反應(yīng)堆壓力容器堆焊層下母材減薄缺陷復(fù)合返修技術(shù)

陳 亮 ，王 鶴

（1.核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518172；2.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳518172；3.中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)大連加氫反應(yīng)器制造有限公司，遼寧 大連 116000）

0 前言

反應(yīng)堆壓力容器（Reactor Pressure Vessel，RPV）長(zhǎng)期在高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射的環(huán)境下運(yùn)行[1]，其容器本體母材為低合金鋼材料（RCC-M規(guī)范牌號(hào)為16MND5，ASME規(guī)范牌號(hào)為SA-508 Gr.3 Cl.1），服役過程中，容器內(nèi)壁與一回路腐蝕介質(zhì)接觸。工程實(shí)踐中，在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)壁堆焊不銹鋼材料（309L+308L）。

反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)壁完成不銹鋼堆焊后，堆焊層下可能出現(xiàn)超標(biāo)缺陷，需進(jìn)行焊接修復(fù)，對(duì)低合金鋼母材進(jìn)行部分打磨直至完全去除缺陷。若缺陷深度較大或打磨過程中控制不當(dāng)，容易造成低合金鋼母材大范圍減薄。在打磨區(qū)域尺寸滿足力學(xué)分析要求前提下，一般采用不銹鋼補(bǔ)焊至與缺陷周圍不銹鋼齊平。對(duì)于缺陷打磨區(qū)域不滿足力學(xué)分析的情況，進(jìn)行低合金鋼加不銹鋼復(fù)合補(bǔ)焊。

文獻(xiàn)[1-5]研究了壓力容器材料不銹鋼堆焊層補(bǔ)焊試驗(yàn)方法、焊接工藝參數(shù)和補(bǔ)焊區(qū)材料性能，文獻(xiàn)[6]分析了核電站反應(yīng)堆壓力容器接管口裂紋的根本原因，并研究了焊接修復(fù)方案及檢驗(yàn)方法。文獻(xiàn)[7]基于模擬輻照脆化材料，利用INCONEL 52焊材研究了反應(yīng)堆壓力容器的焊接修復(fù)。焊縫返修深度40 mm，其中不銹鋼堆焊層厚8～10 mm。文獻(xiàn)[8]基于數(shù)值模擬技術(shù)及試驗(yàn)分析，研究了A533 Gr.B Cl.2材料焊接修復(fù)殘余應(yīng)力。

關(guān)于反應(yīng)堆壓力容器低合金鋼母材加不銹鋼堆焊層復(fù)合修復(fù)方案及性能研究未見公開報(bào)道。在反應(yīng)堆壓力容器復(fù)合補(bǔ)焊過程中，涉及低合金鋼補(bǔ)焊及不銹鋼補(bǔ)焊，其工藝復(fù)雜，過程控制難度大，目前處置思路一般是報(bào)廢設(shè)備，重新投料進(jìn)行產(chǎn)品制造。

本研究針對(duì)反應(yīng)堆壓力容器低合金鋼母材加不銹鋼堆焊層復(fù)合補(bǔ)焊情況，完成了補(bǔ)焊方案設(shè)計(jì)及工藝實(shí)施及技術(shù)評(píng)價(jià)。

1 返修方案設(shè)計(jì)

1.1 返修坡口

針對(duì)大范圍低合金鋼母材減薄問題，考慮到缺陷范圍大，焊接填充量多，返修過程焊接應(yīng)力疊加效應(yīng)明顯，易誘發(fā)焊接質(zhì)量缺陷，且大厚度缺陷返修時(shí)，坡口設(shè)計(jì)不當(dāng)側(cè)壁易產(chǎn)生道間未熔合。在方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮焊接填充量與側(cè)壁熔合質(zhì)量，對(duì)焊縫坡口進(jìn)行整形處理，打磨區(qū)域沿容器內(nèi)壁周向?qū)ΨQ設(shè)計(jì)，坡口側(cè)壁與熔合線夾角小于等于50°。

