反應(yīng)堆壓力容器用SA-508 Gr.3 Cl.1鋼鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝研究

張俊寶，姚俊俊，林紹萱

(上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233)

0 引言

反應(yīng)堆壓力容器是核電站的核心部件[1-2]，目前，制造反應(yīng)堆壓力容器用材料主要是Mn-Mo-Ni鋼，按ASME體系設(shè)計的核電站，其材料的牌號為SA-508 Gr.3 Cl.1[3-6]。三代核電站反應(yīng)堆壓力容器的設(shè)計壽命為60年[7-9]，與以往核電站壓力容器的設(shè)計壽命40年相比，對母材提出了更高的要求，要求基準(zhǔn)無塑性轉(zhuǎn)變溫度RTNDT≤-25 ℃，其母材的化學(xué)成分和力學(xué)性能要求分別見表1～3。

反應(yīng)堆壓力容器壓力邊界焊縫允許使用的焊接方法有焊條電弧焊(SMAW)、埋弧焊(SAW)、鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)。根據(jù)反應(yīng)堆壓力容器的設(shè)計要求，焊接接頭力學(xué)性能應(yīng)滿足母材的最低要求。

表1 SA-508 Gr.3 Cl.1鋼的化學(xué)成分要求 %

表2 SA-508 Gr.3 Cl.1鋼的拉伸性能要求

表3 SA-508 Gr.3 Cl.1鋼的沖擊性能要求

1 SA-508 Gr.3 Cl.1配套鎢極惰性氣體保護(hù)焊焊絲

目前，反應(yīng)堆壓力容器焊接時使用的焊接方法有SMAW和SAW，相應(yīng)的，國外神鋼和伯樂有成熟的配套焊材，國內(nèi)的四川大西洋焊接材料有限公司和上海核工程研究設(shè)計院也成功研發(fā)了這兩種焊材。使用這兩種焊接方法要進(jìn)行清根，清根的厚度約5 mm，帶來的主要問題是浪費(fèi)焊材和影響生產(chǎn)效率。GTAW由于焊接質(zhì)量好，可以解決SMAW和SAW帶來的問題，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，不用清根，并且可以實(shí)現(xiàn)半自動或自動化焊接。上述國內(nèi)兩家公司通過兩年多的攻關(guān)，依據(jù)ASME第Ⅱ卷(2007+2008補(bǔ)遺)C篇SFA-5.28，成功研制了反應(yīng)堆壓力容器用SA-508 Gr.3 Cl.1配套GTAW焊絲，型號為ER80S-G。

對反應(yīng)堆壓力容器用SA-508 Gr.3 Cl.1配套GTAW用焊絲，應(yīng)主要考慮以下方面。

(1)熔敷金屬的強(qiáng)度要求，焊絲化學(xué)成分主要控制C，Mn，Mo含量，抗拉強(qiáng)度滿足母材的最低要求。

(2)熔敷金屬具有低溫斷裂韌性，并滿足母材的最低要求。

(3)考慮到輻照脆化的影響，主要控制熔敷金屬的Cu，Ni，P，V含量。因此，為了保證熔敷金屬的斷裂韌性，在焊絲化學(xué)成分設(shè)計時Ni含量需要控制在一定的范圍，Cu，P含量盡可能控制在較低含量水平。

(4)考慮到熔敷金屬對S，P含量的嚴(yán)格要求，在原材料冶煉時，其S，P含量盡可能控制在鋼廠能夠達(dá)到的最低要求。

(5)對于一些微量元素，應(yīng)盡可能控制在鋼廠能夠達(dá)到要求的最低含量。

表4 ER80S-G焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分 %

表5 ER80S-G焊絲熔敷金屬的拉伸性能

本文焊接試驗(yàn)使用ER80S-G焊絲，并進(jìn)行了焊態(tài)和模擬焊后熱處理態(tài)((595～620) ℃×10 h)的力學(xué)性能試驗(yàn)，其熔敷金屬化學(xué)成分實(shí)測值和力學(xué)性能實(shí)測結(jié)果分別見表4～6。

