接材料进行断裂韧性试验的必要性、以转变温度作为防止脆性断裂的理论依据以及转变温度测定方法，阐明了参考无塑性转变温度RTNDT的确定程序。以核级ER80S-B2低合金钢焊丝为例，介绍了其断裂韧性性能要求、断裂韧性试验过程和试验结果评定。
关键词：焊接材料；低温脆断；断裂韧性
0 引言
AP1000核电技术是一种先进的非能动型压水堆 “第三代”核电技术，压水堆压力容器和管道设计的一个基本要求就是在其寿期内必须保证其完整性。因此，必须研究承压设备的失效方式和影响因素，其中脆性断裂就是需考虑的失效模式之一。铁素体材料是核级设备材料的重要组成部分，但它有具有冷脆现象的弱点，是核电厂承压设备在运行和假想事故工况下确保安全的执行功能所必须避免的。为保证焊接结构运行期间不发生压力边界的脆性断裂，这就要求焊缝、焊缝热影响区以及母材部分，都应有不低于设备安全运行需要的韧性水平。通常这是靠对母材、焊材的韧性水平控制，焊接工艺评定试验和焊接产品见证件检验来保证。
大量试验研究表明，断裂韧性是评价钢材及焊接接头抗脆性断裂特性的重要参量，与传统夏比V型缺口冲击韧性比较，断裂韧性更能有效准确的评价钢材的抗脆断能力【1】。目前国内外尚未见到关于核电建安领域焊接材料断裂韧性试验方面的文献报道，本文以焊接材料韧性水平控制为切入点，针对AP1000核电核1级部件焊接材料断裂韧性试验进行研究具有重要意义。
1 核1级部件焊材断裂韧性基本要求
AP1000堆型核1级部件焊接材料断裂韧性主要依据ASME B&PVC SecⅢ Subsection NB-2400的规定，要求焊接材料焊缝金属断裂韧性性能应达到NB-2331（a）或NB-2332适用于母材要求的部分，对于奥氏体不锈钢焊接材料和非铁基焊接材料不要求进行断裂韧性试验【2】。核1级部件焊接材料断裂韧性试验模式可分为以下两种：
1）核1级部件中容器承压件用焊接材料以及名义厚度大于64mm管道用焊接材料须确定参考无塑性转变温度RTNDT，要求保证其不高于规定设计温度。在该试验模式中，充分结合了夏比V型缺口冲击试验和落锤试验两种试验方法，在确定参考无塑性转变温度RTNDT的过程中，首先通过落锤试验确定TNDT，TNDT 是否等于参考无塑性转变温度RTNDT，应由夏比V型缺口冲击试验（Cv）的三个试样能否同时满足侧向膨胀量≥0.89mm和冲击吸收功≥68J来决定。
2）核1级部件中名义厚度不超过64mm管道用焊接材料只需在不高于最低使用温度下进行夏比V型缺口冲击试验（Cv），测定冲击吸收功或侧向膨胀量，达到规定门槛值则为合格，否则为不合格。
2 铁素体焊接材料的冷脆现象
铁素体焊接材料是核级设备材料的重要组成部分，但它有具有冷脆现象的弱点，即在常温下有很好的冲击韧性，但当使用温度低于某一温度时，其冲击韧性会急剧下降，断口特征由纤维状变为结晶状，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型。这是由于体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金中，温度的变化改变了位错在晶体中运动的摩擦阻力【3】。
据资料介绍【4】，材料在低温并接近材料的韧脆转变温度，对构件所施加的应力只有设计应力的0.1～0.6，或者只有屈服强度的1/2～1/4时即会发生断裂，且发生断裂时，一般从结构中的缺陷或应力集中处开始，裂纹扩展速度极快而无任何预兆，而这恰恰是核电厂承压设备在运行和假想事故工况下确保安全的执行功能所必须避免的。笔者认为这就是不要求奥氏体不锈钢焊接材料和非铁基焊接材料进行断裂韧性试验而要求体心立方的铁素体焊接材料须进行断裂韧性试验，以确定其低温脆化倾向大小的原因。
3 转变温度与脆性断裂的防止
采用转变温度方法来评价材料韧性和防止脆性断裂，主要以断裂分析图（Fracture Analysis Diagram）为根据[5]，如图4.1所示。
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图4.1 断裂分析图（Fracture Analysis Diagram）
