核電站控氮不銹鋼Z2CN19-10焊接技術(shù)

陳 磊，陳龍鶴，郭偉杰

（上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠，上海 200090）

1 概 述

核電設(shè)備的工況復(fù)雜，長(zhǎng)期處于高溫高壓、中子輻照、流體沖刷等惡劣的環(huán)境中，故對(duì)其構(gòu)成材料性能提出了較高而又全面的要求。控氮不銹鋼Z2CN19-10是隨著核電發(fā)展而新研制的鋼種，其研發(fā)的驅(qū)動(dòng)力是為解決304不銹鋼在沸水核反應(yīng)堆運(yùn)行中出現(xiàn)晶間應(yīng)力腐蝕破裂事故，此外，也能為壓水核反應(yīng)堆提供更好的材料，提高反應(yīng)堆安全運(yùn)行的可靠性。控氮不銹鋼Z2CN19-10屬于超低碳奧氏體不銹鋼，并含有一定量的氮元素，其特點(diǎn)是含碳量非常低，從而具有優(yōu)良的抗晶間腐蝕能力，但較低的碳含量也制約著材料的強(qiáng)度，而在其中添加一定量的氮元素，通過(guò)氮元素的固溶強(qiáng)化作用，可以提高超低碳奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度［1］。因此，控氮不銹鋼Z2CN19-10不僅具有超低碳奧氏體不銹鋼優(yōu)良的抗晶間腐蝕能力，同時(shí)還具有較高的強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于核電站堆內(nèi)構(gòu)件、主管道、安注箱等重要設(shè)備中。

我公司承接制造的EPR安注箱和反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱均為核電設(shè)備，該類設(shè)備主體材料采用了控氮不銹鋼Z2CN19-10，其焊接工藝和焊接質(zhì)量是保證設(shè)備整體質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因此，研究該類材料的焊接技術(shù)，并為設(shè)備制造提供技術(shù)支持具有重要意義。

2 控氮不銹鋼的焊接特點(diǎn)

控氮不銹鋼Z2CN19-10屬于奧氏體不銹鋼，具有奧氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn)。奧氏體不銹鋼無(wú)固態(tài)相變，在高溫和室溫下均為奧氏體組織，無(wú)淬硬傾向，對(duì)氫也不敏感，焊接接頭具有良好的綜合力學(xué)性能，與其他類型不銹鋼相比具有良好的焊接性，但當(dāng)焊接工藝參數(shù)的選用不合理時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱裂紋、晶間腐蝕、σ相脆化等缺陷［2，3］。

2.1 熱裂紋

由于奧氏體焊縫本身的特點(diǎn)，即組織為方向性很強(qiáng)的柱狀晶，有利于有害雜質(zhì)的偏析，當(dāng)焊縫中有害雜質(zhì)含量較高時(shí)，就易在奧氏體柱狀晶之間形成低熔點(diǎn)共晶。此外，奧氏體不銹鋼具有低熱導(dǎo)率，僅為碳鋼的1／3，而線膨脹系數(shù)比碳鋼高約50%。低熱導(dǎo)率、高線膨脹系數(shù)的特點(diǎn)，決定了奧氏體不銹鋼焊縫在凝固過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的收縮拉應(yīng)力。因此，在較大的收縮拉應(yīng)力和低熔點(diǎn)共晶的共同作用下，被低熔點(diǎn)共晶分割的晶界就會(huì)被拉開(kāi)而形成焊接熱裂紋。

2.2 晶間腐蝕

奧氏體不銹鋼在450～850℃的敏化溫度區(qū)間停留一定時(shí)間后，過(guò)飽和的碳向奧氏體晶界擴(kuò)散，并與晶界的鉻化合形成碳化鉻（Cr23C6）。由于鉻在奧氏體中擴(kuò)散速度小于碳的擴(kuò)散速度，使晶界的鉻得不到及時(shí)補(bǔ)充，造成奧氏體晶界貧鉻。當(dāng)晶界的含Cr量低于12%時(shí)，就失去了抗腐蝕能力，在腐蝕介質(zhì)作用下，即產(chǎn)生晶間腐蝕。在應(yīng)力作用下，受到晶間腐蝕的不銹鋼，即會(huì)沿晶界斷裂，幾乎完全喪失強(qiáng)度。

