焊后热处理对SA508Gr.3钢韧性影响的研究

Engineering工程

hinaCPlant

焊后热处理对 SA508Gr.3钢韧性影响的研究

张娟1，刘艳锋1，肖文凯2，翟显2

（1.东方电气（广州）重型机器有限公司，广东 广州 511455；2.武汉大学动力与机械学院，湖北 武汉 430000）

摘要：在三代非能动压水堆核电设备上，大量地使用了SA-508 Gr.3Cl.2钢，该材料具有较高的强度和低温冲击韧性。由于核电部件材料厚度大，SA-508 Gr.3Cl.2 钢焊接完成后需要进行较长时间的热处理，以消除残余应力。本文研究了核反应堆容器用 SA508Gr.3钢大锻件热处理工艺，焊后热处理保温时间下的焊缝组织和冲击韧性的变化，分析了回火过程中残余奥氏体分解对回火冲击韧性的影响。

关键词：SA508Gr.3钢；热处理工艺；焊后热处理；冲击韧性 

中图分类号：TG407   文献标识码：A   文章编号：1671-0711（2019）01（下）-0135-03

1 引言

到目前为止，世界的核电站建设已经历经了三代。第一代核反应堆以原型堆的形式在20世纪50、60年代应用，大量采用小锻件和钢板焊接结构，主设备焊缝较多，安全裕度较低；第二大核反应堆即大型商业化的核电站，在70年代出现并运行至今，开始大量采用大锻件以减少焊缝；第三代核反应堆的典型代表为AP1000型核反应堆，90年代开始发展，以提高第二代核反应堆的安全性为目标，其功率更大，设计寿命延长，需要更大尺寸和性能更优的大锻件，SA.508等级3合金钢是核电机械部件的标准合金原料。在核工业的许多重要设备的设计中都有采用，例如核电工业设备中的稳压器。SA.508等级3标准的合金钢与上一代的合金钢的原料性能相比，其强度大幅提升，并且在较低温度情况下仍然具备较强的韧性。表1为该锻件两代原料SA.508标准3Cl1与SA.508标准3C2的性能指标比较。美国机械协会的标准中定义了该合金钢的组成成分，见表2与表3。

表1 SA.508等级1与等级2性能比较

力学性能

室温抗拉强度/MPa室温屈服强度/MPa-25℃冲击功/J

SA508Gr.3Cl.1550~725≥345≥41

SA508Gr.3Cl.2620~795≥450≥48

2 SA.508合金钢的冷却变化趋势图

SA.508合金钢的冷却变化趋势图，反映了合金钢在各种降温速率下组成元素的变化趋势，变化趋势图是设计合金钢热加工生产工艺的主要参考条件。该合金钢具备很高的淬透性能，在热处理加工过程中，更有利于温度降低对材料耐温性能的要求，其在非常低的冷却条件下也能得到更好的组织结构并拥有不错的性能指标。如图1所示，研究专家经过试验得出SA-508其CL1与等级CL2标准下的合金钢，化学元素组成变化趋势。

SA.508其标准3 合金钢在经历各种降温速率的持续冷却后，可以形成三类结构，即Pearlite结构、Bainite结构、与Martensite结构。从该合金钢的冷却变化趋势图中可以看出Martensite的极限点状态，Martensite需要的温降速度非常快，如果合金件的厚度较大实现这样快的温度降低比较困难。如果温度下降速率低于10度每分钟时，合金钢的持续变化过程中存在很多Pearlite结构，其硬度相对要低很多，结构性能较差。

表2 ASME标准规范的SA508Gr.3化学成分

元素CMnPSSiNiCrMoV

含量/MAX 1.35+/-MAX MAX MAX 0.7+/-MAX0.5+/MAX wt%0.250.150.0250.0250.40.30.25-0.10.05

表3 ASME标准规范的SA508Gr.3力学性能

抗拉强度屈服强度延伸率断缩率冲击功最小冲击功最/MPa/MPa/%/%平均值/J小值/J550~72534518384134

图1 508-3钢（SA508Gr.3Cl.1、SA508Gr.3Cl.2）连续冷却

转变曲线

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Research and Exploration 研究与探索·工艺与技术