由图4.1 断裂分析图可知，当结构处于低于或接近无塑性转变温度NDT时，小的缺陷（＜1＂）要求应力接近屈服强度（Yield Point）时才能引起断裂，但随着缺陷尺寸的增大，脆断需要的应力急剧下降，当应力低于5～8KSI（3.5～5.6Mpa）时，脆断就会被阻止。
当结构处于NDT温度以上时，起裂后的缺陷可以扩展，扩展所需的应力不断增加，如图4.1虚线所示。随着缺陷尺寸的增大，扩展所需的应力也相应减小。由图4.1可见，当温度处于NDT～NDT+60℉之间时，不同尺寸大小的缺陷可以在弹性负荷（Elastic Loads）下发生扩展。
当结构处于NDT+60℉～NDT+120℉之间时，缺陷扩展所需的应力均超过了屈服强度，这表明此时缺陷需要在塑性载荷（Plastic Loads）下才能扩展。
当结构处于NDT+120℉温度以上时，只有当局部应力超过材料的抗拉强度（Tensile Strength）时，结构才会出现剪切型撕裂破坏。
根据断裂分析图可知：只要控制结构产生断裂的三个因素即温度、应力、缺陷大小中的任何一个或两个，均可防止结构发生脆断。当结构的应力小于屈服应力时，只要温度不低于弹性断裂转变温度FTE，则结构不会发生脆断，这就是采用转变温度方法作为防止脆性断裂的根据。
4 转变温度的测定
核1级部件焊接材料断裂韧性试验没有选择直接选择测定NDT温度，而是采用测定参考无塑性转变温度RTNDT，这是由于断裂分析图有一定的局限性即它只适合具有明显韧脆转变温度的材料【5】，随着材料屈服强度的提高，夏比V型缺口冲击试验的转变温度曲线会变得越来越平缓，其适应性也变的越差。因此采用通过确定RTNDT来保证它的适用性，在参考无塑性转变温度RTNDT确定过程中，首先通过落锤试验来测定TNDT温度，要求TNDT≥NDT，接着在不高于TNDT+60℉温度下进行一组夏比V型缺口冲击试验，要求每个冲击试样的侧向膨胀量≥0.89mm、冲击吸收功≥68J，当这些要求都得到满足时，TNDT就是参考无塑性转变温度RTNDT即TNDT=RTNDT；若不满足，可进行复试或者提高冲击温度进行冲击补充试验，以测定试样组都能满足侧向膨胀量≥0.89mm、冲击吸收功≥68J要求的冲击温度Tcv，此时参考无塑性转变温度RTNDT就是TNDT和Tcv-60℉两者中的较高值。
由 RTNDT的确定程序可知，RTNDT可能与NDT相等，也可能高于NDT，因此对工程而言，确定RTNDT反而更安全。在RTNDT确定程序中，首先通过落锤试验来确定TNDT，TNDT≥NDT，但是落锤试验不能给出冲击试验曲线，因而不能判断NDT到塑性断裂转变温度FTP的温度区间，也就不能评定FAD的适用性。但同时本确定程序规定需在TNDT+60℉下进行夏比V型缺口冲击试验（Cv），当满足冲击功和侧向膨胀量的要求时，便可基本判定该材料具有较明显的韧脆温度转变，此时才有TNDT＝RTNDT.当不满足时可以通过提高TNDT（另选一个Tcv）的夏比V型缺口冲击试验来进行，此时由落锤试验确定的TNDT不等于RTNDT，而RTNDT只会高于TNDT。由此可见，确定RTNDT的程序有机的结合了落锤试验和夏比冲击试验两种试验方法，而且对FAD的适用性做了基本的判定。
5转变温度测定工程应用
5.1背景概述
现选定某AP1000核电建安工程核1级部件容器承压件用低合金钢焊丝ER80S-B2（Φ2.0mm 批号10520）复验断裂韧性试验进行应用。根据技术要求，该焊丝需进行焊后热处理态的断裂韧性试验，合格接收条件为RTNDT≤10℉，也就是说，只需验证核级ER80S-B2低合金钢焊丝的RTNDT不超过10℉即可，而不需要测出RTNDT实际最低温度值。
5.2断裂韧性试验方案
落锤试验和夏比V形缺口冲击试验分别按照试验标准ASTM E208、ASME SA370执行。由ASTM E208可知，在材料检验验证性试验应用中，只要在规定试验温度下至少试验两个落锤试样，如果所有试样均未断裂，则表明材料的NDT温度低于该温度，如果一个或多个试样均断裂，则表明材料的NDT温度不低于该规定温度。因此，在测定TNDT时，在某一规定温度下只需试验2个落锤试样即可，若在该规定温度下2个落锤试样均未断裂则该温度即为TNDT，并且TNDT≥NDT。在ASME规范中规定TNDT温度要比落锤试验至少两个试样没有断裂的温度低10℉，同时结合RTNDT的确定程序步骤，焊材断裂韧性验证性试验可按以下方案进行：
