核反应堆压力容器用１６ＭＮＤ５钢板的开发 王宁鞍山１１４０２１） 爽 ，颜秉宇 ，胡海洋 ，孙殿东 １１４００９；２．鞍钢股份有限公司，辽 （１．海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁鞍山摘要：介绍了某钢厂厚板生产线生产的核反应堆压力容器用１６ＭＮＤ５钢板的生产工艺和过程控 制情况，并分析了显微组织和力学性能。结果表明，通过ＥＦ—ＬＦ－ＲＨ—ＭＣ冶炼工艺生产的１６ＭＮＤ５ 钢质较为纯净，从成分设计到工艺过程控制均比较合理。该钢板具有良好的综合力学性能和焊接 性能，经过长时间的模拟焊后热处理后，钢板力学性能仍保持稳定，完全满足ＲＣＣ—Ｍ标准要求。 关键词：核反应堆压力容器；１６ＭＮＤ５；模拟焊后热处理 中图分类号：ＴＨ４９；ＴＬ３５１；ＴＱｏ５０．６ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００１－４８３７（２０１８）０２—００７４—０５ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４８３７．２０１８．０２。０１２ Ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ １ ６ＭＮＤ５ Ｓｔｅｅｌ Ｐｌａｔｅｓ ｆｏｒ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ ＷＡＮＧ Ｓｈｕａｎｇ 一，ＹＡＮ Ｂｉｎｇ—ｙｕ 一，ＨＵ Ｈａｉ—ｙａｎｇ ，ＳＵＮ Ｄｉａｎ—ｄｏｎｇ ， （１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，Ａｎｓｈａｎ １ １４００９， Ｃｈｉｎａ；２．Ａｎｇａｎｇ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ａｎｓｈａｎ １ １４０２ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ １６ＭＮＤ５ ｓｔｅｅｌ ｐｌａｔｅ ｆｏｒ ｎｕｃｌｅａｒ ｒｅａｃｔｏｒ ｐｒｅｓ· ｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｆａｃｔｏｒｙ ｔｈｉｃｋ ｐｌａｔｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ １６ＭＮＤ５ ｓｔｅｅｌ ｈａｓ ｐｕｒｅ ｓｔｅｅｌ ｂｙ ＥＦ—ＬＦ—ＲＨ—ＭＣ ｓｍｅｌｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ．Ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｐｌａｔｅ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ａｆｔｅｒ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｓｔ—ｗｅｌｄｅｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎ— ｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ １６ＭＮＤ５ ｓｔｅｅｌ ｐｌａｔｅ ａｒｅ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｍｅｅｔ ＲＣＣ—Ｍ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｕｃｌｅａｒ ｒｅａｃｔｏｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ；１６ＭＮＤ５；ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ＰＷＨＴ ０引言 Ａ５０８一ＩＩＩ，Ａ５３３等。