AP1000核島主設(shè)備不銹鋼堆焊層首層鐵素體含量研究

（哈電集團(tuán)（秦皇島）重型裝備有限公司，河北 秦皇島 066206）

0 概述

在某核電廠用AP1000核島主設(shè)備堆芯補(bǔ)水箱產(chǎn)品制造過程中，按照設(shè)計(jì)要求，補(bǔ)水箱內(nèi)表面均需堆焊不銹鋼材料（首層堆焊EQ309L，其余層采用EQ308L材料），由于奧氏體不銹鋼堆焊容易產(chǎn)生焊接熱裂紋，通常會(huì)在焊縫中添加一定數(shù)量的鐵素體，使得焊縫成為奧氏體+少量鐵素體組織[1]。對(duì)于該產(chǎn)品，設(shè)計(jì)要求首層309L堆焊完成后，熔敷金屬鐵素體含量應(yīng)為3～20 FN，試驗(yàn)方法按照ASME規(guī)范[2]。但在焊接試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，首層鐵素體含量遠(yuǎn)低于該要求。針對(duì)此問題，承制單位開展了大量的焊接試驗(yàn)和分析，制定了產(chǎn)品的處理措施，并為后續(xù)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)建議。

1 問題描述

AP1000堆芯補(bǔ)水箱主殼體材料為SA508Gr.3Cl.1鍛件，最大壁厚234 mm，內(nèi)徑4 258 mm，內(nèi)表面堆焊不銹鋼材料，首層堆焊EQ309L，第二層堆焊EQ308L，堆焊層厚度約為7 mm。按照設(shè)計(jì)要求，堆焊層需含有一定量的鐵素體：首層為3～20 FN，最終表面為5～20 FN。在實(shí)際焊接試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，首層不銹鋼堆焊后，無論采用化學(xué)法還是磁性法，鐵素體含量均小于1 FN。

2 試驗(yàn)過程

2.1 原材料

堆焊試板材料為SA-508Gr3.Cl.1，錳鎳鉬合金鋼，其高溫強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度較高，抗低溫沖擊性能良好，中子輻照引起脆化的傾向小，廣泛應(yīng)用于核設(shè)備制造中[3-4]。

2.2 焊接材料

不銹鋼EQ309L焊帶及焊劑滿足ASME規(guī)范，同時(shí)滿足設(shè)計(jì)方不銹鋼焊帶焊劑技術(shù)條件的要求，熔敷金屬成分如表1所示。

表1 熔敷金屬化學(xué)成分 %

2.3 焊接設(shè)備及參數(shù)

采用平特性直流焊接電源ESAB LAF1250和等速送絲系統(tǒng)。焊接參數(shù)在常用規(guī)范[5-6]基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，采用焊接電壓和焊接速度不變，改變焊接電流的方式（分別為：680A、710A、740A、770A、800A、830 A），僅堆焊一層309L。由于焊接電流過大或過小都可能造成堆焊層質(zhì)量缺陷，因此根據(jù)實(shí)際焊接情況確定了堆焊電流的上下限值。

2.4 磁性法鐵素體含量

磁性法是目前測(cè)定鐵素體含量最簡單快捷的方法。按照ASMEⅢNB-2433.1要求，依照AWSA4.2《測(cè)定奧氏體和奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼焊縫金屬中δ相鐵素體含量的方法和磁性測(cè)定儀的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)方法》對(duì)試驗(yàn)用儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，使用CY-40型鐵素體含量測(cè)定儀測(cè)得的不同焊接電流下的堆焊層首層表面鐵素體數(shù)如表2所示。

表2 磁性法測(cè)量鐵素體數(shù)

2.5 化學(xué)法鐵素體含量

在首層堆焊層表面取金屬屑進(jìn)行化學(xué)分析，計(jì)算鉻當(dāng)量Creq和鎳當(dāng)量Nieq后，依據(jù)ASMEⅢNB-2433.1，采用WRC-92圖（見圖1）計(jì)算得出堆焊層中的鐵素體含量，化學(xué)成分和鐵素體數(shù)分別如表3和表4所示。

圖1 WRC-92圖計(jì)算鐵素體數(shù)

表3 化學(xué)成分

表4 化學(xué)法計(jì)算鐵素體數(shù)

可以看出，在其他條件不變的情況下，隨著焊接電流的增加，堆焊層厚度增加，母材對(duì)不銹鋼堆焊層的稀釋率降低，因此堆焊層中Cr、Ni元素含量增加，但仍然遠(yuǎn)低于未稀釋的熔敷金屬含量。依據(jù)Fe-Cr-Ni三元相圖（見圖2），在熔融金屬冷卻過程中隨Creq/Nieq的增加，雖然δ鐵素體逐漸增加，但通過調(diào)整焊接電流，該數(shù)值均不超過1.5，因此δ鐵素體含量很少，與試驗(yàn)結(jié)論吻合。

考慮到不同焊材制造商的不銹鋼焊材在堆焊后可能會(huì)造成鐵素體含量存在差異的情況，研究人員進(jìn)行了多廠家、多批次的對(duì)比試驗(yàn)，并在滿足堆焊層質(zhì)量的情況下調(diào)整焊接速度、焊接電壓等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，鐵素體數(shù)與上述結(jié)果相當(dāng)。由于控制堆焊層中一定量的鐵素體是為了避免產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，而采用大量宏觀試樣進(jìn)行分析均未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，由此可確認(rèn)目前設(shè)備承制單位采用的不銹鋼堆焊工藝可以避免鐵素體含量不足而產(chǎn)生的焊接熱裂紋。

圖2 Fe-Cr-Ni平衡相圖

3 結(jié)論

為避免堆焊層產(chǎn)生凝固裂紋，AP1000堆芯補(bǔ)水箱等核島主設(shè)備要求不銹鋼堆焊層首層鐵素體數(shù)為3～20 FN。但由于在首層堆焊過程中，低合金鋼母材對(duì)EQ309L不銹鋼熔敷金屬的稀釋，導(dǎo)致實(shí)際制造過程中該技術(shù)指標(biāo)始終難以滿足要求。為保證堆焊層的焊接質(zhì)量，設(shè)備承制單位嚴(yán)格控制了焊接材料的S、P等低熔點(diǎn)合金元素，并采用合適的焊接參數(shù)施焊，堆焊后各項(xiàng)性能檢驗(yàn)和無損檢測(cè)均滿足設(shè)計(jì)要求，且未發(fā)生熱裂紋。因此，在保證堆焊層質(zhì)量、滿足設(shè)備使用要求的前提下，建議針對(duì)核島設(shè)備內(nèi)表面不銹鋼堆焊層首層的鐵素體含量不做強(qiáng)制要求。多臺(tái)設(shè)備的實(shí)際制造經(jīng)驗(yàn)表明，設(shè)備承制單位采用穩(wěn)定可靠的工藝參數(shù)和焊后嚴(yán)格的無損檢測(cè)手段，可以確保不銹鋼堆焊層質(zhì)量，不會(huì)對(duì)核島設(shè)備的功能和安全性產(chǎn)生任何影響。