通過以上試驗(yàn)結(jié)果可知，ER80S-G焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分滿足設(shè)計要求，經(jīng)模擬熱處理后，熔敷金屬的拉伸強(qiáng)度降低了20 MPa，降低的幅度不大；-25 ℃的沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，通過焊后熱處理，改善了熔敷金屬的沖擊性能，無論是焊態(tài)還是焊后熱處理態(tài)，熔敷金屬的力學(xué)性能裕量較大。

表6 熔敷金屬的沖擊性能

2 焊接工藝評定試驗(yàn)

在焊材基本性能試驗(yàn)合格基礎(chǔ)上，由設(shè)備制造廠家進(jìn)行了焊接工藝評定試驗(yàn)。本項(xiàng)目是重大專項(xiàng)課題，基于課題的要求和CAP1400核電廠的適用性，焊接工藝評定試驗(yàn)按ASME第Ⅸ卷2007版(包括2008補(bǔ)遺)[10]和第Ⅲ卷NB分卷2007版(包括2008補(bǔ)遺)[11]進(jìn)行。

2.1 焊接工藝評定用母材

模擬產(chǎn)品的尺寸，焊接工藝評定用母材為SA-508 Gr.3 Cl.1，規(guī)格為?846 mm×73 mm，焊接每試件的長度為125 mm，為窄間隙的坡口，坡口角度為7°。

2.2 焊接工藝

采用直流正接的半自動氬弧焊，5G位置，兩側(cè)立向上焊，焊接過程帶脈沖電流，脈沖頻率為1.8～2.0 Hz，氬氣的純度為99.99%，主保護(hù)氣體流量25～30 L/min，輔助保護(hù)氣體流量40～50 L/min，焊絲直徑?1.0 mm，焊接過程中持續(xù)加熱，使焊縫兩側(cè)≥125 mm的區(qū)域保持在預(yù)熱溫度以上，道間溫度控制在≤250 ℃，焊接參數(shù)見表7。

表7 焊接工藝參數(shù)

2.3 焊后熱處理

焊后熱處理按ASME第Ⅲ卷NB分卷2007版(包括2008補(bǔ)遺)執(zhí)行。用電紅外加熱片對該焊縫及鄰近區(qū)域進(jìn)行包裹控溫，嚴(yán)控溫度梯度，避免出現(xiàn)過大溫差。母材的最低回火溫度為645 ℃，采用焊后熱處理的保溫溫度為595～620 ℃，根據(jù)ASME第Ⅲ卷NB分卷，當(dāng)材料厚度為50～125 mm時，保溫溫度要求為120 min加0.5 min/mm，本試驗(yàn)用母材厚度73 mm，因此，焊后熱處理最低保溫時間為132 min，考慮中間焊后熱處理時間為60 min，允許焊縫返修2次，模擬焊后熱處理的保溫時間為253 min。焊后熱處理參數(shù)見表8。

表8 焊后熱處理參數(shù)

2.4 無損檢測

焊后熱處理后對焊縫進(jìn)行打磨，以便進(jìn)行無損檢測。按ASME第Ⅲ卷NB分卷的要求進(jìn)行了磁粉檢測(MT)、超聲檢測(UT)、射線檢測(RT)，檢測結(jié)果均滿足要求。

2.5 力學(xué)性能

對模擬焊后熱處理態(tài)的焊接工藝評定試板進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)。按AWS B4.0M—2000[12]，在室溫下對焊縫金屬、焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；按照ASTM E21—1998[13]，在350 ℃下對焊縫金屬、焊接接頭進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)。焊接接頭拉伸試樣的啟裂部位均為熔合區(qū)，拉伸試樣在啟裂后裂紋分別向熱影響區(qū)和焊縫區(qū)擴(kuò)展，最后貫穿整個熔合區(qū)，直至斷裂，斷口上分布有大量韌窩，斷裂形式為韌性斷裂。其試驗(yàn)結(jié)果見表9。焊接接頭及焊縫金屬拉伸性能均滿足要求。

