鋼制安全殼焊后熱處理工程應(yīng)用與建議

晏桂珍 王成才 王剛 馬淋淋 李銀 楊照東

摘要：根據(jù)鋼制安全殼的結(jié)構(gòu)尺寸、建造方式和焊后熱處理要求，分析對比了適宜鋼制安全殼焊后熱處理的加熱方式，并通過應(yīng)用證明了局部焊后熱處理的可行性。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，提出了推動(dòng)厚度小于60 mm的SA-738 Gr.B鋼板免除焊后熱處理，或采用超聲波沖擊處理代替焊后熱處理的建議。

關(guān)鍵詞：鋼制安全殼;SA-738 Gr.B;局部焊后熱處理;免除焊后熱處理;超聲波沖擊處理

中圖分類號：TG441.8 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）04-0076-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.15

0 ? ?前言

鋼制安全殼是AP/CAP系列非能動(dòng)壓水堆核電站的特有設(shè)備，既是防止放射性物質(zhì)向外擴(kuò)散的屏障，也是整個(gè)非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的重要組成部分。鋼制安全殼為按照ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范（簡稱“ ASME 規(guī)范 ”）第Ⅲ卷第1冊NE分卷設(shè)計(jì)制造的帶上下橢球形封頭的“ 自由站立式 ”圓柱形壓力容器，筒體上設(shè)置了大量電氣貫穿件和機(jī)械貫穿件實(shí)現(xiàn)殼體的內(nèi)外連接。鋼制安全殼材質(zhì)為低合金高強(qiáng)度SA-738 Gr.B調(diào)質(zhì)鋼板[1]。

AP/CAP1000鋼制安全殼直徑39.6 m、高65.6 m，

封頭壁厚41.3 mm，筒體第1層鋼板厚47.6 mm，其余層鋼板厚44.5 mm，貫穿件補(bǔ)強(qiáng)板厚度分別為64 mm、90 mm和100 mm。CAP1400鋼制安全殼內(nèi)徑43 m、高度73.6 m，筒體厚超過50 mm，貫穿件補(bǔ)強(qiáng)板厚度分別為80 mm、90 mm、110 mm和130 mm，補(bǔ)強(qiáng)板最大外直徑8 500 mm。按照設(shè)計(jì)要求，鋼制安全殼整體組焊完畢后，與理論形狀相比，向內(nèi)向外偏差不能超過一個(gè)壁厚[2-6]。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，當(dāng)焊縫母材名義厚度超過44.5 mm時(shí)，焊接接頭應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理。以CAP1400鋼制安全殼為例，需要進(jìn)行焊后熱處理的焊接接頭長度累計(jì)超過2 500 m。焊后熱處理是鋼制安全殼建造中的關(guān)鍵工序。

1 焊后熱處理主要方法

焊后熱處理主要有爐內(nèi)加熱整體焊后熱處理、爐內(nèi)整體分段加熱焊后熱處理、容器內(nèi)部加熱整體焊后熱處理和殼體整圈加熱帶局部熱處理4種方式。

爐內(nèi)整體熱處理是將壓力容器或受壓元件整體放在封閉的加熱爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，比較適用于中小型壓力容器或受壓元件的焊后熱處理。

容器內(nèi)部加熱整體焊后熱處理是由容器本體構(gòu)成加熱爐燃燒室，在容器內(nèi)部設(shè)置加熱裝置，按規(guī)定控制升溫、恒溫、降溫的各個(gè)過程，此方法廣泛應(yīng)用于大型球罐等產(chǎn)品的焊后熱處理。其最常用的加熱方法有電熱法和輕柴油內(nèi)燃法兩種，電熱法受現(xiàn)場電力供應(yīng)的限制而應(yīng)用較少;輕柴油內(nèi)燃法由于所用機(jī)具簡單、施工安全等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。

整體焊后熱處理具有整體性和一次性的特點(diǎn)，不僅節(jié)省焊后熱處理時(shí)間，節(jié)省能源，還可以使壓力容器或受壓元件免受二次加熱引起局部殘余應(yīng)力與殘余變形等不利影響[7]。條件允許時(shí)，應(yīng)優(yōu)選整體加熱焊后熱處理。

當(dāng)承壓設(shè)備（如塔器等）不宜進(jìn)行整體焊后熱處理時(shí)，可以采取整體分段焊后熱處理。分段熱處理時(shí)，各加熱分段之間應(yīng)重復(fù)加熱。ASME規(guī)范第Ⅲ卷第1冊NE分卷要求重復(fù)加熱長度不小于2 m。加熱部分的操作應(yīng)符合爐內(nèi)整體熱處理的規(guī)定;非加熱部分應(yīng)采取保溫措施，使溫度梯度不影響材料的組織和性能。

