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好文抢先看:硬度差在核电站反应堆压力容器主螺栓验收时的特殊应用解读
发布:kittyll   时间:2015/9/14 16:40:25   阅读:582 
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图片来源:网络

随机取样是抽样检验的一大前提条件,但这一规则在反应堆压力容器(RPV)主螺栓的力学性能检验时适用性大大降低,主要是由于RPV主螺栓的大规格尺寸(直径大、长度长)。在核电材料标准和采购技术规范中,确定RPV主螺栓的性能试验批量(即样本大小)时的规则之一为“同一批棒材的最大硬度偏差不应超过42HB”。这条规则有别于一般棒材的批量确定规则,为大多设计和工程人员不解,中核国电漳州能源有限公司的韦俏斌等研究人员首次试图从工程原理出发进行解读。
 
 
解读一:螺栓棒材力学性能试验是抽样检验

目前,成熟的检验方式分成全面检验和抽样检验两类。全面检验是对产品逐个进行检验,把其中的不合格品拣出来。抽样检验是从一批产品中随机抽取少量产品(样本)进行检验,据以判断该批产品是否合格的统计方法和理论。全面检验的广度和频次明显优于抽样检验,在核电工程领域,从保守决策角度,力学性能检验应优先采用全面检验方式。但事实上力学性能检验属于抽样检验,这是由力学性能检验的特性决定的。
 
力学性能检验是测定材料在一定环境条件下受力或能量作用时所表现出的特性的试验。力学性能检验是破坏性检验的一种,在测量材料的强度、硬度、刚性、塑性和韧性的过程中,会破坏试验用的试样。因此,投入使用的产品是无法用全面检验的方式来检测力学性能数值的,只能用抽样检验的方式进行。
 
批量确定规则和样本选择是抽样检验的两大要素,一般而言,批量确定规则对应均匀性要求,样本选择对应代表性要求。批量的定义是检验批中所包含的单位产品数。批量确定规则和检验性能考核值性质不同:若不满足批量确定规则,须重新进行分批后才能进行检验;若不满足性能考核值,则判定性能不合格。
 
标准RCC-M M2311和技术条件等规定RPV主螺栓的确定性能试验批量规则有如下三条:
  • 同一牌号、同一冶炼炉、同一炉号、相同横截面、相同制造过程、同炉热处理(以下简称相同制造条件)。
  • 重量不超过5吨。
  • 最大硬度偏差不应超过42HB。 
解读二:硬度值是螺栓棒材力学性能指标中的“等价物”
 
螺栓是受力件,其棒材的力学性能试验包括拉伸试验、冲击试验和硬度试验。这三个试验的指标间有相互对应关系:同一钢铁材料硬度越高,强度(抗拉强度和屈服强度)越高,韧性(断裂韧性和冲击)越低,理论上可以相互转换。
 
从试验形式来看,螺栓的硬度试验分成便携式试验和试验室试验两种。硬度的便携式试验在性能热处理后的棒材上进行,不需截取试样,试验结果可区别棒材硬度最高值、最低值及硬度差;硬度的试验室试验和拉伸试验及冲击试验一样,须从螺栓棒材中按取样规则截取试样后进行试验,试验结果与考核值进行比较作为判定力学性能是否合格的依据。
 
综上所述,硬度的便携式试验易操作,虽然这种硬度值结果由于偏差等原因不能作为验收值,但硬度差范围能作为“等价物”,反映棒材的力学性能指标(硬度、强度及韧性)的接近程度,作为棒材均匀性和代表性的依据。
 
解读三:硬度差是RPV主螺栓棒材力学性能试验批量确定时的合理选择
 
一般钢铁棒材标准规定,力学性能试验批量确定规则只要求相同制造条件以满足均匀性要求,试验样本选择方式为随机选择以满足代表性要求。
 
一般核电棒材和一般钢铁棒材的力学性能试验批量确定规则相似,但样本选择明显不同。核电棒材样本选择(2%硬度值最高的棒材及2%硬度值最低的棒材)方式,是基于硬度值“等价物”原理,能确定甄别一批棒材中力学性能的最大值和最小值所在的棒材,对这些棒材进行试验,可为这批棒材的“证合格”提供高置信度。
 
RPV主螺栓棒材按一般核电棒材的批量确定和样本选择方式检验也是可行的,但是,成本太高,经济性不合理。随机确定的样本选择方式是在性能试验取样前进行的,对于每检验批10根左右RPV主螺栓棒材,如果没有预留加长段,需要破坏两根半成品,以一个RPV需要至少8批计算,合计耗费的棒材价值上百万;如果事先预留加长段,需要锻造时在每根棒材两端加长以满足后续的随机抽取需求,由于RPV主螺栓棒材直径大,每根需从原长度加长30%,合计耗费的材料成本比每批破坏两根半成品还要大。
 
RPV主螺栓棒材在批量确定前进行的硬度的便携式试验,其结果虽然由于精度关系不能作为验收数据,但42HB的硬度差范围要求能甄别一批棒材力学性在一个合理的小范围内变动,即确保了批次棒材中各根棒材力学性能接近。将一般力学性能试验时样本选择时的代表性问题转移到批量确定时来解决。这样合理选择后,由于检验批中各棒材的力学性能相近,只需每个试验批棒材取两根在两端加长即满足试验取样需求。这两根棒材剩余部分和其他棒材也能满足螺栓加工需求。
 
节选自《理化检验-物理分册》2015年第9期
 
本文作者:韦俏斌,中核国电漳州能源有限公司工程师。
 
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