表9 焊接接頭及焊縫金屬的拉伸性能

根據(jù)規(guī)范AWS B4.0—2000，沖擊試驗(yàn)采用10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，V形缺口，-25 ℃時，焊縫金屬的沖擊吸收能量平均值為306 J，熱影響區(qū)的沖擊吸收能量平均值為273 J，要求的沖擊吸收能量平均值不小于41 J；8 ℃時，焊縫金屬的沖擊吸收能量平均值為313 J，熱影響區(qū)的沖擊吸收能量平均值為296 J，要求的沖擊吸收能量平均值不小于68 J，可以看出，焊接接頭具有良好的沖擊性能。焊接接頭的沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果見表10。

根據(jù)規(guī)范AWS B4.0M—2000，室溫下(25 ℃)進(jìn)行了導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)，試樣厚度為10 mm，全厚度側(cè)彎試樣4個，彎曲直徑為40 mm，彎曲角度為180°，跨距為62 mm。根據(jù)ASME第Ⅸ卷的要求，彎曲后試樣拉伸面的焊縫和熱影響區(qū)不允許出現(xiàn)大于3.0 mm的任何開裂缺陷，4個彎曲試樣的試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。

表10 焊接接頭的沖擊性能

按ASTM E208—1991[14]，對焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證性落錘試驗(yàn)，采用P3試樣，取樣位置在T/4(T為試板厚度)處，每一位置取2個試樣，沖擊吸收能量為400 J，要求熱影響區(qū)側(cè)RTNDT≤-25 ℃，焊縫金屬RTNDT≤-25 ℃，其試驗(yàn)結(jié)果見表11。可以看出，焊縫和熱影響區(qū)的落錘試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，焊縫金屬和熱影響區(qū)具有較優(yōu)良的止裂性能。

表11 焊接接頭落錘試驗(yàn)結(jié)果

2.6 金相檢驗(yàn)

對焊接接頭放大10倍和500倍進(jìn)行宏觀和微觀金相檢驗(yàn)，取樣位置為垂直于焊接方向，使用三氯化鐵鹽酸溶液進(jìn)行侵蝕。宏觀檢驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫和熱影響區(qū)無任何裂紋、夾渣、氣孔、未熔合等焊接缺陷(見圖1(a))。焊縫金屬微觀組織為針狀鐵素體、貝氏體及少量珠光體的混合組織，不存在顯微裂紋和異常組織(見圖1(b))。熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織趨于等軸晶狀分布，晶內(nèi)為針狀鐵素體、貝氏體及少量珠光體(見圖1(c))；熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)組織趨于等軸晶狀分布，為鐵素體、貝氏體及珠光體(見圖1(d))。

(a)焊接接頭宏觀金相 10×

(b)焊縫微觀金相 500×

(c)熱影響區(qū)粗晶區(qū) 500×

(d)熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū) 500×圖1 焊接接頭的金相檢驗(yàn)結(jié)果

2.7 焊接工藝評定的試驗(yàn)總結(jié)

模擬實(shí)際產(chǎn)品的尺寸，按ASME規(guī)范要求進(jìn)行了焊接工藝評定試驗(yàn)，無損檢測及理化試驗(yàn)結(jié)果表明，接頭性能滿足要求，焊接接頭的組織以貝氏體為主，焊接質(zhì)量良好，具備現(xiàn)場可實(shí)施性，鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)可應(yīng)用于反應(yīng)堆壓力容器Mn-Mo-Ni( SA-508 Gr.3 Cl.1)鋼的焊接。

3 結(jié)語

(1)使用的SA-508 Gr.3 Cl.1配套ER80S-G氬弧焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分、拉伸和沖擊性試驗(yàn)結(jié)果滿足母材的要求，并有一定的裕量。

(2)焊接工藝評定結(jié)果表明，焊接接頭的無損檢測和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)及其配套ER80S-G焊絲可應(yīng)用于反應(yīng)堆壓力容器Mn-Mo-Ni(SA-508 Gr.3 Cl.1)鋼的焊接。