由于该钢种应用于核一级 设备的建造，因此其整体技术指标、性能要求都非 常严格¨－３］。 为满足核电设备国产化的需求，根据核电用 钢的钢种特性，通过成分及生产工艺的设计，结合 组织和性能分析，确定了生产核反应堆压力容器 用１６ＭＮＤ５钢板的生产工艺制度。某钢厂在厚板 生产线上生产的１６ＭＮＤ５钢板工艺稳定、综合性 １６ＭＮＤ５为核岛承压容器专用钢材，源于法 国ＲＣＣ—Ｍ标准，属Ｍｎ—Ｎｉ—Ｍｏ低合金高强度 钢，由于Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ等元素在钢中的作用，这类钢 具有较好的淬透性、高温Ｉ生能、抗低温回火脆性及 较低的无延性转变温度，与之相当的美国牌号为 第３５卷第２期，２０１８年 压 力 容 器 总第３０３期 能良好。 １ 钢板的成分及工艺设计 １．１ 成分设计 根据核反应堆压力容器１６ＭＮＤ５钢板的性能 指标要求以及焊接性能要求，确定了试验钢的化 学成分（熔炼分析），见表１。 表１化学成分（熔炼分析） 元素 Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｃｒ Ｎｉ Ｍｏ Ｖ Ｃｕ ％ Ａｌ 实际含量 ０．１６ 标准要求 ＲＣＣ—Ｍ ≤０．０．１９ １．４０ ０．００９ ０．００２ ０．１９ ０．６０ ０．５０ ０．００４ ０．０５ ０．０１ ２０ ０．１０～０．３０ １．１５～１．６０ ≤０．０１２ ≤０．０１２ ≤０．２５ ０．５０～０．８０ ０．４５～０．５５ ≤０．０１ ≤０．２０ ≤０．０４ 作为核电关键设备用材料，钢板的主要性能 指标包括高温拉伸、韧性以及优良的焊接性。在 长时间模拟焊后处理或者高温状态下的强度都会 有所下降，为满足ＲＣＣ—Ｍ标准的要求，主要依 靠Ｃ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏ等元素的作用来保证。ｃ元素能 够有效地提高钢的强度及淬透性，含量偏低会导 致长时间模拟焊后热处理后强度下降，含量偏高 会使得韧脆转变温度升高，焊接性差；Ｍｎ元素能 够通过固溶强化提高钢的强度，并细化晶粒，降低 堆焊层下的裂纹敏感性，但含量过高会对钢板的 钢锭的加热温度控制在１２００～１３００ ｏＣ之 间，保温一定时间后出炉轧制。严格控制板坯 加热温度，一方面要确保钢坯在炉时间，保证钢 坯上、中、下温度均匀；另一方面要尽可能地减 少钢坯长时间加热产生的氧化铁皮数量及厚 度，保证轧制期间表面氧化铁皮的去除，同时防 止轧制过程中钢坯上翘。钢板轧制缓冷后，进 行调质热处理。 ２试验材料和方法 韧性产生损害；Ｃｒ能够显著改善钢的抗氧化作 用，缩小奥氏体相区，提高钢的淬透性，但含量过 高会促进回火脆性；Ｍｏ能够提高钢的耐热性，降 低钢的回火脆性，与Ｃｒ，Ｍｎ共同作用会减少或抑 制回火脆性，从而更有效地降低残余应力，提高钢 试样取自某钢厂厚板生产线生产的厚度５０ ＩＴｌｌｎ 的１６ＭＮＤ５钢板。拉伸试样采用ＮＦ ＥＮ １０００２规 定的圆形截面比例试样，试样公称直径１０ ｍｍ；冲 击试验符合ＮＦ ＥＮ １００４５标准的规定，试样大小 为１０ ｍｍ Ｘ １０ ｍｍ Ｘ５５ ｍｍ；金相试样经研磨、抛 板的综合强韧水平，获得均匀的组织与良好的力 学性能。