1）准备4个落锤试样和6个焊缝金属夏比V型冲击试样；
2）首先将2个落锤试样在温度5℉和将3个冲击试样在温度55℉下进行试验，如果落锤试样均未断裂且冲击试验结果侧向膨胀量≥0.89mm、冲击吸收功≥68J，则成功建立了一个RTNDT温度-5℉。然后进行第二组试验，将另2个落锤试样在-10℉和将3个冲击试样在40℉下进行试验。
3）若上述第一组试验失败后，则第二组试验中将另2个落锤试样在20℉和剩余3个冲击试样在70℉下进行试验，如果落锤试样均未断裂且冲击试验结果侧向膨胀量≥0.89mm、冲击吸收功≥68J，则试验建立了一个RTNDT温度10℉.否则该焊材断裂韧性试验结果不可接收。
5.3试件焊接工艺规程
母材材质选用ASTM A36（δ19mm），考虑到焊材与母材成分的差异性，在施焊前须在坡口面进行预堆处理（预堆边厚度≥3.2mm），坡口焊缝试件的焊接位置为平焊位置，坡口角度45±5°，焊接方法为GTAW，预热和层间温度为149～260℃，焊接电流电压可选择厂家推荐的施焊参数。
5.4试件加工取样
焊缝试件施焊完成后须进行射线照相试验检测以及焊后热处理，合格验收后的坡口焊接试件可按ASTME208、ASTMA370尺寸要求分别切取4个落锤试样（P-3）和6个夏比V型缺口冲击标准试样。
5.5断裂韧性试验结果
按照5.2中制定的试验方案，先进行第一组试验即将2个落锤试样在温度5℉和将3个冲击试样在温度55℉下进行试验，得到的试验结果如表5.2、表5.3所示，显然第一组试验已成功建立了一个RTNDT温度-5℉。接着进行第二组试验即将另2个落锤试样在-10℉和将3个冲击试样在40℉下进行试验，得到的试验结果如表5.4、表5.5所示，显然该组试验也是成功的。
表5.2 第一组试验 落锤试验结果
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表5.3 第一组试验 夏比V型缺口冲击试验结果
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表5.4 第二组试验 落锤试验结果
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表5.5 第二组试验 夏比V型缺口冲击试验结果
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由上述两组试验结果可知，该核级ER80S-B2低合金钢焊丝的RTNDT为-20℉＜10℉，满足材料断裂韧性接收条件。
6结束语
1）AP1000堆型核1级部件焊接材料断裂韧性试验试验模式大致上可以分为以下两种：a、容器承压件用焊接材料以及名义厚度大于64mm管道用焊接材料须确定参考无塑性转变温度RTNDT；b、名义厚度不超过64mm管道用焊接材料只需在不高于某规定温度下进行夏比V型缺口冲击试验，测定冲击吸收功或侧向膨胀量。
2）AP1000堆型核1级部件焊接材料采用了转变温度方法作为选材及评定与防止脆断的一种方法，同时规定了参考无塑性转变温度RTNDT的确定程序，RTNDT在保证容器、管道合理选材和安全性方面是一个较好的韧性指标。
3）在工程中，按ASME锅炉与压力容器规范 第Ⅲ卷NB分卷核1级部件要求进行性能试验的焊接材料，其断裂韧性试验一般为验证性试验即只需验证其转变温度低于某规定温度或冲击韧性是否达到规定的门槛值。因此一般只需进行1到2组试验即可，而不需要进行一系列温度的试验以测定RTNDT或测定达到规定冲击吸收功、侧向膨胀量的最低温度。
参考文献：
[1]霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定【M】.北京：机械工业出版社，2000.46-77.
[2]ASME 锅炉与压力容器规范，第Ⅲ卷 核动力设备建造规范，第1册NB分卷 1级部件，1998及2000增补
[3]王滨，陈运远等.力学性能试验.上海科学普及出版社，2003
[4]周惠久等.金属材料强度学.科学出版社，1989
[5]张敬才.无延性转变温度（NDT）与基准温度（RTNDT）.核科学与工程，1993，3（3）：211-220