EPR安注箱的焊接技術(shù)

郭偉杰

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

0 概 述

EPR是歐洲核電壓水堆（European Pressure Water Reactor）的簡(jiǎn)稱，采用了世界上最具代表性的新一代核電技術(shù)，與AP1000核電技術(shù)共稱為第三代核電技術(shù)。臺(tái)山核電1號(hào)、2號(hào)機(jī)組是國(guó)內(nèi)首次采用EPR技術(shù)建造的核電機(jī)組，并且首次應(yīng)用RCC－M 2007版標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造，該標(biāo)準(zhǔn)中S篇（焊接）的改動(dòng)較大。因首次建造，所以無(wú)實(shí)際執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)。

安注箱為核二級(jí)設(shè)備，當(dāng)核電站一回路系統(tǒng)的管道或設(shè)備發(fā)生破損事故后，由安全注射系統(tǒng)向一回路注入高硼冷卻水，防止堆芯因失水而造成燒損。安注箱的外形及尺寸，如圖1所示。

1 安注箱的主體材料

EPR安注箱的主體材料采用Z2CN19－10（控氮）厚板不銹鋼，殼體厚度為82mm，考慮封頭壓制后的減薄量，封頭材料的厚度選為90mm。材料采購(gòu)時(shí)，需滿足RCC－M 2007版M3307的技術(shù)要求。我公司首次選用了控氮不銹鋼厚板，在焊接方面，與具有成熟制造經(jīng)驗(yàn)的Z2CN18－10材料相比具有一定的難度。Z2CN19－10（控氮）材料的主要性能和差異，如表1、表2所示。

圖1 EPR安注箱的外形尺寸

表1 Z2CN19－10（控氮）與Z2CN18－10的化學(xué)成分比較（%）

表2 Z2CN19－10（控氮）與Z2CN18－10的力學(xué)性能比較

與Z2CN18－10材料相比，Z2CN19－10（控氮）不銹鋼增加了氮的含量，Cr與Ni的含量比提高，也提高了δ鐵素體的含量。在保證抗腐蝕性能的同時(shí)，提高了材料的力學(xué)性能。

2 焊接材料

安注箱選用的TIG焊絲材料為ER308L，焊條為E308L－16。選用埋弧焊焊絲材料為HR308L、GWS－308LM，焊劑為SJ601H、GXS－300A等，分別按照RCC－M 2007版S2910、S2920、S2940等要求進(jìn)行采購(gòu)。所有焊材按RCC－M S5000的要求進(jìn)行焊接材料評(píng)定，按S2000的要求進(jìn)行驗(yàn)收。

3 焊接工藝評(píng)定

RCC－M 2007版中對(duì)焊接工藝評(píng)定有較大修改，改為以EN ISO15614－1為基礎(chǔ)，并在S篇中增加了補(bǔ)充要求。

3.1 殼體拼縫坡口及焊接參數(shù)

EPR安注箱的殼體厚度為82mm，殼體由4段筒身拼接而成。選用50mm厚度的控氮不銹鋼板作為焊接工藝評(píng)定試板，采用手工電弧焊和埋弧自動(dòng)焊各焊接一副試板，采用對(duì)稱坡口，試板的坡口形式，如圖2所示。

圖2 殼體拼縫焊接評(píng)定坡口

殼體試板的焊接參數(shù)，如表3所示。

表3 殼體試板的焊接參數(shù)

在試板焊接過(guò)程中，由于控氮不銹鋼在焊接時(shí)的變形較大，因此應(yīng)頻繁翻身以控制試板兩側(cè)的變形。尤其是第一側(cè)開始時(shí)的焊道，當(dāng)?shù)谝粋?cè)的焊接厚度已達(dá)到清根及反面焊接要求后，就應(yīng)及時(shí)翻身進(jìn)行清根，然后再進(jìn)行反面的焊接。

試板經(jīng)射線檢驗(yàn)合格后，需進(jìn)行理化性能檢驗(yàn)。試板接頭抗拉強(qiáng)度為630／635MPa（SMAW）、605／605MPa（SAW），沖擊試驗(yàn)及腐蝕試驗(yàn)等均合格，滿足了標(biāo)準(zhǔn)中的要求。

