海洋核動(dòng)力平臺(tái)反應(yīng)堆壓力容器接管安全端焊接工藝研究

劉澤鋒，吳文鴻，平萍，陳志恢

太原重工股份有限公司 山西太原 030024

1 序言

隨著海洋資源開(kāi)發(fā)提速和海洋戰(zhàn)略的實(shí)施，以及核電技術(shù)不斷發(fā)展和設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn)的成熟，作為海上能源保障裝備的海洋核動(dòng)力平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)凸顯，吸引了諸多海洋大國(guó)的關(guān)注。海洋核動(dòng)力平臺(tái)是采用核動(dòng)力艦船反應(yīng)堆，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合海洋戰(zhàn)略的能源需求、新法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求、小堆領(lǐng)域的多項(xiàng)改進(jìn)優(yōu)化，使其具備三代核電核安全特征的軍民融合項(xiàng)目[1]。

反應(yīng)堆壓力容器是海洋核動(dòng)力平臺(tái)的核心設(shè)備，它不僅要克服高溫高壓及腐蝕性流體的沖刷，還要承受海浪、海風(fēng)及海流等海洋環(huán)境的擾動(dòng)。這要求它不但要保證結(jié)構(gòu)完整和性能可靠，所選用的材料需具有高韌性、高耐蝕性及抗疲勞性能。接管與安全端之間的異種金屬焊縫屬于反應(yīng)堆壓力容器整個(gè)結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，不僅結(jié)構(gòu)規(guī)格小，且兩種材料的線膨脹系數(shù)相差極大，在海洋搖擺環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間的高溫服役容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋和性能降低。本文從海洋核動(dòng)力平臺(tái)反應(yīng)堆壓力容器焊接結(jié)構(gòu)、材料選型、焊接工藝和工藝評(píng)定等方面進(jìn)行研究，確保焊縫的質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

2 焊接結(jié)構(gòu)

接管與安全端焊接接頭屬于一種特殊的焊接結(jié)構(gòu)，反應(yīng)堆壓力容器接管材質(zhì)為低合金鋼SA-508 Gr.3 Cl.1，安全端材質(zhì)為不銹鋼SA-182 F321LN。由于海洋核動(dòng)力平臺(tái)反應(yīng)堆壓力容器結(jié)構(gòu)小型化，這個(gè)焊接結(jié)構(gòu)制造難度大，異種金屬的焊接容易產(chǎn)生缺陷，焊接中復(fù)雜的熱循環(huán)會(huì)引起較高的焊接殘余應(yīng)力和低韌性組織，在設(shè)備運(yùn)行中極易產(chǎn)生腐蝕疲勞開(kāi)裂[2-3]。

接管與安全端焊接時(shí)需先在靠近端面的接管內(nèi)壁和端面堆焊鎳基隔離層，經(jīng)消應(yīng)力處理及無(wú)損檢測(cè)合格后，與不銹鋼安全端進(jìn)行對(duì)接，將二者的異種金屬焊接轉(zhuǎn)變?yōu)椴讳P鋼的對(duì)接焊。海洋核動(dòng)力平臺(tái)接管與安全端的焊接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接管與安全端焊接結(jié)構(gòu)

3 材料選型

接管側(cè)母材為SA-508 Gr.3 Cl.1，接管內(nèi)壁堆焊ER309L+ER308L的不銹鋼堆焊層，在接管端面及靠近端面的內(nèi)壁堆焊Inconel 690鎳基堆焊層。安全端側(cè)母材為SA-182 F321LN，與接管側(cè)隔離層對(duì)接焊，熔覆金屬為Inconel 690。

在焊接材料選型時(shí)選用熱膨脹系數(shù)低的Inconel 690合金，這樣可以減少焊接接頭中因線膨脹突變而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，可以有效抑制熔合區(qū)的碳遷移。鎳基合金可以消除馬氏體與類馬氏體組織，使得焊接接頭性能得到改善，在高溫下不會(huì)因應(yīng)力作用產(chǎn)生脆變。焊材選用美國(guó)超合金公司的Inconel 52M，焊絲的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 Inconel 52M鎳基焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

