壓水堆核電站主管道焊縫理化性能分析

馬力川 李予衛(wèi) 張雯 謝靜

摘 要：壓水堆核電站主管道是低碳奧氏體不銹鋼大厚壁管道，在核電機(jī)組運(yùn)行期間，承載著高溫、高壓、高放射性的冷卻劑。目前，在國內(nèi)主管道的焊接過程中，主要存在兩種焊接工藝：鎢極氬弧焊+焊條電弧焊（TIG+SMAW）和窄間隙自動(dòng)焊（TOCE）。該文根據(jù)RCC-M焊接工藝評(píng)定和產(chǎn)品焊接見證件破壞性試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定，對(duì)比分析了上述兩種焊接工藝下焊縫的理化性能。通過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)窄間隙自動(dòng)焊焊縫的理化性能與鎢極氬弧焊+焊條電弧焊相比得到較大提升。

關(guān)鍵詞：主管道 焊縫 理化性能

中圖分類號(hào)：TG404 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（a）-00-02

2007年10月，國務(wù)院發(fā)改委發(fā)布的《國家核電中長期發(fā)展規(guī)劃》指出，到2020年，我國的核電運(yùn)行裝機(jī)容量應(yīng)爭取達(dá)到4000萬kW，在建核電容量應(yīng)保持在1800萬kW。時(shí)至今日，我國已開工建設(shè)的核電機(jī)組數(shù)量達(dá)到了27臺(tái)，在建機(jī)組數(shù)量居全世界第一。這意味著，我國核電建設(shè)工程已面臨大量的安裝任務(wù)。

目前，在我國核電建設(shè)過程中，主管道焊接主要采用以下兩種工藝：鎢極氬弧焊+焊條電弧焊（下簡稱TIG+SMAW）和窄間隙自動(dòng)焊（下簡稱TOCE）。TIG+SMAW具有設(shè)備簡單、價(jià)格便宜、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)；但隨著核電建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，主管道焊接工程量的不斷增加，TIG+SMAW焊接效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、對(duì)焊工技能要求高的缺點(diǎn)已突顯出來。

為適應(yīng)核電建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大這一趨勢，解決核電機(jī)組批量化建造過程中TIG+SMAW暴露出來的缺點(diǎn)，中廣核工程有限公司研發(fā)出了一套適用于CPR1000壓水堆核電站主管道焊接的TOCE技術(shù)，并在寧德核電1#機(jī)組采用該技術(shù)成功實(shí)施了國內(nèi)首次主管道自動(dòng)焊。比較兩種焊接工藝下焊縫的理化性能，有助于提高對(duì)主管道自動(dòng)焊工藝性能的認(rèn)識(shí)，有利于主管道自動(dòng)焊工藝的推廣。

1 主管道焊接工藝概述

TIG+SMAW是一種組合焊接工藝：在根部焊道焊接時(shí)，采用直流正接鎢極氬弧焊（TIG）進(jìn)行打底；進(jìn)入填充焊道后，采用焊條電弧焊（SMAW）進(jìn)行填充。在主管道根部焊道焊接時(shí)，由于坡口鈍邊很?。?.5±0.1 mm），采用TIG，可以確保鈍邊不被熔穿而產(chǎn)生缺陷。當(dāng)TIG打底至一定厚度后，便進(jìn)入填充焊道，此時(shí)采用SMAW，可以顯著提高生產(chǎn)效率。由于SMAW有藥皮保護(hù)，焊條一般較粗（Φ3.2 mm和Φ4.0 mm），因而焊縫坡口設(shè)計(jì)的比較寬大，熔敷金屬填充亦較多。

TOCE是一種在主管道焊接全程采用直流脈沖鎢極氬弧焊的焊接工藝。由于在焊接全程都有惰性氣體保護(hù)（氦氬混合氣體），能夠有效隔絕熔池周圍空氣，加之自動(dòng)焊焊絲本身不通過電流，避免了焊接過程中的飛濺產(chǎn)生，因此，采用該工藝焊接，可以得到優(yōu)質(zhì)的焊縫。焊機(jī)電源采用直流脈沖的供電方式，方便對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生的電弧穩(wěn)定且能量集中。所用焊絲省去了藥皮，一般較細(xì)（Φ0.8 mm和Φ1.0 mm），因而焊縫坡口設(shè)計(jì)的比較窄，熔敷金屬填充量大為下降。