3 SA508Gr.3钢的热处理

美国机械协会的协议规范要求合金锻造件前期预处理需要两次以上的完全降温冷却，以形成首次Austenite变化及再次Austenite变化的过程。对于厚度较高的合金器件，如果通过首次正火无法实现设计要求，需要进行二次与三次正火，如果正火不满足要求还需要进行回火，直到符合设计要求为止。通过上述工艺过程，可以有效的改善合金的结构，提升其机加工性能。

SA.508钢一般以调质形式进行出货，调质是合金钢一种处理方式。实际的加工过程中，将需要处理的合金钢通过高温加热到900℃左右进行Austenite后，通过向合金钢表面喷水，使其迅速转换为Bainite组织结构的一种处理方式。对于壁厚较厚的合金，通常的插入水里的淬火方法已经不再适合了，其强度指标、韧性指标都无法满足设计要求，这种情况下一般使用向其表面喷水的方式，即便是使用这种工艺，合金的中心部位温度的下降速度还是无法达到要求，淬火后经常会形成Bainite结构。

4 合金焊接之后的处理工艺

依照机械协会的规定，合金焊接后的加工处理器温度不能超过600℃，其工艺过程称为去除应力退火。由于SA.508合金钢使用的是调制原料，要实现热加工过程不对原料的主体产生影响，要求焊接完成后表面处理的温度不高于锻件回火温度，并小于极限温度15℃。现阶段的工艺条件其保存温度标准为600℃上下。在430℃左右对温度上升与下降的速度要求不大于55℃每小时。要依据设备的不同部件的实际情况，规定热加工验证的温度时间，以及不同产品部件的使用情况，制定了焊后热处理试验的保温时间，如图2，焊接时间从0开始，最高是48h。图2与3分别是焊接与性能关系的曲线图以及焊接前后的金属的结构图。

图2 焊后热处理保温时间与焊缝金属冲击性能的关系

经过比较我们得出结论，焊接后加工的温度被限制在150℃左右，热加工过程对焊缝的影响不大，其焊接前后的结构没有太大变化，但晶体溢出数量有所变化，

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中国设备工程 2019.01 (下)

在高倍显微镜下，合金体内的存在密度很高的位错组织。焊接热加工后略有变化，这时的剩余应力减少，焊接强度也随之降低，韧性增高，但由于焊接缝隙的结构没有改变，导致焊缝部位的强度稳定。通过实验对焊接缝隙的强度进行测试，我们得出不同时间条件下焊缝的抗冲击能力对比，可以看出抗冲击强度变化不大。

图3 焊态与焊后热处理态焊缝金相比较

5 回火过程中残余奥氏体分解特征及其对冲击

韧性的影响

钢中的残余奥氏体一般转为成为铁素体和渗碳体。G.Yan P等研究了SA508 Gr.3钢回火过程中残余奥氏体分解特征及其对冲击韧性的影响，与传统的回火处理方法相比，将残余奥氏体转化为马氏体或贝氏，而不是直接分解为长棒碳化物和铁素体。研究发现，在230℃回火时,从残余奥氏体分解形成马氏体，速度非常缓慢，完全分解需要超过5h。在400℃和650℃回火过程中，残余奥氏体转化为贝氏体，在650℃回火过程中，残余奥氏体转化为长棒碳化物和铁素体的混合物，见图4。