承壓設(shè)備的B、C、D類焊接接頭，球形封頭與圓筒相連的A類焊接接頭以及缺陷焊補(bǔ)部位等可采用局部熱處理。當(dāng)采取局部焊后熱處理時(shí)，加熱過程應(yīng)沿容器或物項(xiàng)的整個(gè)圓周形成一個(gè)環(huán)形加熱帶;確保容器或物項(xiàng)的溫度從受控加熱帶的邊緣向外逐漸減小，以避免產(chǎn)生有害的溫度梯度。

此外，借鑒成熟的經(jīng)驗(yàn)或相應(yīng)的評價(jià)方法，綜合考慮溫度梯度以及焊后熱處理過程中產(chǎn)生的應(yīng)力載荷等的影響，ASME規(guī)范第Ⅷ冊第Ⅰ分卷還允許采用其他形狀（如牛眼式）的焊后熱處理加熱方法[6]。

2 鋼制安全殼焊后熱處理要求

2.1 保溫溫度

按ASME規(guī)范的材料分類，鋼制安全殼材質(zhì)SA

-738 Gr.B鋼板屬于P-No.1材料。根據(jù)ASME規(guī)范第Ⅲ卷第1冊NE分卷NE-4622.4的描述，P-No.1材料的焊后熱處理保溫溫度為595～675 ℃。SA-738 Gr.B為調(diào)質(zhì)鋼板，其最低回火溫度為635 ℃。為保證材料性能，焊后熱處理期間的最高保溫溫度應(yīng)低于回火溫度15 ℃。綜上考慮，鋼制安全殼焊后熱處理保溫溫度為595～620 ℃。相比于非調(diào)質(zhì)鋼板，調(diào)質(zhì)鋼板的焊后熱處理對溫度均勻性提出了更高的要求。

2.2 保溫范圍與保溫時(shí)間

當(dāng)采取局部焊后熱處理時(shí)，最小保溫寬度為焊縫最大寬度兩側(cè)各加1倍焊縫名義厚度或50 mm的較小值。為便于操作，AP/CAP1000和CAP1400鋼制安全殼筒體對接接頭需要進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，保溫寬度為焊縫最大寬度兩側(cè)及其50 mm范圍內(nèi)。

ASME規(guī)范第Ⅲ卷第1冊NE分卷規(guī)定，當(dāng)焊縫名義厚度小于50 mm時(shí)，最短保溫時(shí)間為焊縫名義厚度×2 min/mm，且不低于30 min;當(dāng)焊縫名義厚度大于等于50 mm時(shí)，最短保溫時(shí)間為2 h+（焊縫名義厚度-50）×0.5 min/mm。保溫時(shí)間的計(jì)算是從同一次焊后熱處理有效保溫范圍內(nèi)最后一個(gè)測溫點(diǎn)達(dá)到595 ℃開始，至第一個(gè)測溫點(diǎn)溫度開始低于595 ℃為止。

采用分段焊后熱處理的重復(fù)加熱部位或因其他原因造成多次焊后熱處理部位，有效熱處理時(shí)間應(yīng)累計(jì)，且不宜超過材料模擬焊后熱處理時(shí)間的1.25倍。SA-738 Gr.B材料的模擬焊后熱處理時(shí)間為10 h，鋼制安全殼同一部位累計(jì)焊后熱處理時(shí)間不宜超過12.5 h。

2.3 升降溫速率

在425 ℃以上，加熱速率和冷卻速率應(yīng)不超過220 ℃/h除以熱處理最大焊縫名義厚度的倍數(shù)，范圍為56～220 ℃/h。在加熱和冷卻過程中，在任何5 m焊縫長度間隔內(nèi)，溫度變化應(yīng)不大于139 ℃。

3 焊后熱處理加熱方法適宜性分析

3.1 筒體對接接頭的焊后熱處理加熱方法

3.1.1 整體焊后熱處理

為了縮短設(shè)備建造周期，鋼制安全殼采用上下2個(gè)橢球形封頭和多個(gè)筒體環(huán)模塊段的模塊化建造方式，各模塊段拼焊完畢后，再依次整體吊裝到核島就位形成完整的容器[8]。當(dāng)鋼制安全殼模塊段核島就位形成封閉容器后，內(nèi)部已安裝反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器等大量主系統(tǒng)與設(shè)備，為規(guī)避焊后熱處理對內(nèi)部主系統(tǒng)與設(shè)備的影響，不能采用“ 自身爐膛 ”內(nèi)部加熱的方式進(jìn)行整體熱處理[7]。由于鋼制安全殼直徑大、高度高，以及鋼制安全殼組焊完畢后周圍空間的限制，也不能采用從外部整體加熱的方式進(jìn)行整體焊后熱處理。

