核電非能動(dòng)安全殼冷卻輔助水箱MAG自動(dòng)焊工藝研究

陳鵬 王海東 李竹淵 馮英超 閆燦燦

摘? 要：根據(jù)核電站非能動(dòng)安全殼冷卻輔助水箱工程實(shí)體情況，針對(duì)18mm厚SA-516M Gr.70采用MAG自動(dòng)焊，選用合理的焊接材料、調(diào)整焊接工藝參數(shù)，嚴(yán)格控制焊接熱輸入和層間溫度，獲得了焊后焊縫成形美觀、力學(xué)性能良好、微觀組織均勻的焊接接頭。通過(guò)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，驗(yàn)證了MAG自動(dòng)焊在非能動(dòng)安全殼冷卻輔助水箱的可行性與有效性，確定了SA-516M Gr.70合理MAG自動(dòng)焊工藝，為現(xiàn)場(chǎng)焊接提供了技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：SA-516M Gr.70? MAG自動(dòng)焊? 焊接工藝? 力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG444? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）12（c）-0122-04

Abstract： According to the engineering entity of nuclear power plant PCCAWST， the 18mm thick SA-516M Gr.70 was tested by MAG automatic welding. we obtained a welded joint with beautiful weld formation， good mechanical properties and uniform microstructure， by selecting reasonable welding materials， adjusting the welding process parameters， and strictly controlling the welding heat input and interlayer temperature. Through the welding process qualification test， the feasibility and effectiveness of MAG automatic welding in PCCAWST have been verified， and the reasonable MAG automatic welding process of SA-516M Gr.70 has been determined， which provides technical guidance for on-site welding.

Key Words： Nuclear power storage tank;MAG automatic welding; Welding technology;Mechanical properties

隨著核電技術(shù)的快速發(fā)展，核電站的安全問(wèn)題越來(lái)越受重視。CAP1400核電站作為AP1000核電的升級(jí)堆型，容量更大，其安全也更受關(guān)注，非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)著提供最終熱阱的角色，在安全殼壓力或溫度升高的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，導(dǎo)出熱量，降低安全殼內(nèi)壓力和溫度，保障著事故工況下安全殼的完整性。

非能動(dòng)安全殼冷卻輔助水箱（PCCAWST）是立式圓柱形碳鋼水箱（設(shè)備分級(jí)D，安全級(jí)別NNS，質(zhì)保等級(jí)QRA1），其罐體材質(zhì)為碳素鋼SA-516M Gr.70，其直徑約21m，高度約18m，罐體壁厚為18～38mm，主體焊縫為長(zhǎng)直縱焊縫和環(huán)形焊縫，共計(jì)約600m。傳統(tǒng)的手工焊條電弧焊接方法，焊接施工效率低、焊接過(guò)程受焊工技能因素影響導(dǎo)致焊接質(zhì)量穩(wěn)定性差，因此核電行業(yè)對(duì)高質(zhì)量、高效率的自動(dòng)化施工方式的需求逐漸增大，本文針對(duì)非能動(dòng)安全殼冷卻輔助水箱工程實(shí)體縱焊縫采用MAG自動(dòng)焊方法進(jìn)行了焊接工藝探索，對(duì)不同熱輸入下的工藝試板的力學(xué)性能和組織進(jìn)行了測(cè)試與分析，驗(yàn)證其焊接工藝的現(xiàn)場(chǎng)適用性，為核電自動(dòng)化安裝行業(yè)提供技術(shù)支持。

SA-516MGr.70碳素鋼以其優(yōu)越的力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆、船舶橋梁和儲(chǔ)存容器等大型結(jié)構(gòu)的建造安裝中[1-2]。而設(shè)備整體最薄弱的部位往往是焊接接頭位置，焊接工藝參數(shù)也對(duì)接頭質(zhì)量有直接的影響[3-5]，此本文將對(duì)不同焊接參數(shù)下的工件進(jìn)行性能對(duì)比以確定最終工藝。

1? 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用與工程實(shí)體一致的18mm厚ASTM SA-516M Gr.70鋼板，根據(jù)等強(qiáng)度匹配原則，熔敷金屬無(wú)論在強(qiáng)度、塑性合適沖擊韌性上均應(yīng)高于被焊材料的性能最低值[6]，匹配ER70S-6實(shí)心氣保焊絲，規(guī)格為Φ1.2mm。母材及焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

1.2 焊接位置和坡口的選擇

根據(jù)ASME 標(biāo)準(zhǔn)要求，立焊位置焊接工藝評(píng)定可覆蓋全位置，固本試驗(yàn)采用立焊焊接位置，焊接方向?yàn)榱⑾蛏?，焊接坡口采用X型坡口，坡口角度為單邊30°，組對(duì)間隙為2mm。具體的焊接坡口形式和尺寸如圖1所示。

1.3 焊接工藝試驗(yàn)

焊接過(guò)程是一個(gè)快速加熱和冷卻的熱循環(huán)過(guò)程，若焊接過(guò)程中選用的線能量過(guò)大，試件在焊接后的溫度持續(xù)較高，冷卻過(guò)慢，晶粒粗大，會(huì)導(dǎo)致焊接接頭塑性顯著下降，若熱輸入過(guò)低，試件冷卻速度過(guò)快，易產(chǎn)生未熔合等焊接缺陷，因此為保證良好的焊接性能，關(guān)鍵控制焊接的熱輸入。