2.3 σ相脆化

如果奧氏體不銹鋼焊縫在650～850℃溫度區(qū)間停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，有可能析出一種脆硬的金屬間化合物σ相，主要存在于柱狀晶的晶界。當(dāng)焊縫中δ鐵素體含量超過(guò)12%時(shí)，δ向σ的轉(zhuǎn)變非常顯著，造成焊縫金屬的明顯脆化，從而降低焊縫的塑性、韌性和抗晶間腐蝕性能。

2.4 防止熱裂紋、晶間腐蝕和σ相脆化的措施

（1）選用優(yōu)質(zhì)的母材和焊材，嚴(yán)格控制易形成低熔點(diǎn)共晶的S、P等雜質(zhì)含量，從而降低熱裂紋傾向。

（2）δ鐵素體對(duì)S、P等元素溶解度較大，能防止這些元素的偏析和形成低熔點(diǎn)共晶，從而阻止熱裂紋產(chǎn)生。另外δ鐵素體可以有效切斷奧氏體的柱狀晶，細(xì)化晶粒，隔斷奧氏體晶界連續(xù)網(wǎng)狀碳化鉻（Cr23C6）析出，從而防止晶間腐蝕。因此選用含適量δ鐵素體促進(jìn)元素（Cr、Mo、Si等）的焊材，使焊縫產(chǎn)生奧氏體＋δ鐵素體雙相組織，δ鐵素體含量占4%～12%，能有效防止熱裂紋和晶間腐蝕傾向。

（3）選用低含碳量的焊材，降低焊縫中碳與鉻形成碳化鉻（Cr23C6）的機(jī)率，從而降低晶間腐蝕傾向。

（4）采用小焊接熱輸入，小電流，快速焊，加快焊接區(qū)的冷卻速度，縮短焊接接頭在高溫區(qū)停留的時(shí)間，避免在450～850℃區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間停留及此區(qū)間溫度的焊后熱處理，可以有效降低晶間腐蝕和σ相脆化傾向。

3 焊接工藝試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)覆?/h3>

試驗(yàn)?zāi)覆臑榭氐讳P鋼Z2CN19-10，為了對(duì)焊條電弧焊和埋弧焊的焊接工藝進(jìn)行較全面的試驗(yàn)研究，共準(zhǔn)備20mm和50mm兩種厚度的母材，將焊接20mm焊條電弧焊試板、20mm埋弧焊試板、50 mm焊條電弧焊試板、50mm埋弧焊試板，共4副試板。

表1 母材化學(xué)成分 （%）

母材的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2，表1和表2中分別列出按標(biāo)準(zhǔn)RCC－M要求的標(biāo)準(zhǔn)值和母材的實(shí)際值。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)值可知，母材的各化學(xué)元素含量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，兩種厚度母材的力學(xué)性能均明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 母材力學(xué)性能

3.2 焊接材料

在選擇控氮不銹鋼的焊接材料時(shí)，既要保證焊縫金屬的力學(xué)性能不低于母材力學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)值，還要保證焊縫金屬具有良好的抗晶間腐蝕能力。根據(jù)這一原則以及RCC－M S2000相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，焊條電弧焊選用E308L－16作為焊接材料，埋弧焊選用HR308L焊絲配SJ601H焊劑作為焊接材料。

3.3 焊接工藝

在控氮不銹鋼焊接時(shí)，為了防止晶間腐蝕、熱裂紋等焊接缺陷的產(chǎn)生，工藝上，采用低線能量，即小電流、快速焊，并嚴(yán)格控制道間溫度。操作上，采用窄焊道、多焊道，并在焊接過(guò)程中嚴(yán)格進(jìn)行層間清理。焊接采用雙面焊，20mm試板坡口加工成V型，50mm試板坡口加工成X型，各試板坡口尺寸及焊接順序，見(jiàn)圖1所示，焊前對(duì)待焊坡口進(jìn)行滲透檢驗(yàn)，焊完第1、2層后，對(duì)試板進(jìn)行清根并進(jìn)行滲透檢驗(yàn)，檢驗(yàn)后繼續(xù)焊完第3層，焊后對(duì)焊縫進(jìn)行滲透檢驗(yàn)和射線檢驗(yàn)。