因此，需要对钢中的元素含量进行严格 的控制，以保证钢板的力学性能指标＿４ Ｊ。 １．２ 工艺设计 光后采用４％（体积分数）的硝酸酒精溶液腐蚀， 在ＺＥＩＳＳ Ａｘｉｏｖｅｒｔ ２００ＭＡＴ金相显微镜下观察分 析显微组织；通过Ｔｅｃｎａｉ Ｇ２ ２０型透射电镜观察 析出物情况；利用箱式热处理炉进行长时间模拟 焊后热处理，其中模拟焊后热处理工艺为：保温温 核反应堆压力容器１６ＭＮＤ５钢板的生产工艺 流程为：电炉冶炼 炉外精炼一模铸 钢锭加热 一轧制一缓冷一热处理一探伤一性能检验一剪切 检查入库。 采用低Ｐ，Ｓ铁水及优质废钢、严格控制废钢 一度６１５℃，保温时间１６ ｈ，其中３５０ ｏＣ以上，升降 温速率≤５５ ｏＣ／ｈ。 ３试验结果及分析 ３．１ 力学性能 中的残余元素，通过炉外精炼有效地保证了钢中 Ｈ，Ｏ，Ｎ等气体含量并使钢水成分、温度达到控制 目标要求。另外，精炼后经过长时问的吹氩、搅拌 机镇静，有效地保证了钢中夹杂物的上浮。钢水 经过电炉冶炼及ＬＦ，ＶＤ炉外精炼处理后进行真 空浇注，锭型为扁平钢锭。浇注前，精炼罐及中间 包蓄热良好，导流管进行烘烤，浇注温度控制在 １５７０～１５９０℃ 钢板的常温拉伸、高温拉伸以及低温韧性结 果见表２。厚度５０ ｍｍ的１６ＭＮＤ５钢板头尾的室 温拉伸性能较为均匀，抗拉强度均在６１０—６２０ ＭＰａ 之间，屈服强度在４９０～５１０ ＭＰａ之间，延伸率为 ２７．０％～２８．０％。３５０℃高温抗拉强度都在 ．７５． ＣＰＶＴ 核反 堆压 ；｝｝；』ｌ Ｊ １６ＭＮＤ５钢板的 发 Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．２ ２０ｌ８ ５８０ ＭＰａ左 ，屈服强度在４３０ ＭＰａ左右，高温性 能优良，性能值波动较小，小但满足ＲＣＣ—Ｍ标 以ｆ 。经过长时『ＨＪ模拟焊后热处理后，钢板强度 及韧性均有所下降，抗拉强度 本 ６００ ＭＰａ左 ，准要求，且性能值有较大的寓裕量。在一２０ ｃ（＝冲 试验中，横向及纵向冲。 吸收能量均 ２００ Ｊ 同时一２０℃冲 吸收能量均 ２００ Ｊ左右，同 样满足技术指标的 求 表２ １６ＭＮＤ５钢的力学性能 状态 取样 常温拉伸 Ｒｊ ２／ＭＰａ Ｒ， ／ＭＰａ ／１／％ 高温托仲（３５０ ｏＣ） Ｒｍ ２／ＭＰａ Ｒ， ／ＭＰａ 横 冲击 （一２０℃） ／Ｊ 化 冷弯 （弯曲角度１８０。） 大部 、火 ５０３ ６２４ ２８．Ｏ ４３５ ５８９ ２４５，２５４，２４９ 合格 尾部 模拟焊后 热处理 ＲＣＣ—４９６ ４７４ ４５９ ６ｌ８ ６Ｏｌ ５９６ ２７．０ ２７．５ ２８０ ．４２５ ３９ｌ ３７８ ５７ｌ ５３ｌ ５２５ ２６６，２５１，２４９ ２４２，２４２，２４７ ２５４，２４６，２４９ 合格 合格 合格 ａ＝３０ ｍｌｎ， ＝头部 尾部 Ｍ标准要求 ≥４ｏ０ ５５０～６７０ ≥２０ ≥３０（） ≥４９７ ≥２８ １．５ａ．ｄ＝３．５ａ ３．２显微组织 在金相 微镜下观察，１６ＭＮＤ５钢板经过刚 火处理后，组织为…火索氏体，品粒度９级，如 １所示。在透射电镜下观察，钢板基体＿ｊ 分卉ｊ．有 大 的Ｃｒ，ＭＯ合金渗碳体析出相，如图２所示， 钢板经回火热处娜后，合金元素发生扩散，开始存 相和渗碳体问承新分配，碳化物形成元素向渗 碳体巾富集， 换Ｆｅ原子，形成合金渗碳体，并儿 【ＩＩＪ火ｔｔ寸析出的碳化物形成方式为离位析出，这些 碳化物细小弥敞，町以使得俐板强度显著提高，有 效地保证了钢板的综合力学性能。 图１ １６ＭＮＤ５钢同火｛ｌｌ！＿微组织 Ⅵ 蠹４０００ ｈ ｈ ｌｌＩ ＩＩｉ ＩＪ （） ：： Ｉ：▲ 。．一 【皋］２ １６ＭＮＩ）５例…ｌ火后透射 织及能谱照片 钢板经过模拟焊后热处理的金相组织仍为同 火索氏体，品 度为８级，见图３，透射电镜照片 ·见【皋１ ４。