3.2 封頭拼縫的焊接工藝評(píng)定

臺(tái)山項(xiàng)目安注箱是首臺(tái)有封頭拼縫的EPR安注箱（芬蘭核電項(xiàng)目中安注箱的封頭厚度為67mm，且為整板壓制，沒有拼縫）。封頭的壁厚為82mm，考慮到壓制時(shí)封頭壁厚的減薄量，實(shí)際選取了厚度為90mm的板材，因封頭直徑和厚度均較大，超出了目前鋼廠板材的制造能力，所以該封頭的板材需拼接。大厚度的封頭壓制只能采用熱壓的方法，熱壓之后，還需對(duì)封頭進(jìn)行一次固熔處理，以恢復(fù)母材的抗腐蝕性能。

為評(píng)定封頭拼縫的焊接工藝，需對(duì)評(píng)定試板進(jìn)行模擬熱壓及固熔的2次熱處理。為更好地模擬封頭拼縫焊接時(shí)的狀態(tài)，選用了相同厚度的90mm控氮不銹鋼試板，采用焊條電弧焊及埋弧焊的焊接方法，各焊一副試板進(jìn)行工藝評(píng)定。選用焊接材料為E308L－16焊條，以及HR308L／SJ601H焊劑。評(píng)定試板均采用對(duì)稱坡口。試板的坡口形式，如圖3所示。

圖3 封頭拼縫焊接評(píng)定坡口

封頭拼縫的焊接參數(shù)與殼體拼縫的焊接參數(shù)相同，如見表3所示。焊接完成后，對(duì)試板進(jìn)行了模擬熱處理。熱處理的溫控曲線，如圖4所示。

圖4 熱處理的溫控曲線

對(duì)試板焊后熱處理后，進(jìn)行試樣的拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 封頭焊接試樣的拉伸試驗(yàn)

試樣經(jīng)拉伸檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)埋弧焊試板的拉伸強(qiáng)度不合格。

為了提高焊縫的力學(xué)性能，開展了一系列試驗(yàn)。從調(diào)整焊接參數(shù)、焊絲直徑、材料化學(xué)成分等進(jìn)行試驗(yàn)和分析對(duì)比，最終與某焊材公司合作研發(fā)了GWS－308LM／GXS－300A焊絲及焊劑，將焊縫金屬材料的拉伸強(qiáng)度提高至標(biāo)準(zhǔn)值以上。最終，仍采用直徑4mm的埋弧焊絲進(jìn)行焊接，焊接參數(shù)如表3所示。GWS－308LM與原HR308L焊絲及熔敷金屬的成分對(duì)比，如表5所示。

表5 HR308L／SJ601H與GWS－308LM／GXS－300A化學(xué)成分對(duì)比（驗(yàn)收值） （%）

3.3 角焊縫的焊接工藝評(píng)定

在評(píng)定角焊縫焊接工藝時(shí)，要求2個(gè)相焊部件的厚度都要在評(píng)定覆蓋范圍內(nèi)，對(duì)于材料厚度t（3～50mm）的焊接工藝評(píng)定，適用的母材覆蓋范圍為0.5 t～1.2 t，只有當(dāng)評(píng)定試板厚度≥50mm，才能不限厚度。上限只規(guī)定了1.2t的材料厚度，有些過(guò)于嚴(yán)格。如果沒有≥50mm的焊接工藝評(píng)定，則需要進(jìn)行多組不同厚度的焊接工藝評(píng)定，才能覆蓋制造時(shí)所需的板材厚度。

在殼體焊接工藝評(píng)定中，因進(jìn)行了試板厚度50mm電弧焊的焊接工藝評(píng)定，因此可覆蓋絕大部分角焊縫的焊接。

3.4 母材補(bǔ)焊的焊接工藝

在安注箱的制造過(guò)程中，因不銹鋼材料的硬度較低，在吊裝和運(yùn)輸過(guò)程中，母材表面可能會(huì)有碰傷或劃痕。這種表面缺陷的深度很小，比較適合用氬弧焊進(jìn)行補(bǔ)焊。因此，需增加氬弧焊表面補(bǔ)焊的焊接工藝評(píng)定。

