核電站設(shè)備用主要金屬材料落錘試驗(yàn)中焊接材料及焊接工藝的確定

陳增芳 郭 平 汪 垠

(1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100080;2.中核能源科技有限公司，北京 100193)

核電站主要設(shè)備，例如核島部分的壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器和主管道等主要承壓設(shè)備的殼體部分，是由核級(jí)鍛件或鋼板組焊而成，在使用中要承受高溫高壓。因此，對(duì)鍛件和鋼板的拉伸、沖擊和彎曲等力學(xué)性能要求都很高，另外，一般還要進(jìn)行無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度TNDT(nil ductility transition temperature)的測(cè)試，即要進(jìn)行落錘試驗(yàn)。落錘試驗(yàn)通常采用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有:GB/T6803、ASTM E208、RCC-M MC1320。其中，RCC-M MC1320 試驗(yàn)方法是引用的ASTM E208，區(qū)別只是焊道焊接時(shí)要從兩邊向中間進(jìn)行焊接。這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雖然分別由三個(gè)國(guó)家所制定，但在試驗(yàn)步驟和方法上基本相同。

無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試的主要目的是確定材料發(fā)生無(wú)塑性，即脆性斷裂的最高溫度。該溫度是確定核電站設(shè)備的低溫使用工況、水壓試驗(yàn)溫度的重要依據(jù)。

在核電站設(shè)備主要鍛件和鋼板的采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書中，設(shè)計(jì)方一般都規(guī)定了落錘試驗(yàn)所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和具體考核指標(biāo)要求。根據(jù)設(shè)計(jì)所依據(jù)的規(guī)范，一般都是選擇以上三種標(biāo)準(zhǔn)中的一種或兩種。

對(duì)于鍛件和鋼板的參考無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度一般規(guī)定是不大于-15℃(國(guó)標(biāo)或ASME)或-12℃(RCC-M)。對(duì)于試驗(yàn)不能滿足技術(shù)要求的材料，技術(shù)規(guī)格書一般規(guī)定只能重新進(jìn)行熱處理，這和拉伸、沖擊試驗(yàn)不合格允許加倍復(fù)試是不一樣的。

為了使設(shè)備滿足技術(shù)要求，除了制造廠制訂并嚴(yán)格執(zhí)行合理的工藝外，在按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的試驗(yàn)中還有一些特殊規(guī)定需要注意采用，這樣能更好的提高試驗(yàn)成功率。

1 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于焊道焊接焊材和工藝的規(guī)定

試驗(yàn)的試樣主要有P1、P2 和P3 三種型式。設(shè)計(jì)方一般根據(jù)材料的厚度等因素選擇相應(yīng)的試樣類型。核電站設(shè)備一般選擇P3 型試樣。

試驗(yàn)的關(guān)鍵是在試樣上堆焊一條具有一定長(zhǎng)度、寬度和厚度的單道焊道，然后在焊道上開(kāi)一條長(zhǎng)度小于1.5 mm 的引導(dǎo)槽，它的主要作用是在試驗(yàn)時(shí)在試樣上形成一個(gè)小的物理斷裂缺陷。選用合適的堆焊材料，采用正確的堆焊工藝方法是確保落錘試驗(yàn)時(shí)脆性焊道缺口底部開(kāi)裂，使試驗(yàn)成功的關(guān)鍵步驟。

1.1 ASTM E208 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊材和焊接工藝的要求

ASTM E208 標(biāo)準(zhǔn)7.7 條中對(duì)于堆焊焊條的選擇在注釋3 里推薦了4 個(gè)廠家的焊條，其中，3個(gè)廠家有焊條直徑說(shuō)明，分別是3/16 in、?4 mm和?5 mm，1 個(gè)廠家的焊條未說(shuō)明焊條直徑。并且在注釋3 里規(guī)定對(duì)于落錘試驗(yàn)用的每批焊條應(yīng)按照7.10 條的要求進(jìn)行適用性檢驗(yàn)［1］。

對(duì)于焊接規(guī)范在7.7 條里規(guī)定:已經(jīng)證實(shí)，電流在(180～200)A、中等電弧長(zhǎng)度和焊接速度能焊成余高中等的焊道是最合適的焊接規(guī)范。