4 焊接工藝

海洋核動(dòng)力平臺(tái)反應(yīng)堆壓力容器接管與安全端規(guī)格小，其焊接工藝有兩種：一種是采用小管徑氬弧焊接堆焊接管內(nèi)壁不銹鋼和鎳基隔離層；另一種是采用全位置熱絲TIG焊機(jī)實(shí)現(xiàn)鎳基對(duì)接焊。

4.1 接管預(yù)堆焊工藝

1）堆焊鎳基材料前清理接管內(nèi)壁，并進(jìn)行100%P T檢測(cè)。堆焊層前3.2m m最低預(yù)熱溫度121℃，最高層間溫度250℃；其余層最低預(yù)熱溫度10℃，最高層間溫度177℃。

2）焊接設(shè)備采用POLYSOUDE全自動(dòng)無(wú)限回轉(zhuǎn)小管徑氬弧焊機(jī)，焊絲φ0.9mm，保護(hù)氣為99.999%的高純氬，堆焊參數(shù)見(jiàn)表2。

3）當(dāng)焊接中斷或完成時(shí)，對(duì)焊縫立即執(zhí)行后熱或中間熱處理。后熱溫度為232～400℃，保溫至少4h；中間熱處理溫度為595～620℃，保溫至少1h。

4）隔離層堆焊并熱處理后，進(jìn)行100%PT及100%UT檢測(cè)。

4.2 接管與安全端對(duì)接焊工藝

1）對(duì)接焊采用“插裝式”裝配，預(yù)留10mm的機(jī)械加工裕量，焊接過(guò)程中使用不銹鋼絲刷和鋁基無(wú)鐵砂輪對(duì)每道、每層進(jìn)行清理打磨，并對(duì)首層和每?jī)蓪雍缚p進(jìn)行PT檢測(cè)，預(yù)防弧坑裂紋等焊接缺陷。

2）焊接設(shè)備采用POLYSOUDE全位置熱絲TIG焊機(jī)，焊絲φ0.9mm，保護(hù)氣為99.999%的高純氬，對(duì)接焊參數(shù)見(jiàn)表3。

3）焊接時(shí)嚴(yán)格控制焊縫溫度，最低預(yù)熱溫度10℃，最高層間溫度177℃。

4）焊后對(duì)焊縫內(nèi)表面進(jìn)行加工，并對(duì)焊縫進(jìn)行100%RT、UT、PT檢測(cè)。

表2 接管預(yù)堆焊參數(shù)

表3 對(duì)接焊縫焊接參數(shù)

表4 沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果（AWS B4.0M—2000）

5 工藝評(píng)定

性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4～表6。根據(jù)海洋核動(dòng)力平臺(tái)反應(yīng)堆壓力容器設(shè)備技術(shù)規(guī)格書及工藝評(píng)定的要求，對(duì)接管與安全端的焊縫做了工藝評(píng)定，焊縫的RT、UT、PT檢測(cè)滿足相應(yīng)規(guī)格書要求，對(duì)評(píng)定試件進(jìn)行了解剖性能試驗(yàn)，鎳基隔離層和對(duì)接焊縫的化學(xué)成分符合設(shè)備技術(shù)文件要求，性能全部滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果（AWS B4.0M—2000 / ASTM E21—1998）

表6 彎曲試驗(yàn)結(jié)果（ASME QW-162）

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用上述焊接材料和焊接工藝，工藝評(píng)定結(jié)果滿足設(shè)計(jì)技術(shù)文件對(duì)焊縫質(zhì)量和性能的要求，這代表此種焊接工藝已能滿足海洋核動(dòng)力平臺(tái)反應(yīng)堆壓力容器接管與安全端，保證了反應(yīng)堆壓力容器的性能可靠，為此類結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。