1.2 返修焊道布置

復(fù)合補(bǔ)焊過程中，容易造成低合金鋼焊縫直接搭接至周邊不銹鋼堆焊層上，誘發(fā)焊接缺陷。針對(duì)異種金屬復(fù)合補(bǔ)焊邊緣焊道搭接控制問題，設(shè)計(jì)方案中開發(fā)出低合金鋼補(bǔ)焊焊道搭接控制技術(shù)，如圖1所示。低合金鋼補(bǔ)焊邊緣區(qū)域采用開凹槽設(shè)計(jì)，結(jié)合工藝實(shí)際，凹槽深度2 mm，寬度0.5～2焊道，有效避免了低合金鋼補(bǔ)焊層搭接至不銹鋼堆焊層上引發(fā)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 返修焊道設(shè)計(jì)Fig.1 Bead design of welding repair

1.3 焊接工藝控制要求

1.3.1 焊接方法

容器內(nèi)壁補(bǔ)焊時(shí)母材部位與不銹鋼堆焊層均采用焊條電弧焊方法。

1.3.2 焊材選擇及強(qiáng)度匹配要求

補(bǔ)焊過程中，低合金鋼焊材采用E9016-G類別號(hào)，不銹鋼為E309L及E308L類別號(hào)。

低合金鋼補(bǔ)焊焊縫與母材性能強(qiáng)度范圍如表1所示。

表1 焊縫與母材性能強(qiáng)度范圍Table 1 Strength range of weld metal and base material

1.3.3 焊接工藝評(píng)定要求

產(chǎn)品補(bǔ)焊修復(fù)前應(yīng)對(duì)焊接工藝進(jìn)行評(píng)定，合格后固化焊接參數(shù)用于產(chǎn)品焊縫修復(fù)?；诜敌藓傅涝O(shè)計(jì)要求（見圖1），采用16MND5低合金鋼試板完成低合金鋼試板不銹鋼堆焊、開槽（見圖2）及復(fù)合補(bǔ)焊工作。其中，試板開槽深度與產(chǎn)品低合金鋼減薄尺寸一致。

圖2 不銹鋼堆焊試板開槽實(shí)物Fig.2 Stainless steel surfacing test plate slotted photo

1.3.4 焊接過程控制要求

針對(duì)低合金鋼母材補(bǔ)焊區(qū)域與不銹鋼堆焊層補(bǔ)焊區(qū)域，對(duì)焊材規(guī)格選用、焊接電流、焊接電壓、焊接速度、預(yù)熱溫度及道間溫度范圍進(jìn)行限定，焊接參數(shù)要求如表2所示。

2 熔敷金屬性能評(píng)價(jià)

2.1 熔敷金屬破壞性檢驗(yàn)

2.1.1 化學(xué)分析

對(duì)堆焊層表面0.5～2 mm范圍內(nèi)熔敷金屬進(jìn)行取樣分析，并基于規(guī)范RCC-MS2000要求進(jìn)行驗(yàn)收，化學(xué)分析驗(yàn)收要求及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。結(jié)果表明，堆焊層化學(xué)成分滿足使用要求，雜質(zhì)元素P、S控制在較低水平。

表2 焊接參數(shù)要求Table 2 Welding parameter requirements

表3 堆焊層化學(xué)成分Table 3 Chemical composition analysis of surfacing layer %

2.1.2 金相分析

選取復(fù)合補(bǔ)焊試件典型區(qū)域進(jìn)行金相分析，宏觀金相顯示補(bǔ)焊區(qū)域無任何裂紋、未焊透，母材與熔敷金屬之間或各焊道之間熔合良好。

微觀金相檢驗(yàn)照片如圖3所示。金相結(jié)果顯示：補(bǔ)焊區(qū)域母材及熱影響區(qū)為典型的貝氏體組織，低合金鋼補(bǔ)焊層為鐵素體+珠光體組織，不銹鋼補(bǔ)焊區(qū)域?yàn)閵W氏體+鐵素體組織。低合金鋼補(bǔ)焊區(qū)域及熱影響區(qū)未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋或因淬火形成的異常組織。不銹鋼補(bǔ)焊區(qū)域未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋或影響接頭性能的沉淀物，滿足RCC-MSI400要求。