2 主管道焊縫試驗(yàn)性能對(duì)比分析

焊接工藝是否可靠，焊縫質(zhì)量是否優(yōu)異，最終要靠試驗(yàn)做出評(píng)判。根據(jù)RCC-M S3300（奧氏體或奧氏體-鐵素體不銹鋼的對(duì)接焊工藝評(píng)定）的規(guī)定，破壞性試驗(yàn)應(yīng)包括力學(xué)性能試驗(yàn)、化學(xué)性能分析、δ鐵素體含量的測定、金相試驗(yàn)、熔敷金屬晶間腐蝕試驗(yàn)；同樣根據(jù)RCC-M S7800（產(chǎn)品焊縫的破壞性試驗(yàn)：產(chǎn)品焊接見證件）的規(guī)定，破壞性試驗(yàn)應(yīng)包括力學(xué)性能試驗(yàn)、化學(xué)性能分析、金相試驗(yàn)。通過分析對(duì)比TIG+SMAW和TOCE焊縫的理化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可對(duì)兩種焊接工藝的性能有更為直觀、清晰的認(rèn)識(shí)。

2.1 焊縫熔敷金屬化學(xué)成分分析

主管道焊縫熔敷金屬所含化學(xué)元素、成分多種多樣，主要包括了碳（C）、硫（S）、磷（P）、錳（Mn）、鎳（Ni）、鉻（Cr）、鐵素體等多種元素和成分。通過分析其中典型元素的含量，比較二者的異同，我們能夠分析出兩種焊接工藝下主管道焊縫的部分物理化學(xué)性質(zhì)。

（1）硫（S）元素。硫元素是熔敷金屬中的有害雜質(zhì)，與鐵化合成FeS，F(xiàn)eS又與Fe形成低熔點(diǎn)的共晶體，分布在奧氏體的晶界上。在焊接過程中，如果硫元素控制不當(dāng)，極易使焊縫強(qiáng)度降低，產(chǎn)生高溫裂紋。與TIG+SMAW相比，TOCE對(duì)硫元素有著更為嚴(yán)格的要求，不得高于0.015%；從試驗(yàn)結(jié)果來看，二者的硫含量相同，都為0.012%，可見二者的含硫量都比較低，說明TOCE與TIG+SMAW具備相當(dāng)?shù)目垢邷亓鸭y的能力。

（2）磷（P）元素。磷元素是熔敷金屬中的有害雜質(zhì)，易使熔敷金屬的偏析傾向加重，如果磷元素控制不當(dāng)，會(huì)在組織中析出脆性很大的化合物FeP，而使鋼的脆性增加，特別是在低溫時(shí)，極易產(chǎn)生裂紋。TIG+SMAW熔敷金屬的磷含量是0.014%，TOCE熔敷金屬的磷含量是0.015%，僅僅提高了十萬分之一，變化十分輕微，這一結(jié)果說明：TOCE與TIG+SMAW具備相當(dāng)?shù)目沟蜏亓鸭y的能力。

（3）錳（Mn）元素。熔敷金屬中存在適量的錳元素，可以提高焊縫的物理化學(xué)性能。錳與硫化合成MnS，能減輕硫的有害作用。錳能大量溶解于鐵素體當(dāng)中，使鐵素體強(qiáng)化，提高焊縫的硬度和強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，TOCE的錳含量較TIG+SMAW有所提高，且在含量允許的范圍內(nèi)，對(duì)于提高焊縫性能是十分有益的。

（4）鐵素體。熔敷金屬中鐵素體的存在，可以使焊縫具備較高的韌性。但焊縫中鐵素體含量過高，會(huì)使焊縫的強(qiáng)度下降，這對(duì)焊縫是不利的。因此，在焊縫中，鐵素體的含量一定要恰當(dāng)。對(duì)于主管道焊縫而言，12%的鐵素體含量可以使整個(gè)焊縫的性能達(dá)到最佳。TOCE熔敷金屬鐵素體的含量為11.7%，十分接近12%這一比例，可見焊縫同時(shí)具備了良好的韌性和強(qiáng)度。

綜上所述，TOCE的熔敷金屬在TIG+SMAW的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深度的優(yōu)化，并且精確控制了多種元素的含量，焊縫的強(qiáng)度、塑性、韌性得到均衡控制，整體性能較為優(yōu)異。