評(píng)定試板采用厚度50mm的控氮不銹鋼板，在試板上加工一條具有一半厚度的凹槽，使用氬弧焊對(duì)凹槽進(jìn)行補(bǔ)焊，并對(duì)凹槽焊縫進(jìn)行全套理化性能試驗(yàn)。焊接凹槽的形式，如圖5所示。

圖5 母材補(bǔ)焊評(píng)定的焊接形式

4 EPR安注箱的焊接

4.1 封頭拼縫的焊接

封頭焊縫的焊接評(píng)定過(guò)程中，手工電弧焊采用對(duì)稱坡口，單面坡口深度接近45mm，在清根上非常困難，需要采用刨床機(jī)加工的方式。因此，為了便于埋弧焊評(píng)定及產(chǎn)品焊接，改變了坡口形式，使清根更易操作。封頭拼縫的焊接坡口形式，如圖6所示。

圖6 封頭拼縫的焊接坡口形式

封頭拼縫采用焊條電弧焊加埋弧焊的方法，選用E308L－16焊條，焊絲焊劑為GWS－308LM／GXS－300A。采用手工電弧焊在較深一側(cè)進(jìn)行打底焊接，焊至約10mm后，反面清根，然后在反面及正面，用埋弧焊交替焊接，直至焊妥。在施焊過(guò)程中，嚴(yán)格控制層間溫度不高于150℃。焊縫成型良好，變形較小。

由于產(chǎn)品封頭尺寸較大，因此在實(shí)際固熔熱處理時(shí)，冷卻速度相對(duì)評(píng)定試板較慢，因此入水時(shí)的溫度較高，焊縫性能高于評(píng)定試板焊縫的性能。

4.2 殼體縱環(huán)縫的焊接

筒體厚度為82mm，殼體縱、環(huán)縫坡口形式與封頭拼縫坡口形式相近似，較淺一側(cè)的坡口深度為20mm。同樣，采用手工電弧焊加埋弧焊的焊接方法，選用E308L－16焊條，焊絲為HR308L，焊劑為SJ601H。筒身縱、環(huán)縫所受的拘束力較大，因此焊縫不易變形。

4.3 下封頭與連接件環(huán)縫

下封頭與連接件的環(huán)縫坡口形式與封頭拼縫相同，由于是環(huán)向坡口，因此可放在焊接變位機(jī)上焊接。工件的坡口位置及焊接狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 下封頭與連接件環(huán)縫的焊接

4.4 吊耳及焊接座與筒身的焊接

吊耳、焊接座與筒身間采用對(duì)接焊縫的形式進(jìn)行焊接。由于筒體直徑很大，馬鞍形座各點(diǎn)相對(duì)尺寸的落差值也比較大。吊耳的直徑為400mm，最高與最低點(diǎn)的落差值約14mm。焊接座直徑為600 mm，最大馬鞍形的尺寸落差約33mm。因此，將焊縫坡口加工成平坡口形式，如圖8所示，仍采用焊條電弧焊加埋弧焊的焊接方法。選用E308L－16焊條，焊絲材料為HR308L，焊劑為SJ601H。手工電弧焊打底焊后，采用埋弧焊方法對(duì)拉平的部分進(jìn)行焊接，最后，再采用手工電弧焊對(duì)兩側(cè)不規(guī)則的部分進(jìn)行補(bǔ)焊。

圖8 吊耳及焊接座的焊接坡口

4.5 出口管座及人孔座的焊接

出口管座與下封頭的連接焊縫位置位于下封頭的曲面中心，因此對(duì)接焊縫為向心坡口，不存在馬鞍形落差。采用手工電弧焊加埋弧焊的方法。選用E308L－16焊條，焊絲為HR308L，焊劑為SJ601H。焊條電弧焊打底后，采用埋弧焊方法對(duì)內(nèi)外兩側(cè)交替進(jìn)行焊接。