2.1.3 腐蝕性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證堆焊層耐腐蝕性能，在其表面取樣進(jìn)行腐蝕性能試驗(yàn)，取樣過程中，應(yīng)盡可能少地去除堆焊層表面金屬，腐蝕性能試樣長(zhǎng)度方向與堆焊方向平行。

熔敷金屬按照RCC-MMC 1310的要求進(jìn)行，敏化處理為B處理。

腐蝕后的試樣在進(jìn)行聲響試驗(yàn)時(shí)，試樣發(fā)出清脆的金屬聲。彎曲試驗(yàn)過程中，未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕引起的裂紋或開裂傾向。腐蝕性能試驗(yàn)結(jié)果滿足RCCMSI600要求。

2.1.4 彎曲試驗(yàn)

在補(bǔ)焊區(qū)域取樣進(jìn)行彎曲性能試驗(yàn)。結(jié)果顯示：試樣彎曲180°時(shí)，拉伸面上無任何明顯開裂，單個(gè)裂紋、氣孔和夾渣的長(zhǎng)度均小于等于1.5 mm，彎曲試驗(yàn)結(jié)果滿足RCC-MSI200要求。

2.1.5 硬度試驗(yàn)

為驗(yàn)證低合金鋼及不銹鋼補(bǔ)焊各區(qū)域硬度性能，選取典型區(qū)域進(jìn)行維氏硬度分布測(cè)定試驗(yàn)。其中，試驗(yàn)載荷98 N，測(cè)試區(qū)域包括母材、熱影響區(qū)、低合金鋼補(bǔ)焊層、309L補(bǔ)焊層以及308L補(bǔ)焊層。典型區(qū)域硬度分布測(cè)定如表4所示。

結(jié)合表2可知，母材維氏硬度分布范圍為195～203HV，熱影響區(qū)維氏硬度分布范圍為188～234HV，低合金鋼補(bǔ)焊層維氏硬度分布范圍為231～246 HV，均滿足規(guī)范要求。熱影響區(qū)維氏硬度數(shù)據(jù)較母材及低合金鋼補(bǔ)焊層有較大范圍波動(dòng)，該現(xiàn)象與熱影響區(qū)組織漸變效應(yīng)相關(guān)。熱影響區(qū)維氏硬度范圍結(jié)合圖3c中金相分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了該區(qū)域不存在因淬火形成的異常組織。

圖3 典型區(qū)域顯微組織照片（200×）Fig.3 Microstructure photo of typical area（200×）

表4 典型區(qū)域硬度分布測(cè)定Table 4 Determination of hardness distribution of typical areas HV

2.2 熔敷金屬無損檢驗(yàn)

對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域尤其是凹槽區(qū)域進(jìn)行100%超聲、液體滲透及目視檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

3 結(jié)論

本研究完成了反應(yīng)堆壓力容器堆焊層下大范圍母材減薄缺陷復(fù)合補(bǔ)焊設(shè)計(jì)，并基于低合金鋼試板完成了模擬補(bǔ)焊及分析，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)低合金鋼加不銹鋼復(fù)合補(bǔ)焊，坡口側(cè)壁與熔合線夾角不大于50°，補(bǔ)焊邊緣區(qū)域采用開凹槽設(shè)計(jì)，保證了補(bǔ)焊區(qū)域側(cè)壁及焊道搭接區(qū)域質(zhì)量。

（2）補(bǔ)焊區(qū)域的成分、金相、腐蝕、彎曲、硬度試驗(yàn)分析表明，采用手工焊條電弧焊方法，結(jié)合焊道布置及焊材性能匹配工作，可以得到滿足驗(yàn)收要求的低合金鋼加不銹鋼復(fù)合補(bǔ)焊層。

（3）對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域尤其是凹槽區(qū)域進(jìn)行無損檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，說明凹槽設(shè)計(jì)方案工藝的可行性良好，返修坡口設(shè)計(jì)、焊道布置及焊材選用滿足工藝實(shí)施要求。