爆破阀用剪切盖材料690合金含碳量的选材分析
李军业
中核苏阀科技实业股份有限公司, 苏州 215129

摘要 本文通过对爆破阀剪切盖材料690合金的机械性能进行分析，提出了材料含碳量的选材要求，并通过试验证明了选材的正确性。
关键词 爆破阀；剪切盖材料；690合金；含碳量

Carbon Content Analysis for 690 Material Used for Shear Cap for Squib Valve
LI Jun-ye
SUFA Technology Industry Co., Ltd. CNNC, Suzhou 215129, China

Abstract: This article provides the proposal carbon content for 690 material used for shear cap for squib valves according to the analysis of the mechanical properties requirements for the shear cap material specification.
Key words: Squib valve, Sear cap material, 690 alloy, Carbon content

1、 前言
爆破阀是三代核电AP1000技术转让国产化关键设备，其与二代或二代改进型压水堆核电站用阀门有着本质的不同。爆破阀剪切盖是爆破阀工作的重要组成部分。不仅需要依靠密闭的剪切盖来保证爆破阀关闭时的密封性，确保不会发生泄漏，而且在事故阶段，还需要保证剪切盖能顺利切断，确保阀门开启。[1]
目前三代核电站AP1000爆破阀剪切盖材料采用Inconel 690合金，该合金是一种30%铬含量的奥氏体型镍基耐蚀合金。
本文结合爆破阀剪切盖材料规范要求进行分析，提出了选材时为了满足性能的材料含碳量要求，并通过实验证明了其正确性。
2、 爆破阀剪切盖材料性能要求
2.1化学成分要求
根据爆破阀剪切盖用690合金棒材规范[2]，爆破阀剪切盖690材料化学成分应满足表1要求。
表1 爆破阀剪切盖材料化学元素限值（wt.%）
Nickel 镍 58.0min
Chromium 铬 28.0-31.0
Iron 铁 7.0-11.0
Manganese 锰 0.5max
Silicon 硅 0.5max
Carbon* 碳 0.015-0.030
Aluminum* 铝 0.5max
Titanium* 钛 0.5max
Boron* 硼 0.005max
Nitrogen* 氮 0.05max
Sulfur* 硫 0.010 max
Phosphorus* 磷 0.015max
Copper* 铜 0.20max
Niobium* 铌 0.10max
Molybdenum* 钼 0.10max
Cobalt* 钴 0.05max
注：该元素限值比SB-166规范要求更严格，或者是另外提出的。

2.2机械性能要求
根据爆破阀剪切盖用690合金棒材规范[2]，爆破阀剪切盖690材料室温力学性能应满足表2要求。
表2 爆破阀剪切盖材料的室温力学性能要求
抗拉强度
Rm，MPa 屈服强度
Rp0.2，MPa 延伸率
A，% Rm×A
MPa
586-689 241-345 46-58 304-359
此外，材料规范还提出了晶粒度和碳化物分布的要求[2]：
1）热处理后，材料晶粒度应按ASTM E112进行测定，达到3～8级要求。
2）热处理后的产品应具有以下特征：碳化物在所有晶界连续析出，而晶粒内碳化物析出密度很低。金相检测的方法是用500倍电子显微镜扫描经2％溴甲醇处理过的试样。

3、 选材分材
从表2可以看出，为保证爆破阀剪切盖60年内压力边界完整，同时保证在一定装药量下剪切盖能成功被剪断，因此，爆破阀剪切盖材料的机械性能（抗拉强度、屈服强度、延伸率）都限定在一个很窄的范围区间内，且对抗拉强度和延伸率的乘积也限定在一下很窄的范围区间内。因此，爆破阀剪切盖材料的难点在于满足其严格的机械性能要求。
表1规定了爆破阀剪切盖材料的化学成分限制，其中对材料力学性能影响比较大的主要是碳含量，研究表明[3]，碳含量对晶粒尺寸的影响见图1，从中可以看出，碳质量分数在0.011%-0.033%范围内时，随着碳含量的逐渐增加，平均晶粒尺寸从23μm减小到10μm，在碳质量分数超过0.020%时，晶粒尺寸降低幅度较大。碳含量对室温力学性能的影响见图2，从中可以看出，随着碳含量的增加，室温抗拉强度从702.5MPa提高到810MPa，屈服强度从300MPa提高到402.5MPa；同时当碳的质量分数超过0.020%时，力学性能增加幅度较大。

图1 不同碳含量对固溶态（左）和脱敏态（右）690合金晶粒度的影响[3]


图2 不同碳含量对固溶态690合金室温力学性能的影响[3]

从表2可以看出，爆破阀剪切盖用690合金棒材的抗拉强度应在586-689MPa区间范围内，屈服强度应在241-345MPa区间范围内。结合图1和图2可以得出初步分析结果，即爆破阀剪切盖用690合金棒材的碳含量上限值应限制在0.020%以下比较合理，碳含量不宜超过0.020%，即碳含量应限制在0.015%-0.020%之间。因为当碳含量超过0.020%后，其抗拉强度和屈服强度的增加幅度将比较大，易于超出爆破阀剪切盖用690合金棒材的力学性能上限值。

4、 试验验证
4.1试验材料
采用直径为25mm的690合金锻棒（车光）作为试验材料，其含碳量为0.018%，合金实际化学成分见表3，其满足表1的要求。
表3 实验用690合金锻棒的化学成分（wt%）
元素 C Mn S P Si Ni Cr Al Ti Cu
含量 0.018 0.04 0.002 0.007 0.09 59.70 29.73 0.19 0.25 0.02
元素 Sn As Pb N Fe Mo Nb B Co
含量 0.001 0.001 0.001 0.008 9.63 0.02 0.02 0.001 0.015

4.2试验结果
在固溶温度分别为1030℃、1050℃和脱敏温度为715℃下，对材料进行了热处理，热处理后690合金晶粒度分别为6.5级和6级，满足技术指标要求。
对浸蚀后的690合金试样，采用扫描电镜对碳化物分布形貌进行了观测研究，组织照片见图3～图4，从图中可见，其碳化物均在晶界连续析出，基本无晶粒内碳化物析出，碳化物分布均满足要求。

图3碳化物分布（1030℃×1h+715℃×8h） 图4碳化物分布（1050℃×1h+715℃×8h）

热处理后的690合金棒材的室温力学性能（包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、及抗拉强度×延伸率乘积）见表4，满足技术指标要求。
表4力学性能
热处理工艺 平行试样 室温力学性能
抗拉强度
Rm，MPa 屈服强度
Rp0.2，MPa 延伸率
A，% Rm×A
MPa
1030℃×1h+715℃×8h 1 668 298 48.5 324.0
2 664 289 47.5 315.4
1050℃×1h+715℃×8h 1 660 278 48.5 320.1
2 666 284 48.5 323.0

5、 结论
1）为满足爆破阀剪切盖材料规范的要求，材料碳含量不宜超过0.020%，即碳含量应限制在0.015%-0.020%之间。
2）在含碳量0.018%的试验材料中，固溶温度分别1030℃、1050℃均能获得满足材料规范的技术性能指标。

参考文献
[1] 乐秀辉，盛燮康，李军业. AP1000核岛主要阀门特点. 通用机械［J］，2010，(7)
[2] 李军业，吴辉，宋志刚，丰涵. 爆破阀剪切盖690合金热处理工艺. 阀门［J］，2016，(3)
[3] 周思源,郑文杰,宋志刚,张立波,丰涵.碳含量对690合金组织和力学性能的影响及强化机制.钢铁[J],2012,47(8)


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