AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)奧氏體不銹鋼金屬焊接材料的選擇

摘 要：選擇適用于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)焊接材料是整個(gè)焊接工作中最重要的工作之一，技術(shù)人員通過化學(xué)成分優(yōu)化、力學(xué)性能匹配、及其附加試驗(yàn)要求等一系列工作，最終確定焊接材料ER308L、ER309L、ER316L選用要求，以保障選擇的焊接材料使用在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)管道焊接工作中的可靠性、安全性，確保核電站反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的安全有效地運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）；焊接材料；化學(xué)成分；力學(xué)性能

引言

在AP1000核電堆型中，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）是核電站中最為關(guān)鍵的管道系統(tǒng)，設(shè)計(jì)方采用的管道材質(zhì)為ASME SA312 GR TP304L、ASME SA182 F TP304LN、ASME SA312 GR TP316LN金屬材料。按照ASME 第二卷C篇《焊條、焊絲及填充金屬》（1998+2000a）及依托化項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)規(guī)格書要求，并針對(duì)核電站管道系統(tǒng)的特殊性，確定焊接材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、鐵素體含量，不銹鋼敏化試驗(yàn)要求。

1 焊接材料選擇

1.1 焊接材料化學(xué)成分選擇

奧氏體不銹鋼焊接材料應(yīng)在ASME第二卷焊接金屬分析A-8中308、308L、309、316和316L類型選擇，低碳奧氏體不銹鋼金屬需選擇低碳級(jí)別的不銹鋼填充金屬308L、316L。與反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng) （RCS）相關(guān)的低碳奧氏體不銹鋼管道安裝和焊縫修補(bǔ)的焊接材料應(yīng)滿足ASME第III卷NB分卷要求，按照設(shè)計(jì)要求選擇適用于GTAW的焊絲 ER308L、ER316L。

適用焊接材料在ASME第二卷中化學(xué)成分的基礎(chǔ)上按照ASME第III卷NB分卷NB-2432.2要求相應(yīng)的增加Cb+Ta、V、Ti、Co五種化學(xué)元素，化學(xué)成分含量的控制以316L要求的化學(xué)成分為基準(zhǔn)。Cb+Ta、V、Ti、均為有益元素，適當(dāng)?shù)奶砑涌杉?xì)化組織晶粒，提高強(qiáng)度、韌性、淬透性、可防止晶間腐蝕現(xiàn)象[1]；考慮到反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）有直接受反應(yīng)堆輻照的焊縫，所以必須將Co元素應(yīng)該被嚴(yán)格控制一定范圍，與反應(yīng)堆冷卻水接觸的焊接填充金屬最大Co含量應(yīng)為0.20%或更少。焊縫修補(bǔ)，如果與反應(yīng)堆冷卻水接觸的焊縫表面區(qū)域比較大時(shí)，焊接材料的最大Co含量應(yīng)為0.10%或更小。類似的要求在法國(guó)RCCM標(biāo)準(zhǔn)S-2511中也有相關(guān)描述。同時(shí)還要求控制S元素的含量至0.010以下，目前低硫填充金屬材料已經(jīng)證明能緩硫致焊接的熱裂紋或微裂紋問題。

AP1000核電堆型反應(yīng)堆冷卻水劑系統(tǒng)管道焊接全部采用GTAW焊接工藝，選配的焊接材料化學(xué)成分與ASME標(biāo)準(zhǔn)第II卷中的參數(shù)對(duì)比情況，詳見表格1～2。

1.2 焊接材料力學(xué)性能選擇

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)管道焊接全部采用GTAW焊接工藝，對(duì)應(yīng)的ER308L、ER309L、ER316L在ASME標(biāo)準(zhǔn)第二卷C篇中僅規(guī)定了分類，力學(xué)性能是在附錄A中已推薦方式提供，為焊接材料和產(chǎn)品母材力學(xué)性能有效結(jié)合起來提供了依據(jù)。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)管道母材的抗拉強(qiáng)度540MPa，屈服強(qiáng)度275MPa，伸縮率 60%。根據(jù)等強(qiáng)匹配原則，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)焊接材料力學(xué)性能按照表格4中的參數(shù)制定為抗拉強(qiáng)度550MPa，屈服強(qiáng)度310MPa，伸縮率 30%。

力學(xué)性能參數(shù)對(duì)比詳見表格3～4。

1.3 鐵素體含量選擇

奧氏體不銹鋼焊縫金屬應(yīng)根據(jù)ASME第III卷，NX-2430進(jìn)行試驗(yàn)?！伴_始”的焊接材料的未稀釋的焊縫溶敷金屬必須含有至少5FN（鐵素體數(shù)）。與GTAW使用的焊接材料的δ鐵素體可以從填充金屬本身獲得（僅僅使用化學(xué)分析方法就可以）。對(duì)于有低鉬含量308L的焊材來講，允許的δ鐵素體范圍應(yīng)為5FN到20FN。對(duì)于有高鉬含量的焊材316/316L，允許的δ鐵素體范圍應(yīng)為5FN到16FN。詳見表格5。

1.4 敏化試驗(yàn)

所有涉及AP1000核電堆型反應(yīng)堆冷卻水劑系統(tǒng)奧氏體不銹鋼焊接的焊接材料必須符合USA核管會(huì)的RG1.44《敏化不銹鋼使用的控制》管理導(dǎo)則，所以要求焊材供應(yīng)商或者核電產(chǎn)品制造單位者證明在GTAW工藝下最大熱輸入量和最大碳含量符合RG1.44敏化不銹鋼使用的控制的相關(guān)要求。

2 焊接材料應(yīng)用結(jié)論

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)使用的焊接材料ER308L、ER316L在遵循以上化學(xué)成分、力學(xué)性能、鐵素體含量、敏化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過三門核電一期工程，海陽核電一期工程設(shè)備模塊產(chǎn)品（Q601）和反應(yīng)堆一體化頂蓋現(xiàn)場(chǎng)組裝移交（IHPFA）最終證明反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)奧氏體不銹鋼材質(zhì)的管道焊縫產(chǎn)品質(zhì)量符合ASME第三卷NB分卷和設(shè)計(jì)方相關(guān)技術(shù)規(guī)格書驗(yàn)收要求。本系統(tǒng)使用的焊接材料是在ASME 1998+2000a為執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和依托化項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)規(guī)格書的要求下選擇。因此，僅適用于AP1000核電堆型依托化項(xiàng)目。后續(xù)核電項(xiàng)目及CAP1400項(xiàng)目適用標(biāo)準(zhǔn)版本不同時(shí)，需要具有ASME認(rèn)證資質(zhì)的單位按照NCA-1140（e）的要求完成相關(guān)工作，并根據(jù)具體產(chǎn)品完成相關(guān)論證方可展開工作。

參考文獻(xiàn)

[1]于宗森.鋼的成分、殘留元素及性能的定量關(guān)系[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001：259-264.

[2]催忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：323-331.

作者簡(jiǎn)介：孫靈飛（1981-），山東核電設(shè)備制造有限公司技術(shù)中心焊接工程師，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在讀工程碩士，研究方向：核電焊接技術(shù)。