核電雙相不銹鋼S32101焊接工藝研究

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(1.國電投山東電力工程咨詢院有限公司，上海 200233;2.國核工程有限公司，上海 200233;3.西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048;4.中核二三公司東方公司，浙江 海鹽 314300)

雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼相比，在強(qiáng)度、耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能有明顯提高，也是一類節(jié)鎳不銹鋼。

2006年由奧托昆普公司(Outkupmu)研究開發(fā)的S32101雙相不銹鋼是一種鐵素體—奧氏體型雙相不銹鋼，鐵素體含量范圍40%～50%。S32101雙相不銹鋼的棒材、卷板及中厚板已納入美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)牌號S32101，廣泛應(yīng)用在核電鋼結(jié)構(gòu)、儲罐、橋梁、建筑等領(lǐng)域。S32101雙相不銹鋼有強(qiáng)度高、韌性好、韌脆轉(zhuǎn)變溫度低、耐晶間腐蝕、焊接冷裂紋和熱裂紋的敏感性小等優(yōu)良的綜合性能。

AP1000核電站結(jié)構(gòu)模塊安全殼內(nèi)換料水貯存箱鋼制墻體模塊(CA03結(jié)構(gòu)模塊)、蒸發(fā)器和換料水池模塊(CA01結(jié)構(gòu)模塊)、輔助廠房區(qū)域5/6模塊(CA20結(jié)構(gòu)模塊)的母材是雙相不銹鋼A240 S32101。雙相不銹鋼結(jié)構(gòu)模塊在核電站事故工況下承受高溫高壓狀態(tài)的結(jié)構(gòu)荷載。

鋼結(jié)構(gòu)在核電施工現(xiàn)場常規(guī)的焊接方法是焊條電弧焊。焊條電弧焊熔敷金屬的性能和焊接線能量的關(guān)系密切相關(guān)，在小規(guī)范線能量的條件下，熔敷金屬性能優(yōu)異，缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生未焊透、夾渣等焊接缺陷，且生產(chǎn)效率低；大規(guī)范線能量的條件下，生產(chǎn)效率高，缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生圓形氣孔等焊接缺陷，且熔敷金屬化學(xué)成分易不均勻；合適的焊接線能量下，焊接熔敷金屬性能、生產(chǎn)效率、無損檢測性能的整體效果優(yōu)良。

1 試驗(yàn)用材料

1.1 母材

試驗(yàn)用母材是山西太鋼不銹鋼股份有限公司生產(chǎn)的S32101雙相不銹鋼，交貨狀態(tài)是固溶酸洗。S32101雙相不銹鋼的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。試驗(yàn)用的S32101雙相不銹鋼對接試板尺寸(長×寬×高)為500 mm×250 mm×25.4 mm。

表1 母材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 The chemical composition of the base metal(mass percentage/%)

表2 S32101雙相不銹鋼的力學(xué)性能Table 2 The mechanical property of the duplex stainlesssteel 32101

母材金相組織中奧氏體相是島狀分布的明亮相，沿著雙相不銹鋼的軋制方向以棒狀或條狀分布；灰色的基體組織是鐵素體相。白色的奧氏體相呈現(xiàn)方向性的拉長。采用定量金相法測定其中奧氏體含量是48%，余下是鐵素體相，呈現(xiàn)出典型的雙相不銹鋼組織。雙相不銹鋼組織特點(diǎn)是組織中鐵素體組織與奧氏體組織的比例接近1∶1[1]。

1.2 焊材

焊材選用與母材S32101相匹配的上海大西洋E2209-16焊條，規(guī)格φ3.2 mm，化學(xué)成分見表3，力學(xué)性能見表4。

表3 焊條的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表4 焊條的力學(xué)性能Table 4 The mechanical properties of the welding rod

