不锈钢探头

6月24日，江门中微子实验（JUNO）地下700米的实验大厅内，中心探测器不锈钢主结构最后一个拼装单元吊装合拢，标志着中心探测器不锈钢主结构安装工作顺利完成。 江门中微子实验核心探测设备——中心探测器位于地下实验大厅内44米深的水池中央，其不锈钢主结构设计采用直径约41米的球形网壳结构形式，也称作不锈钢网壳，作为探测器的主支撑结构，它将承载35.4米直径的有机玻璃球、两万吨液体闪烁体、两万只20英寸光电倍增管、两万五千只3英寸光电倍增管、前端电子学、电缆、防磁线圈、隔光板等诸多关键部件。 不锈钢主结构由预制的焊接H型钢通过12万套高强螺栓拼接而成，结构制造精度要求非常高，连接孔与环槽铆钉的安装间隙不超过1毫米，球形网壳网格拼装精度小于3毫米，是目前国内最大的单体不锈钢主结构。自2013年立项以来，高能所与设计、生产企业协同攻关，攻克诸多工艺技术难题，解决了大型不锈钢复杂结构焊接变形问题，通过特殊工装和工法完成了所有构件在工厂的高精度预拼装；研发了不锈钢表面粗化技术，该技术将不锈钢表面抗滑移系数从普通的0.2提高到0.5以上；同时针对JUNO项目的特殊需求研制了高强不锈钢短尾环槽铆钉。 不锈钢主结构项目负责人、现场安装经理何伟表示：不锈钢主结构设计与预研过程中获得了多项技术发明专利授权，同时带动提升了相关制造企业的创新发展和综合实力；其中不锈钢短尾环槽铆钉技术经中国机械通用零部件工业协会鉴定，首次用于不锈钢钢结构领域，相关标准据此发布，填补了国内空白。在不锈钢网壳现场安装过程中，为了保证安装质量、提高安装速度，同时满足实验高洁净度的要求，工程技术人员不断摸索优化拼装单元和安装工法，并且改进了铆钉枪的使用，有效减少了铆接不良率和返修数量，保证了质量和工期。 江门中微子实验项目采用单主线多副线并行的高效建设方案。在中心探测器不锈钢网壳安装过程中，同步进行了反符合探测器主支撑结构和有机玻璃升降平台的现场安装。其中，反符合探测器主支撑结构分布于直径43.5米的大型圆柱形池壁内侧，为悬挂不锈钢钢结构位于防水HDPE膜外，具有大长细比自重预应力的特点。该结构准确紧贴池壁，充分提高探测体积，同时43米通长无侧支撑，从根本上解决混凝土穿透处高压地下水渗漏难题。该结构作为池壁承载的主结构，承载探测器的各种电缆、光纤、液闪和纯水管路、tyvek反射纸以及水切伦科夫探测器刻度光源等。 不锈钢主结构的合拢也意味着有机玻璃球现场安装的开始，中心探测器结构中的有机玻璃球直径35.4米，壁厚120毫米，重600多吨，是世界上最大的单体有机玻璃结构，生产和建造在国内外都无先例，如何突破传统工艺，在短期内顺利完成这一球体建造是项目组面临的又一巨大挑战。 江门中微子实验位于广东省江门市开平市，是由中科院和广东省共同建设的大科学装置，同时也是一个大型的国际合作项目。2015年开始建设，计划2023年建成运行，以测定中微子质量顺序、精确测量中微子混合参数为主要科学目标，并进行其他多项科学前沿研究。江门中微子实验的实施将使我国在中微子研究领域的领先地位得到进一步巩固，并成为国际中微子研究的中心之一。