圖1 試板坡口尺寸及焊接順序

焊條電弧焊和埋弧焊的工藝參數(shù)見(jiàn)表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 無(wú)損檢測(cè)

焊接完畢后，對(duì)4副試板進(jìn)行外觀檢查，焊縫表面成形良好，無(wú)任何缺陷。分別按RCC－M S7714.1和RCC－M S7714.3對(duì)焊縫進(jìn)行滲透檢驗(yàn)和射線檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果均合格。

4.2 破壞性試驗(yàn)

無(wú)損檢驗(yàn)合格后，分別對(duì)4副試板進(jìn)行熔敷金屬化學(xué)成分分析，見(jiàn)表4所示。成分中的C、S、P含量均較低，符合優(yōu)質(zhì)焊材的要求。同表1中母材的化學(xué)含量成分比較，4副試板的熔敷金屬化學(xué)成分基本與母材化學(xué)成分一致。

表4 熔敷金屬化學(xué)成分 （%）

再對(duì)4副試板焊縫組織進(jìn)行金相分析，均為奧氏體＋δ鐵素體雙相組織。奧氏體不銹鋼焊縫中含有一定量δ鐵素體，可有效防止晶間腐蝕、熱裂紋等缺陷，RCC－M標(biāo)準(zhǔn)中要求奧氏體不銹鋼焊縫中δ鐵素體含量為5%～15%。通過(guò)計(jì)算并結(jié)合DELONG圖得出各試板焊縫中δ鐵素體含量，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5所示，可以看出各個(gè)試板焊縫中δ鐵素體含量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 δ鐵素體含量

根據(jù)RCC－M附錄SI600晶間腐蝕試驗(yàn)要求，對(duì)4副試板焊縫進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明，4副試板焊縫均無(wú)晶間腐蝕，具有良好的抗晶間腐蝕能力。

根據(jù)RCC－M標(biāo)準(zhǔn)列出了力學(xué)性能考核項(xiàng)目及合格要求，見(jiàn)表6所示。將考核接頭拉伸、彎曲、沖擊性能，焊縫金屬常溫和高溫拉伸性能，以及熱影響區(qū)沖擊性能，其中50mm試板要求從焊縫表面和根部分別取樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

按照表6要求，對(duì)4副試板分別進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表7～表10。從表7～表10中可見(jiàn)，控氮不銹鋼Z2CN19－10采用焊條電弧焊和埋弧焊，焊接接頭均具有良好的綜合力學(xué)性能，與表6中RCC－M要求的標(biāo)準(zhǔn)值比較，4副試板的力學(xué)性能均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值，完全滿足母材的力學(xué)性能要求。

表6 力學(xué)性能考核項(xiàng)目及合格要求

表7 20mm焊條電弧焊試板力學(xué)性能

表8 20mm埋弧焊試板力學(xué)性能

表9 50mm焊條電弧焊試板力學(xué)性能

表10 50mm埋弧焊試板力學(xué)性能

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)控氮不銹鋼Z2CN19－10焊接特點(diǎn)的分析，并進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，采用合理的焊接材料、坡口型式和焊接工藝參數(shù)，焊縫的成形良好，焊接接頭具有良好的綜合力學(xué)性能和抗晶間腐蝕能力，完全符合母材的性能要求?？氐讳P鋼Z2CN19－10焊條電弧焊和埋弧焊工藝的試驗(yàn)成功，為相關(guān)核電產(chǎn)品的焊接制造提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

［1］文燕，等.國(guó)產(chǎn)304NG控氮不銹鋼應(yīng)用性能研究［J］.核動(dòng)力工程，2007，5.

［2］陳煒.奧氏體不銹鋼焊接的缺陷分析及解決辦法［J］.山西焦煤科技，2003，6.

［3］徐文曉，徐文慧.奧氏體不銹鋼容器的焊接［J］.焊接技術(shù)，2006，10.