2 焊接工藝

2.1 組對

圖1 焊接試板Fig.1 Welding plate

試板V型坡口采用機(jī)械加工方法，加工粗糙度Ra≤6.3 μm。待焊坡口表面及坡口鄰近兩側(cè)母材表面13mm范圍內(nèi)采用機(jī)械方法打磨至露出金屬光澤，去除氧化物、油、金屬屑等影響焊接質(zhì)量的異物或缺欠(見圖1)。組對采用點(diǎn)焊組對的方式，起弧端的組對間隙比收弧端的間隙略小，以降低焊接收縮帶來的影響。在焊接前，清理待焊區(qū)域，保證待焊部位清潔度。

2.2 焊接工藝參數(shù)

為評定合理的焊接工藝參數(shù)，選擇三種線能量執(zhí)行三組工藝試板焊條電弧焊(SMAW)[2]焊接。

(1)小規(guī)范焊接工藝參數(shù)(XU1)

焊接位置1 G。直流反接的焊接電流60～100 A；電弧電壓7～30 V；焊接速度5～20 cm/min；道間溫度不高于175 ℃。

(2)中等規(guī)范焊接工藝參數(shù)(XU2)

焊接位置1 G。直流反接的焊接電流70～130 A；電弧電壓17～30 V；焊接速度5～20 cm/min；道間溫度不高于100 ℃。

(3)大規(guī)范焊接工藝參數(shù)(XU3)

焊接位置1 G。直流反接的焊接電流80～180 A；電弧電壓18～30 V；焊接速度5～20 cm/min；道間溫度200～320 ℃。

3 焊接接頭性能分析

3.1 宏觀金相

焊接接頭采用電解腐蝕法，電解腐蝕液是KOH溶液。宏觀金相照片見圖2。

圖2 宏觀金相Fig.2 Macroscopic metallography

三種焊接工藝下各接頭試樣焊接變形量均較小，焊縫外觀成形好，在腐蝕表面未發(fā)現(xiàn)未熔合、夾渣等常見焊接缺陷。

3.2 微觀金相組織

焊接接頭熱影響區(qū)(HAZ)顯微組織見圖3，灰色部分是鐵素體組織，灰白色部分奧氏體組織。

圖3 母材與焊接接頭熱影響區(qū)微觀組織形貌Fig.3 Microstructure of heat affected zone of the base metal and the welded joint

焊縫區(qū)域從上部到根部，隨著位置的變化，奧氏體數(shù)量呈逐漸遞增趨勢，且焊縫根部微觀組織中的奧氏體晶粒明顯粗大，根部位置晶粒尺寸出現(xiàn)細(xì)化的傾向。

3.3 拉伸和彎曲試驗(yàn)

熔敷金屬常溫拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)的結(jié)果見表5。拉伸試樣(見圖4)均在母材處斷裂，表明焊接接頭強(qiáng)度高于母材，證明焊接試樣拉伸性能滿足焊縫熔敷金屬的力學(xué)性能指標(biāo)；彎曲試驗(yàn)(見圖5)的焊接接頭的表面均未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，表明焊接接頭的質(zhì)量均能滿足運(yùn)用性能要求。

表5 拉伸和彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 5 The tensile and bend test results

圖4 常溫拉伸試樣Fig.4 Tensile sample at normal atmospheric temperature

圖5 彎曲試樣Fig.5 Bend sample

3.4 沖擊試驗(yàn)

常溫下母材的沖擊吸收功是130 J，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功見表6。XU2的沖擊試樣見圖6，熔敷金屬沖擊試樣斷口掃描見圖7。斷口掃描照片中韌窩明顯，且可見均勻分布的韌窩脆斷點(diǎn)。

表6 焊縫的沖擊試驗(yàn)值Table 6 Impact test values of the weld seam

圖6 XU2沖擊試樣Fig.6 XU2 impact sample

圖7 XU2熔敷金屬沖擊斷口掃描Fig.7 XU2 impact fracture scanning of the deposited metal

-20 ℃和-40 ℃溫度下，S32101雙相不銹鋼在XUT2焊接工藝下焊縫和熱影響區(qū)以及母材的低溫沖擊功分別是55 J、89 J、96 J；46 J、58 J、76 J。ASME A923-2014規(guī)定了雙相不銹鋼(示例中未包括S32101)-40℃條件下，沒有析出物(金屬間化合物)的沖擊功最低要求，焊縫熔敷金屬34 J、母材和熱影響區(qū)54J；XUT2的試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)A923的規(guī)定。S32101的沖擊功要求值雖然未在ASME A923-2014中明確，在鋼材采購技術(shù)規(guī)格書、焊接工藝評定的技術(shù)要求中，卻可參照執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3.5 高溫拉伸試驗(yàn)