2.2 焊縫的強(qiáng)度分析

強(qiáng)度反映了材料抵抗變形和斷裂的能力，在力學(xué)性能試驗(yàn)中，我們最為關(guān)心的是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，它反映了材料從彈性到塑性的轉(zhuǎn)變。材料在拉伸斷裂前所能承受的最大拉應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，它反映了材料抵抗拉伸斷裂的能力。主管道焊縫的強(qiáng)度試驗(yàn)主要包括三項(xiàng)內(nèi)容：常溫拉伸試驗(yàn)、高溫拉伸試驗(yàn)、橫向菱形拉伸試驗(yàn)。

在常溫拉伸試驗(yàn)下（沿焊縫周向取樣），TIG+SMAW焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為500 MPa和675 MPa，TOCE焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為491.5 MPa和629.5 MPa。與TIG+SMAW相比，TOCE的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有所降低，這是因?yàn)楹笳吆缚p中的鐵素體含量明顯增加（提高2.2個(gè)百分點(diǎn)），焊縫的塑性和韌性得到加強(qiáng)，而在強(qiáng)度方面有所妥協(xié)。為了實(shí)現(xiàn)焊縫的強(qiáng)度、韌性、塑性的整體最優(yōu)，TOCE工藝在充分保證焊縫的安全和質(zhì)量的前提下，適當(dāng)降低了焊縫強(qiáng)度。以高溫拉伸試驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)是在350 ℃的情況下完成的，高于壓水堆工作期間冷卻劑的最高溫度327 ℃。此時(shí)TIG+SMAW焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為435 MPa和525 MPa，TOCE焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為384.5 MPa和462.5 MPa。與TIG+SMAW相比，TOCE的強(qiáng)度下降了50 MPa左右，但此時(shí)冷卻劑的工作壓力只有15.5 MPa，根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)原則：

S = ；

式中，S — 安全系數(shù)；

— 材料的屈服極限；

[] — 工作壓力15.5 MPa；

由此，我們可以計(jì)算出TIG+SMAW和TOCE的安全系數(shù)，分別為28和24.8，根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)原則，10以上的安全系數(shù)已經(jīng)能夠保證設(shè)備十分安全可靠的運(yùn)行，主管道焊縫的安全系數(shù)達(dá)到了20以上，所以是安全的。實(shí)際上，主管道焊縫用來連接管段和設(shè)備，橫向菱形拉伸試驗(yàn)正是用以驗(yàn)證這種連接的效果。從表4我們發(fā)現(xiàn)，在該項(xiàng)試驗(yàn)中，TOCE的抗拉強(qiáng)度為595 MPa，甚至還要高于TIG+SMAW的575.6 MPa，由此可見，TOCE焊縫的強(qiáng)度還是十分可靠的。

2.3 焊縫的塑性分析

材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。一般用伸長率δ和斷面收縮率ψ表示：

δ=×100%

ψ=×100%

式中，—試棒的原始標(biāo)記長度（mm）；

—試棒拉斷后的標(biāo)距長度（mm）；

—試棒原始截面面積（mm2）；

—試棒斷口處截面面積（mm2）；

主管道焊縫分別在常溫條件下和高溫條件下進(jìn)行了塑性試驗(yàn)，測試了伸長率和斷面收縮率，詳見下表。

由于熔敷金屬中鐵素體的含量大為增加，使得焊縫的塑性大為改善。在常溫條件下，TOCE焊縫的伸長率和斷面收縮率分別為37%和62.7%，數(shù)值較TIG+SMAW大為增加；在高溫條件下，TOCE焊縫的伸長率和斷面收縮率比TIG+SMAW高出1倍還多。焊縫塑性的增加，反映了焊縫在超載情況下抗斷裂能力的提高，這對(duì)于提高主管道焊縫的安全系數(shù)，防止事故狀態(tài)下冷卻劑泄漏（LOCA），具有極其重大的意義。綜上所述，與TIG+SMAW相比，TOCE焊縫的理化性能有極大提升，焊接工藝具備顯著的安全性和可靠性。

3 結(jié)語

隨著核電建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，主管道窄間隙自動(dòng)焊技術(shù)被逐漸推廣到各個(gè)核電建設(shè)現(xiàn)場。與焊條電弧焊相比，窄間隙自動(dòng)焊在焊接安全性和可靠性、焊縫理化性能、焊接經(jīng)濟(jì)性和全壽命性等方面具備顯著優(yōu)勢。正因?yàn)榇耍g隙自動(dòng)焊工藝正逐步取代傳統(tǒng)的焊條電弧焊工藝，成為核電建設(shè)中主管道焊接的“主力軍”。