从图３，４叮以看出，经过模拟焊后热处 理后，晶粒尺寸叫 长大，出现丫大尺寸的合金碳 ７６· 第３５卷第２期，２０１８年 压 力 容 器 总第３０３期 化物第二相粒子，这种大尺寸的第二相粒子强化 效果很小，而且其韧性比基体差，这是钢板的强度 出现下降的原因 。 ３．３焊接接头的性能 ． ．＃ 、＿【 采用丝极埋弧焊，焊丝Ｕｎｉｏｎ Ｓ３ ＮｉＭｏｌ、规格 ４ ｍｍ，焊剂ＵＶ４２０ＴＦＲ。钢板厚度５０ ｍｍ，焊接 坡口６０。，按ＲＣＣ—Ｍ Ｓ１ １２０和ＲＣＣ—Ｍ ＳＩ ２００标 ．羞 准对焊接接头进行常温拉伸、冷弯试验以及冲击 试验，试验结果见表３，４。结果表明，１６ＭＮＤ５钢 板焊接过程稳定，力学性能指标满足ＲＣＣ—Ｍ标 准要求 … 。 ｒ＿ ． 一爹 蘩 图３ １６ＭＮＤ５钢模拟焊后热处理显微组织 ４０００ ０ 割４ 钢板长时间模拟焊后热处理第二相粒子透射电镜照片 表３ １６ＭＮＤ５钢焊接接头的常温拉伸和冷弯性能 常温拉伸性能 项目 冷弯性能 弯芯直径／ｍｍ 支座间距／ｒａｍ 弯曲角度／。 结果 Ｒ加２／ＭＰａ Ｒ ／ＭＰａ 数值 ５５０，４７２，４８０ ６３９，６ｌ６，６４０ ｌ２０ ｌ８６ ｌ８０ 面弯、背弯、侧弯全部合格 Ｊ 表４ １６ＭＮＤ５钢焊接接头的冲击性能Ｋ （横向．０℃） 取样位置 Ｅ表而 １／４厚度处 下表 焊缝 １５６，ｌ４７，１６６ １６６，１６２，１６６ １５Ｉ，１２６，１４０ 热影响区ｄ：１ ｍｍ ｌ８５，１８６，１８３ ２４８，２１０，２５０ ２２２，２２３，１６７ 热影响区ｄ＝４ ｍｉｌｌ ｌ９０．１８６，１８６ １６０，１２６，１４１ １９５，Ｉ９８．２０３ 此外，还对１６ＭＮＤ５钢板分别在不预热、预热 １６ＭＮＤ５钢板的抗再热裂纹性能。试验结果显 ７５℃、预热１２５。ｃ进行＿『小铁研冷裂纹敏感性试 验，试验结果显示，在１２５ ｏＣ试验焊缝表面、断面 示，焊缝表面、断面及根部都没有开裂，表面裂纹 率、断面裂纹率及根部裂纹率均为０。 ４结论 及根部都没有开裂，表面裂纹率、断面裂纹率及根 部裂纹率均为０。在保证不出现冷裂纹的情况 下，预热１８Ｏ℃对钢板进行了再热裂纹敏感性试 验，试验方法采用斜Ｙ坡口对接裂纹试验来评价 （１）通过在试验钢中添加Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏ等合金 ·７７· ＣＰＶＴ 核反应堆压力容器用１６ＭＮＤ５钢板的开发 元素，提高了１６ＭＮＤ５钢板的淬透性，并获得较为 均匀及细小的回火索氏体组织，在长时间模拟焊 后热处理后，抗拉强度仍在６００ ＭＰａ左右，同时 一［５］崔忠圻，覃耀春．金属学与热处理［Ｍ］．北京：机械 工业出版社，２０１０． ［６］ 莫德敏，张俊凯，张萌，等．核反应堆压力容器用 Ｍｎ—Ｍｏ—Ｎｉ系宽厚钢板热处理工艺研究［Ｊ］．宽厚 板，２０¨，１７（５）：４—９． ２０℃冲击吸收能量均在２００ Ｊ左右，可完全满 足核反应堆压力容器用１６ＭＮＤ５钢板的技术 要求。 （２）试验结果表明，研发的１６ＭＮＤ５钢板成 ［７］ 王殿祥，任品波，王晓旭．焊后热处理温度和时间对 １５ＭｎＮｉ钢力学性能的影响［Ｊ］．压力容器，２０１２， ２９（３）：７６—７９． 分设计合理，生产工艺可行，组织及性能稳定，具 有良好的综合力学性能及焊接性能。 参考文献： ［８］ 王勇，孙殿东，王长顺，等．模拟焊后热处理对ＳＡ一 ７３８Ｇｒ．Ｂ钢板组织及韧性的影响［Ｊ］．压力容器， ２０１４，３１（１）：１０—１４． ［９］ 李云良，张汉谦，胡莹，等．核电压力容器用厚钢板 ＳＡ５３３Ｂ的组织及力学性能［Ｊ］．材料热处理学报， ２０１２，３３（８）：８４—８８． 