7.10條里還規(guī)定了其他裂紋源焊縫用材料。本條明確規(guī)定，如果其他焊接材料也能在相對(duì)較高的試驗(yàn)溫度下成功地產(chǎn)生劈裂裂紋，也可以考慮用作裂紋源焊道。但是，對(duì)于這類裂紋源焊接材料，要按照7.10.1、7.10.2 和7.10.3 條的要求進(jìn)行試驗(yàn)，只有達(dá)到這幾條的規(guī)定后，才可以用作裂紋源焊道用材料。這3 條里主要規(guī)定了以下試驗(yàn)內(nèi)容:7.10.1 中規(guī)定，加工3 個(gè)P2 型試樣，分別在100℉(55℃)或在高于材料NDT 溫度下進(jìn)行三次落錘試驗(yàn)。7.10.2 中規(guī)定，如果三次試驗(yàn)都證明焊縫缺口經(jīng)常是在試樣受拉側(cè)表面的彎曲變形量達(dá)到適當(dāng)?shù)嫩@座擋塊所允許的最大變形量時(shí)開(kāi)裂，則應(yīng)批準(zhǔn)采用為其他裂紋源焊縫。7.10.3中規(guī)定，7.7 條范圍以外的焊接工藝和裂紋源焊道尺寸，如果能在相對(duì)較高的試驗(yàn)溫度下，當(dāng)試樣表面的纖維達(dá)到或接近屈服時(shí)刻產(chǎn)生劈裂裂紋，就應(yīng)認(rèn)為可作為裂紋源。并且，還要按7.10.1進(jìn)行三次試驗(yàn)，并能取得7.10.2 規(guī)定的試驗(yàn)結(jié)果，則可以用作P1、P2 和P3 型試樣的裂紋源焊道。

1.2 GB/T6803 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊材和焊接工藝的要求

GB/T6803 標(biāo)準(zhǔn)［2］中對(duì)焊材和焊接工藝是在5.4 條和5.5 條里具體規(guī)定的。5.4 條主要規(guī)定了裂紋源焊道焊材應(yīng)采用GB/T984 堆焊焊條標(biāo)準(zhǔn)中的焊條。直徑為?4 mm～?5 mm，焊接電流為180 A～200 A，中等電弧長(zhǎng)度，焊接速度能夠保證得到合適高度的焊道高度。5.5 條里規(guī)定了其他裂紋源焊道。對(duì)于其他焊接材料用于堆焊裂紋源焊道，需要將3 個(gè)P2 型試樣在高于材料NDT溫度55℃或以上溫度下按本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。三次試驗(yàn)的堆焊缺口都開(kāi)裂，則認(rèn)為該焊條可以用于裂紋源焊道的焊接。

1.3 ASTM E208 標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 6803 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊材和焊接工藝要求的對(duì)比

對(duì)比這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以發(fā)現(xiàn)，ASTM E208 標(biāo)準(zhǔn)和GB/T6803 標(biāo)準(zhǔn)在對(duì)其他堆焊裂紋源焊道的焊材選用方法是基本相同的，都是要求用3 個(gè)P2 型試樣在規(guī)定溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，如果缺口都開(kāi)裂，則可以選用該焊接材料。而在焊接工藝方面，ASTM E208 標(biāo)準(zhǔn)和GB/T6803 標(biāo)準(zhǔn)是不同的。ASTM E208 標(biāo)準(zhǔn)在7.10.3 條里明確規(guī)定可以采用其他焊接工藝，只要滿足3 個(gè)P2 型試樣在規(guī)定溫度下試驗(yàn)缺口都能開(kāi)裂的條件，則該工藝就可以采用。而GB/T6803 標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有對(duì)焊接工藝方面的規(guī)定。

2 實(shí)際試驗(yàn)中焊材和工藝的選取

史巨元在《鋼的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及應(yīng)用》一書中對(duì)鋼鐵材料的TNDT影響因素分析中指出，材料的晶粒尺寸和顯微組織的變化對(duì)鋼的TNDT有很大影響，而焊接熱影響區(qū)對(duì)晶粒尺寸和顯微組織有較大影響。此外，該書中還分析指出堆焊焊條的影響，由于焊條原因而使結(jié)果出現(xiàn)相差20℃的情況［3］。郭平、史鼎文等在《高溫氣冷堆核電站金屬堆內(nèi)構(gòu)件鍛件材料12Cr2Mo1 落錘試驗(yàn)研究》一文中對(duì)焊接熱影響區(qū)對(duì)落錘試驗(yàn)的影響有較深入的研究，文中指出堆焊焊道時(shí)焊接熱影響區(qū)對(duì)落錘試驗(yàn)的溫度有重要影響［4］。