质量控制（QC）和材料可靠性鉴别（PMI）仪器已成为保证材料检验流程必不可少的工具。这些仪器的使用有助于确保在正确的时间、正确的场合使用正确等级的不锈钢。错误的钢铁等级轻则会造成经济损失，重则会造成人员死亡。化工厂和石化行业的爆炸案例生动地警醒我们使用错误合金的危险性。因此，大多数行业都要求检验生产过程中使用的原材料来确保产品质量。在其他物料验证方法中，工厂测试报告（MTR）有时也会用于产品验证。但在某些情况下，由于贴标签过程中的混淆，MTR 也可能不可靠或不正确。方案是对 MTR 进行第二次测试以验证产品的可靠性。在检验的初始阶段就抓住这个问题 —— 使用元素分析方法 —— 避免了在经生产加工完成产值增加后，却发现终产品检验不合格的问题，造成更大的损失。通常， 这种情况所产生的结果只能是完全废弃该批次产品。 材料检验时不可中断物料验证流程。主管和 QC 经理必须确保在整个生产过程中使用正确的物料。再次强调，可靠的方法是进行元素分析——通常也是遵守法规的要求。测试过程中可能会一直跟踪零件、组件或设备，直到发货前进行终验证。当客户收到产品时，通常会再次执行收货检验。因此，必须依照终用户的需求进行检验。 特别的是在关键测试流程中，产品验证将一直持续到实际装机现场。对于在验证流程之前已安装的设备（例如拥有 30 年历史的炼油厂），该流程甚至可能需要要求炼油厂暂停运行，以测试在安装时可能没有经过完整检验流程所涉及的物料。 在过去，XRF （X射线荧光）和 OES （光发射光谱）都可用于物料验证。在早期的测试作业中，只有实验室配备了物料验证所需的各种仪器。然而，随着实验室技术的小型化，工艺过程中测试和现场测试已经成为现实。 碳（C）是一种重要的合金元素，常常被添加到不锈钢中以增加其硬度和强度。迄今为止，碳的分析一直是一个具有挑战性的工作。流行的物料验证方法是采用手持式 X 射线荧光（XRF），但其无法检测碳含量。光学发射光谱法（OES）可以检测碳，但需要依托于大型笨重的推车，这也限制了其在棘手的环境中（狭小通道、沟渠、狭窄的空间等）的应用。 根据不锈钢的等级，碳当量要求在 0.005％ 至 1.2％ 之间。在某些不锈钢中，不允许碳含量过高，尤其是由于碳化物沉淀而可能威胁焊接性时。由于这些原因，碳含量的测定对于随时间推移全面验证等级和操作至关重要。 现在，我们成功推出新的工具可供专业人员进行物料检验。SciAps赛谱司手持式 LIBS 分析仪利用激光诱导击穿光谱技术（LIBS）在生产过程中对物料进行检验。SciAps赛谱司分析仪重量仅为 1.8 千克，专门用于提供方便、便携式碳含量检测方案。在许多情况下，无需使用笨重的光学发射光谱（OES）推车。SciAps赛谱司分析仪具有高效的激光和高纯度的氩气吹扫功能，可以确认或更新错误的 MTR 报告，与焊接操作时不兼容合金相关的风险，甚至可以区分相似等级的合金。 SciAps赛谱司 手持式 LIBS 分析仪可用于确定碳含量，满足制造行业的质量控制（QC）需求。它的手持式外形使用户能够在现场轻松地获得实验室质量级别的精密度和结果，保证物料检验顺利进行。这种先进设计的主要优势在于其卓越的准确性、 可重复性和长期性，使 SciAps赛谱司 分析仪成为不锈钢物料检验中必不可少的工具。

背景介绍S30432不锈钢是在ASTM S213 TP304H钢管的基础上，添加了一定量的Cu、Nb、N元素，开发的一种新型的18-8型奥氏体不锈钢，同时由于降低了Mo、V等贵金属元素，制造成本大幅降低。该钢种因为具有较好的高温强度和高温抗氧化性能，被广泛用于锅炉高温过热器和再热器部件上（工作温度600~650℃）。添加的Cu、Nb、N等元素，在固溶时完全溶解，失效过程中不断在晶内析出。由于 Nb 与C(N)的亲和力大于Cr 与C(N)的亲和力，因此Nb会优先与C(N)反应生成NbC(N)，细小的NbC(N)颗粒尺寸较为稳定，可以起到弥散强化和沉淀强化的作用，并固定基体中的游离C(N)。同时弥散分布的几纳米ε-Cu 相具有沉淀强化作用，同时因为其为面心立方结构，与奥氏体基体共格，可以显著提高合金的组织稳定性和高温性能[1]。但是在实际生产中，因为加工工艺的原因，NbC(N)会存在非常细小弥散分布的，也会有尺寸较大的（微米级）的一次析出相，其存在不但减少了基体中的固溶强化元素，且为M23C6 的析出提供了界面，降低了合金元素的强化效果，其尺寸和数量均应该严格控制[2]。由于NbC(N)数量较多，人工完成工程量非常大，因此采用欧波同自主研发的OTS夹杂物分析系统可以自动统计出所有夹杂物的成分信息、尺寸形状信息和分布情况等。本文采用1种S30432奥氏体不锈钢，其工艺路线：电炉+AOD+LF+VD+模铸+锻造处理，其化学成分元素符合如下所示的标准成分：表1-1 S30432 奥氏体不锈钢标准成分实验采用蔡司EVO15+EDS+OTS软件，如图1所示。实验原理为：蔡司背散射电子探头获取成分衬度图像，通过设定一定的灰度阈值，将夹杂物从基体中删选出来，再通过能谱对所选颗粒进行成分分析，经过OTS软件自带标准库的分类及处理，可以得到扫描区域所选夹杂物和析出相的所有成分、颗粒分布及形状信息，如表1-1、1-2、图2所示。扫描完成后也可以对感兴趣的颗粒重新定位进行能谱的精确再分析。图1 蔡司EVO 设备及OTS软件表1-2 OTS采集区域的详细信息表1-3夹杂物分类情况图2 夹杂物分布图通过结果分析可以看出，采集夹杂物最小尺寸为1μm，在保证每个点至少有60000个计数的基础上，该区域共831个颗粒，扫描时间只需要25min，保证准确率的基础上效率非常高。通过OTS自带的标准库自动将夹杂物进行分类，结果显示大部分的析出相为NbC（N），平均尺寸大约为3微米，分布不是非常均匀，有的区域分布有一定的方向性，呈条状分布，因此为了提高强度和塑性，还需要进一步改善工艺，降低微米级NbC（N）的含量，同时使其更均匀的分布。参考文献：【1】SEN I, AMANKWAH E, KUMAR N S, et al.Microstructure and mechanical properties of annealed SUS304H austenitic stainless steel with copper[J].Materials Science and Engineering: A, 2011, 528(13/14):4491-4499.【2】王苗苗, 朱毕焱. 不同状态下S30432 钢析出相的分析[J]. 动力工程学报, 2010, 30(4): 281-283.