李云良，张汉谦，彭碧草，等．核电压力容器用钢的发 展及研究现状［Ｊ］．压力容器，２０１０，２７（５）：３６—４３． ［２］ 李昌义，刘正东，林肇杰．核电站反应堆压力容器用 钢的研究与应用［Ｊ］．特殊钢，２０１０，３１（４）：ｌ４一ｌ７． ［３］ 王勇，王长顺，孙殿东．核电用钢的开发与展望［Ｊ］． 鞍钢技术，２０１２（６）：６—９． ［１０］ 廖国平．核电站稳压器封头带极埋弧堆焊工艺技 术［Ｊ］．压力容器，２００８，２５（５）：２１—２５． 收稿日期：２０１７—０９—０４修稿日期：２０１７—１０—２７ 作者简介：王爽（１９８８一），女，工程师，主要从事核电用钢 的研制开发工作，通信地址：１１４００９辽宁省鞍山市铁东区 ［４］ 梁宝乙，白品，赵长春，等．核电压力容器锻件用 １６ＭＮＤ５钢的热处理工艺［Ｊ］．钢铁研究学报， ２０１２．２４（１）：４４—４７． 五一路６３号鞍钢集团钢铁研究院，Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｎａｇｓｈｕａｎｇ－ ｃｌｓｄ＠１２６．｛３０１＂１３．。 欢迎订阅２０１８年度《流体机械》杂志 （邮发代号：２６—１２９） 《流体机械》杂志是经国家新闻出版署批准的中央级 技术刊物，中国机械和仪表类核心期刊，国内外公开发行， 月刊，大１６开８８页，每期定价８元，全年定价９６元。邮局 征订代号：２６一ｌ２９。 主办单位：中国机械工程学会 栏日设置：试验研究、设计计算、产品开发、制造工艺、 故障分析、运行监测、技术综述、经验交流、信息报道等。 读者对象：从事流体机械与化工通用机械工作的工 程技术人员、大专院校师生以及生产使用单位的高级 技工。 逾期订阅请向安徽省合肥市长江西路８８８号合肥通 承办单位：中国机械工程学会流体工程分会、中国制 冷学会第二专业委员会、合肥通用机械研究院 报道范围：压缩机、风机、泵、阀门与管道、分离机械、 流体密封、喷射设备、制冷机械（包括空调、冰箱）。 用机械研究院《流体机械》杂志社索取订单，邮编： ２３００３１。电话：（０５５１）６５３３５５０５，传真：（０５５１）６５３１３５９２， 网址：ｌｔｊｘ．ｃｂｐｔ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｊｘ＠ｃｈｉｎａｐｖｔ．ｃｏｉｎｏ 欢迎订阅２０１８年度《锻压装备与制造技术》杂志（原《锻压机械》杂志） （邮发代号：２４—７） 《锻压装备与制造技术》杂志创立于１９５８年，是我国 最早的科技期刊之一，双月刊。由中国机床工具工业协 会与济南铸造锻压机械研究所有限公司共同主办，中央 级期刊，是我国锻压行业科技成果、产品信息交流的重要 园地，中国锻压装备与制造技术领域知名权威期刊。１９８１ 本刊主要栏目：ＣＭＥＴ视点、锻压情报网、综述、专题 报道、装备、工业炉、数控、锻造、冲压、特种成形、试验研 究、模具、材料、制造业信息化、企业风采等。 全国各地邮政局、所均可订阅（邮发代号：２４—７），定 价：１２ 本，全年定价：７２元。 年以来曾多次荣获机械工业部优秀科技成果奖；１９９２年 荣获机械电子工业部优秀科技期刊一等奖；国家科技期 地址：山东省济南市长清区凤凰路５００号，邮编： ２５０３０６，电话：（０５３１）８７９７９２９８，传真：（０５３１）８７９７９２９８， 刊二等奖；历届山东省优秀期刊；历届华东地区优秀期刊。 ．８７９７２２４２，网址：ｗｗｗ．ｅｍｅｔ．ｏｒｇ．ｃｎ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｍｅｔ２００３＠ １６３．ＣＯｉｎ（编辑部），Ｃｉｎｅｔ—ａｄ＠１６３．ｃｏｒｎ（广告部／发行部）。 ７８·