人孔與筒身是對(duì)接焊縫，焊縫形式與吊耳、焊接座相似。人孔直徑為976mm，馬鞍形尺寸的最大落差達(dá)88mm，已超過(guò)筒身壁厚。因此，全部采用手工電弧焊進(jìn)行焊接。

終接環(huán)縫的內(nèi)側(cè)采用手工電弧焊，外側(cè)清根后，采用埋弧焊進(jìn)行焊接。選用E308L－16焊條，焊絲為HR308L，焊劑為SJ601H。

5 執(zhí)行RCC－M2007版標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)

RCC－M 2007版對(duì)焊接工藝的評(píng)定，有些不同的要求。

（1）不需要考慮坡口形式的影響。在2000版及2002補(bǔ)遺標(biāo)準(zhǔn)中，坡口形式變化后，如U型、V型，單面、雙面焊縫的坡口變化，都需要重新進(jìn)行焊接工藝的評(píng)定。新版本顯著減少了產(chǎn)品所需進(jìn)行焊接工藝評(píng)定的數(shù)量，減少了工藝評(píng)定的工作量。

（2）2007版明確提出了母材分類的概念，所有鋼材按照ISO 15608標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類和分組。某一組別母材評(píng)定合格，可以免去該組別其他母材的評(píng)定，也節(jié)省了很多工藝評(píng)定的工作量。

（3）2007版對(duì)焊接位置的替代關(guān)系也有修改。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，沖擊試驗(yàn)應(yīng)在最大熱輸入量的焊接位置（一般是PF）選取試樣，硬度試驗(yàn)應(yīng)在最小熱輸入量的焊接位置（一般是PC）選取試樣，評(píng)審合格后，可在熱輸入量允許范圍內(nèi)覆蓋所有焊接位置。

（4）對(duì)于斜接管類焊縫及管子插管焊縫，有了明確的規(guī)定。先前版本中，只是在管道類產(chǎn)品焊縫中有明確要求，容器中的這類焊縫無(wú)需特別對(duì)待。

按照新版標(biāo)準(zhǔn)，傾斜度超過(guò)30°的板插管焊縫，以及全焊透的管插管焊縫，都要在對(duì)接評(píng)定的基礎(chǔ)上，增加進(jìn)行模擬件的焊接。對(duì)于傾斜角度、管插管焊縫中主管與支管的直徑比值，都規(guī)定了覆蓋范圍。

（5）2007版對(duì)角焊縫覆蓋范圍的規(guī)定有待商榷。對(duì)于試件厚度在3～50mm之間的焊接工藝評(píng)定，適用于母材厚度范圍只有0.5t～1.2t，而且2個(gè)相焊部件的母材厚度都要在覆蓋范圍內(nèi)。為擴(kuò)大評(píng)定覆蓋范圍，只能進(jìn)行多個(gè)焊接工藝評(píng)定，或焊接50mm厚度以上的試板，這為工藝評(píng)定工作帶來(lái)了困難。

6 結(jié) 語(yǔ)

（1）Z2CN19－10（控氮）不銹鋼的焊接性能優(yōu)良，使用常規(guī)的低碳不銹鋼焊接材料及焊接參數(shù)，就可滿足焊縫的使用性能。對(duì)于要進(jìn)行熱壓及固熔處理的封頭焊縫，應(yīng)注意調(diào)整焊材的化學(xué)成分，保證焊縫的力學(xué)性能及耐腐蝕性能。

（2）大厚度控氮不銹鋼板的焊接變形較大，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)暮附悠驴诤秃侠淼暮附哟涡颉Ｌ貏e在最初的焊道焊接完成后，應(yīng)及時(shí)翻身焊接反面焊道，控制焊接中的變形量。

（3）RCC－M 2007版在焊接評(píng)定上，放寬了一些要求，有利于減少焊接評(píng)定的數(shù)量。對(duì)于非管道類產(chǎn)品中的接管類焊縫有了明確規(guī)定，但對(duì)角焊縫的相關(guān)規(guī)定是否合理值得商榷。