在進(jìn)行核電設(shè)備的落錘試驗(yàn)中，試樣的焊道如果采用?4 mm 的焊條進(jìn)行焊接，按照焊接試驗(yàn)和焊接工藝，采用(160～170)A 的焊接電流是最適宜的，焊接電流小，熱輸入少，相應(yīng)的熱影響區(qū)面積也小。如果采用(180～200)A 的焊接電流，熱輸入量大，相應(yīng)的熱影響區(qū)也大。如果采用?5 mm 焊條、(180～200)A 的焊接電流，焊接熱影響區(qū)也很大。制造廠對(duì)?4 mm 的焊條和?5 mm 的焊條分別采用在165 A 和190 A 的焊接電流下施焊，然后進(jìn)行落錘試驗(yàn)，二者的結(jié)果相差5～10℃。

如果采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書規(guī)定采用GB/T6803 標(biāo)準(zhǔn)，則只能用?4 mm、?5 mm 的焊條，在不低于180 A 的焊接電流下施焊，但其試驗(yàn)結(jié)果有時(shí)不能滿足要求。

對(duì)于采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書規(guī)定采用ASTM E208標(biāo)準(zhǔn)，制造廠可以先進(jìn)行焊接工藝的試驗(yàn)，例如采用?4 mm 焊條，在(160～170)A 焊接電流下進(jìn)行焊道焊接，然后再進(jìn)行3 個(gè)P2 型試樣在規(guī)定溫度的落錘試驗(yàn)，若滿足開(kāi)裂的要求，就可以固化該工藝，將其作為落錘試驗(yàn)焊道焊接的專用工藝。

國(guó)內(nèi)某些核電站設(shè)備制造廠通過(guò)執(zhí)行ASTM E208 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的其他裂紋源焊道焊接工藝，已取得了比較滿意的結(jié)果，也得到了設(shè)計(jì)方和業(yè)主的認(rèn)可。

3 實(shí)際試驗(yàn)中的注意事項(xiàng)

第一，首先明確采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書中規(guī)定的落錘試驗(yàn)所采用的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)锳STM E208 標(biāo)準(zhǔn)和GB/T6803 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其他裂紋源焊道的焊接工藝規(guī)定不同，所以在實(shí)際執(zhí)行中應(yīng)該注意區(qū)分。

第二，如果采用其他裂紋源焊道焊接工藝時(shí)，一定要注意是否進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)，該試驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果是否形成了書面文件，并且該文件是否經(jīng)過(guò)了具備相應(yīng)職責(zé)權(quán)限的人員的審批，必要時(shí)可以報(bào)采購(gòu)方或設(shè)計(jì)方進(jìn)行備案或?qū)彶檎J(rèn)可。

作為制造廠，在進(jìn)行落錘試驗(yàn)時(shí)，也應(yīng)該注意以上兩點(diǎn)意見(jiàn)。只有這樣，才能算是既滿足了技術(shù)規(guī)格書的要求，又滿足了程序的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)GB/T6803、ASTM E208 和RCC-M MC1320 標(biāo)準(zhǔn)中焊接材料和焊接工藝及其他裂紋源焊道的規(guī)定進(jìn)行對(duì)比，指出了它們之間存在的不同。在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，制造廠應(yīng)合理利用標(biāo)準(zhǔn)，采用正確的、合適的焊接材料和焊接工藝進(jìn)行落錘試驗(yàn)，得到既滿足技術(shù)要求又符合程序要求的試驗(yàn)結(jié)果。

［1］美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，ASTM E 208—95a(R2000)，用導(dǎo)向落錘試驗(yàn)測(cè)定鐵素體鋼無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法.中國(guó)兵器工業(yè)企業(yè)管理協(xié)會(huì)北京北方資訊服務(wù)中心，2001 年8月.

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，GB/T6803—2008，鐵素體鋼的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗(yàn)方法.

［3］史巨元.鋼的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及應(yīng)用.冶金工業(yè)出版社，1993.12.

［4］郭平，史鼎文，靳海山，李向.高溫氣冷堆核電站金屬堆內(nèi)構(gòu)件鍛件材料12Cr2Mo1 落錘試驗(yàn)研究.大型鑄鍛件，2011，3.