图4 400℃回火前后样品的显微结构演变

因此可知，残余奥氏体分解形成的产物对钢的冲

击韧性有显著影响。长棒碳化物减少可以促进的韧性的提高。在400℃的预回火可以消除长棒碳化物和铁素体的混合物。

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论钢箱梁长大节段整体制造安装施工技术

苏乾东

（中铁十一局集团汉江重工有限公司，湖北 襄阳 441000）

摘要：首先阐述了工程概况及钢箱梁结构特点，然后对钢箱梁节段划分方案进行分析，对钢箱梁长大节段整体安装施工技术进行讨论，保证施工的质量与安全。

关键词：钢箱梁；钢箱梁吊架验算；吊点布置

中图分类号：U445.472   文献标识码：A   文章编号：1671-0711（2019）01（下）-0137-02

1 工程概况及钢箱梁结构特点

某桥全长200m，跨越京广铁路，与南北侧的常青

路高架桥顺接；桥跨采用（95+105）m分幅转体连续钢箱梁，桥面总宽51m，桥面布置为：0.65m（防撞护栏）+2.2m（缓冲带）+0.65m（防撞护栏）+21.25m（机动车道）+0.5m（防撞护栏）+0.5m（中央分隔带）+0.5m（防撞护栏）+21.25m（机动车道）+0.65（防撞护栏）+2.2m（缓冲带）+0.65（防撞护栏）=51m。下部结构采用框架墩，群桩基础。

（1）梁高。钢箱梁端部梁高3.0m，主墩处根部梁高6.5m，直腹板梁高按二次抛物线变化。钢箱梁单幅顶宽25.25m，底宽16.5m。

（2）顶板及其加劲肋。顶板在顺桥向不同区段采用了16mm、20mm、24mm、32mm这4种不同的厚度，中支点区域板厚最大。顶板采用U肋加劲，上口宽300mm，下口宽170mm，高度280mm，间距600mm。U形加劲肋厚度均为10mm。钢桥面板顶板下缘保持平齐，U形加劲肋保持底缘平齐。在钢箱梁挑臂位置的U肋手孔下设置栓接封板，防止飞鸟筑巢。

（3）底板及其加劲肋。底板在顺桥向不同区段采用了16mm、20mm、24mm、36mm这4种不同的厚度，中支点区域板厚最大。底板采用倒T形肋加劲，基本间距450mm，加劲肋厚度均为14mm。主墩墩顶梁段底板由水平段及二次抛物线段组成，底板采用压弯成型。为便于底板加劲肋施工，底板上缘保持平齐。

（4）腹板及其加劲肋。腹板在顺桥向不同区段采参考文献：

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用了16mm、20mm两种不同的厚度，腹板内侧保持平齐。腹板纵向采用板肋加劲，纵向加劲肋纵向连续，在横隔板与竖向加劲肋处穿孔而过。

（5）横隔板及横肋。横隔板标准间距2.8m，两道横隔板间安设竖向加劲肋。箱梁外侧和横隔板相应区域都安置挑臂，挑臂腹板厚14mm。横隔板采用实腹式、框架式和桁架式3种构造，在支点处采用实腹式横隔板，桁架式横隔板分为V型或X型撑隔板，桁架式横隔板之间设置一道框架式横肋隔板。V型横撑斜杆采用∠200×14mm等边角钢，节点板厚16mm。X型横撑斜杆采用焊接T型，板厚为20mm，节点板厚16mm。

（6）连接构造。钢箱梁连接均采用以焊接为主的栓焊组合方式。顶板、腹板及其加劲肋、底板及其加劲肋都采用焊接，强化主梁密闭性。顶板U肋采用焊接方式。

2 钢箱梁节段划分方案

常青路主线高架桥桥梁工程节段划分为两个部分：普通节段S1、S2、S3、S4、S5、F1、F2、F3、F4、F5和节段SF。普通节段纵向共分为21个节段。其中S1、S2、F1、F2纵向分为8个节段，横向分为10个节段，腹板方向分为2个节段，共为128个节段；S3、F3纵向分为4个节段，横向分为10个节段，共为40个节段；S4、F4、S5.2、F5.1纵向分为7个节段，横向分为16个节段，共为112个节段；S5.1、F5.2纵向分为2个节段，横向分为4个节段，共为8个节段。普通节段共计

pressure vessels [S] , 2007.

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