當(dāng)拉伸溫度在25 ℃時，母材和焊縫的抗拉強(qiáng)度710 MPa、775 MPa；當(dāng)拉伸溫度在150 ℃時，母材和焊縫的抗拉強(qiáng)度605 MPa、665 MPa；當(dāng)拉伸溫度在200 ℃時，母材和焊縫的抗拉強(qiáng)度595 MPa、645 MPa；當(dāng)拉伸溫度在250 ℃時，母材和焊縫的抗拉強(qiáng)度635 MPa、635 MPa；當(dāng)拉伸溫度在300 ℃時，母材和焊縫的抗拉強(qiáng)度680 MPa、650 MPa。母材和焊縫的抗拉強(qiáng)度的溫度曲線見圖8。

圖8 母材和焊縫的抗拉強(qiáng)度的溫度曲線圖Fig.8 The temperature curve of the tensile strength of the base metal and the weld seam

焊縫和母材抗拉強(qiáng)度隨溫度變化的曲線的相似之處是在25～300 ℃范圍內(nèi)，母材與焊縫的抗拉強(qiáng)度變化趨勢均時先降低后略微增加，區(qū)別在于母材的最低抗拉強(qiáng)度在200 ℃時595 MPa，而焊縫的最低抗拉強(qiáng)度是在250 ℃時635 MPa；溫度低于250 ℃時，焊縫的抗拉強(qiáng)度一直高于母材的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)溫度高于250 ℃時，母材強(qiáng)度高于焊縫強(qiáng)度；最后，當(dāng)溫度在250～300 ℃范圍內(nèi)時，母材和焊縫的抗拉強(qiáng)度均呈增加趨勢，但是母材增加的幅度略大。

圖9 非能動堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS)Fig.9 Passive core cooling system

AP1000堆型核電站的非能動安全系統(tǒng)在堆芯保護(hù)初始信號發(fā)出后72 h[3]內(nèi)無需操縱員手動操作，是內(nèi)陸核電堆型的首選。在壓力邊界泄漏等失水事故或堆芯熔毀事故，甚至在壓力容器燒穿的事故工況的高溫高壓蒸汽環(huán)境下，非能動堆芯冷卻系統(tǒng)(見圖9)的持續(xù)冷卻能力慢慢降低，安全殼內(nèi)部溫度逐步上升。雙相不銹鋼S32101的抗拉強(qiáng)度隨溫度升高先降后升，提高了極限事故工況下鋼結(jié)構(gòu)模塊的耐受溫度，保障安全殼內(nèi)事故工況下安全殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性。

4 結(jié) 論

1)雙相不銹鋼S32101的焊接規(guī)范范圍比較寬，即在小規(guī)范、大規(guī)范的焊接參數(shù)下，均可以獲得良好的無損檢測性能。

2)在中等規(guī)范的焊接電參數(shù)條件下，可以獲得良好的抗拉強(qiáng)度的熔敷金屬，且延伸率、沖擊功較小規(guī)范、大規(guī)范電參數(shù)條件下的優(yōu)越。

3)在中等規(guī)范條件下，熔敷金屬-40℃條件下的沖擊大于34J，滿足ASTM A923-2014中雙相不銹鋼熔敷金屬低溫沖擊功值的規(guī)定。

4)在核電應(yīng)急事故條件下，結(jié)構(gòu)鋼S32101在溫度達(dá)到200～250 ℃時抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)向上的拐點(diǎn)，是保證核島內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整的有力支撐，為核安全事故應(yīng)急措施的執(zhí)行贏得了寶貴時間。