本試驗(yàn)的焊接方法為熔化極氣體保護(hù)自動(dòng)焊，MAG自動(dòng)焊焊接設(shè)備采用自主研發(fā)集成的MAG自動(dòng)焊裝備。保護(hù)氣體為Ar（80%）+CO2（20%）混合氣，采用多層單道焊的焊道排布形式。在21～42kJ/cm范圍內(nèi)，間隔7KJ/cm選取四種不同的焊接線能量進(jìn)行工件的焊接，并對(duì)試板的橫向拉伸、側(cè)面彎曲、低溫沖擊及微觀組織的進(jìn)行試驗(yàn)與結(jié)果分析。

2? 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拉伸試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)ASME Ⅸ卷2007版及2008補(bǔ)遺，對(duì)21～42kJ/cm范圍內(nèi)的4塊焊接接頭進(jìn)行了橫向室溫拉伸試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)得知抗拉強(qiáng)度值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，經(jīng)對(duì)比分析，線能量在21-42kJ/cm范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)焊接接頭抗拉強(qiáng)度值在585～608MPa之間，抗拉強(qiáng)度Rm滿足最低值485MPa，且實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)高于要求值，每個(gè)試樣發(fā)生了縮頸現(xiàn)象，說(shuō)明材料有較好的塑性。

2.2 彎曲試驗(yàn)

按照ASME Ⅸ卷2007版及2008補(bǔ)遺標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)4塊試板進(jìn)行了全厚度側(cè)彎試驗(yàn)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓頭選取直徑為38.1mm，彎曲角度為180°，側(cè)彎試樣彎曲后，在母材區(qū)、熱影響區(qū)和焊縫內(nèi)都不得有因缺陷導(dǎo)致的開(kāi)口裂紋，如有裂紋，累計(jì)不允許超過(guò)3.2mm，每組4個(gè)側(cè)彎試樣，共16個(gè)側(cè)彎試樣表面均無(wú)缺陷，試驗(yàn)結(jié)果合格。

2.3 沖擊試驗(yàn)

按照ASTM A370-2005標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)四塊試板共24件試樣開(kāi)展了-40℃夏比沖擊試驗(yàn)。選取標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸，V型缺口試樣，沖擊試樣的缺口方向必須垂直于焊縫表面[7]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示，經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)焊縫、熔合線、熱影響區(qū)三個(gè)位置的沖擊功均隨著線能量的減小而增大，表明焊接線能量對(duì)焊接接頭沖擊韌性影響顯著[8]。4塊試件的沖擊功均大于27J的沖擊最低值要求，且有較大的沖擊值富裕量，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中建議嚴(yán)格控制焊接線能量，最大值不超過(guò)42kJ/cm。

2.4 金相試驗(yàn)

2.4.1 宏觀金相

完成力學(xué)性能檢測(cè)后，對(duì)其中熱輸入為28kJ/cm和35kJ/cm的兩塊試件進(jìn)行了宏觀金相檢測(cè)，采用4%的HNO3酒精溶液進(jìn)行腐蝕后用無(wú)水乙醇溶液清洗[4]，待表面干燥后觀察焊縫宏觀金相，如圖2所示。焊縫光潔無(wú)缺陷，整體熔合良好，無(wú)夾渣、裂紋等焊接缺陷，但熱輸入較大的試件焊縫余高較大，從焊縫成形美觀考慮，應(yīng)采用合格參數(shù)范圍內(nèi)盡量小的熱輸入。

2.4.2 顯微組織

最后選取了線能量（35kJ/cm）較大的試板采用光學(xué)顯微鏡放大200X對(duì)其顯微組織進(jìn)行了分析，微觀組織詳見(jiàn)圖3，對(duì)微觀組織分析得知，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)都是主要由鐵素體和珠光體組成，不同的是焊縫區(qū)鐵素體和珠光體基本呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)而熱影響區(qū)主要為鐵素體，珠光體彌散分布其中。熔合線部位主要組織為從奧氏體晶界生長(zhǎng)出來(lái)的近似平行的針狀鐵素體，少量的珠光體組成的魏氏組織和受熱長(zhǎng)大的鐵素體分布于針狀鐵素體間，未見(jiàn)顯微裂紋和異常組織。

3? 結(jié)語(yǔ)

（1）采用MAG自動(dòng)焊焊接SA-516M Gr.70碳素鋼，應(yīng)控制線能量最大值42kJ/cm。本試驗(yàn)驗(yàn)證了MAG自動(dòng)焊在非能動(dòng)安全殼冷卻輔助水箱的可行性與有效性，確定了SA-516M Gr.70碳素鋼的合理MAG自動(dòng)焊工藝，為現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)焊接提供了技術(shù)指導(dǎo)。

（2）試驗(yàn)證明，線能量對(duì)SA-516M Gr.70焊接接頭的拉伸、彎曲性能的影響較小，對(duì)沖擊韌性影響大，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功均隨著線能量的增大呈明顯的下降趨勢(shì)。因此，在非能動(dòng)安全殼冷卻輔助水箱工程實(shí)體應(yīng)用時(shí)應(yīng)將線能量控制42kJ/cm以內(nèi)，以保證設(shè)備整體質(zhì)量。

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