3.1.2 整體分段焊后熱處理

筒體環(huán)模塊段組焊完畢后，是一個(gè)直徑達(dá)40 m、兩端開口、厚度與直徑比達(dá)到1/800，且最大質(zhì)量達(dá)到1 450 t的薄壁圓筒。若對筒體環(huán)模塊段采取整體焊后熱處理，則需要建設(shè)大型專用熱處理爐。一方面，相應(yīng)熱處理爐的建設(shè)成本很高;另一方面，筒體環(huán)模塊段進(jìn)出熱處理爐不方便。當(dāng)筒體環(huán)模塊段采取整體移入移出，則需配備重型吊裝設(shè)備，且要求操作定位準(zhǔn)確，避免模塊段與加熱爐發(fā)生碰撞。當(dāng)在加熱爐內(nèi)組焊筒體環(huán)模塊段或筒體環(huán)模塊段組焊完畢后再堆砌加熱爐，會(huì)給鋼制安全殼的建造周期帶來不利影響。甚者，厚度與直徑比達(dá)到1/800的兩端開口薄壁筒體，整體焊后熱處理后，對整體形狀的變形影響的不確定性太大。故筒體環(huán)模塊段不宜采用整體焊后熱處理。

筒體環(huán)模塊段采取立式拼裝，組焊完畢后，直徑40 m的薄壁圓筒不宜翻轉(zhuǎn)。若筒體環(huán)模塊段采取整體分段焊后熱處理，則每處理一段，需對加熱裝置進(jìn)行相應(yīng)的升降移位，導(dǎo)致加熱裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加加熱裝置的建造成本。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，立式整體分段焊后熱處理變形雖然小于筒體環(huán)模塊段整體焊后熱處理，但出現(xiàn)超過設(shè)計(jì)要求的變形風(fēng)險(xiǎn)非常大。故筒體環(huán)模塊段也不宜采用整體分段焊后熱處理。

3.1.3 局部焊后熱處理

綜上所述，從工程應(yīng)用上，鋼制安全殼筒體對接接頭僅局部焊后熱處理可供選擇。局部焊后熱處理主要有燃?xì)饧訜帷㈦娂訜岷碗姶鸥袘?yīng)加熱等方式。燃?xì)饧訜嵫b置相對簡單，成本較低，但很難將溫度均勻性控制在25 ℃以內(nèi)，且安全性相對較差，一般適用于對加熱溫度均勻性要求不高的場合;電磁感應(yīng)加熱裝置與被加熱體的外形尺寸匹配要求一致性高，當(dāng)被加熱體的形狀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，加熱裝置宜相應(yīng)進(jìn)行更換，成本高，但溫度均勻性控制精度高、安全性高，一般適用于批量化產(chǎn)品且要求加熱溫度均勻性較高的場合。電加熱成本和溫度均勻性介于前兩者之間，且安全性有保障，可用于鋼制安全殼局部焊后熱處理的加熱。

文獻(xiàn)[9-11]規(guī)定，筒體局部焊后熱處理時(shí)應(yīng)沿容器整個(gè)圓周形成一個(gè)環(huán)形加熱帶。CAP1400鋼制安全殼筒體上最大補(bǔ)強(qiáng)板外直徑為8 500 mm，按照相關(guān)研究文獻(xiàn)[12-16]的描述，計(jì)算焊接接頭向外側(cè)加熱寬度為2 655 mm，圓周加熱寬度為13 830 mm;鋼制安全殼內(nèi)直徑43 m，殼體圓周135 m，圓周整圈加熱面積為1 867 m2;電加熱板單位功率為10 kW/0.22 m2，加熱電能為84 878 kW。采用圓周整圈加熱局部焊后熱處理，電功率需求太高，施工操作性較差。需要參照ASME規(guī)范第Ⅷ冊第Ⅰ分卷的描述，采用圓周分段、牛眼式或牛眼式圓周分段局部焊后熱處理等加熱方法。

上述局部焊后熱處理由于缺乏成熟的借鑒經(jīng)驗(yàn)，實(shí)施前需通過有限元模擬分析方法，對鋼制安全殼焊后熱處理全過程中的變形和應(yīng)力進(jìn)行迭代分析，選擇合適的加熱溫度梯度和升降溫速率，再通過相應(yīng)的焊后熱處理工藝驗(yàn)證，反向確定適宜的加熱寬度、保溫方式和升降溫速率等工藝參數(shù)，確保鋼制安全殼焊后熱處理的效果。

3.2 補(bǔ)強(qiáng)板與貫穿件的焊后熱處理加熱方法

AP/CAP1000和CAP1400鋼制安全殼上，存在部分貫穿件與補(bǔ)強(qiáng)板組件的連接焊縫需要進(jìn)行焊后熱處理。根據(jù)ASME規(guī)范第Ⅲ卷第1冊NE分卷的要求，除免除強(qiáng)制性焊后熱處理的情況外，所有門、接管、開孔框架和類似的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)在焊接到殼體上之前對焊接組件進(jìn)行焊后熱處理。即貫穿件與補(bǔ)強(qiáng)板組件應(yīng)先進(jìn)行焊后熱處理，然后再焊接到鋼制安全殼筒體上。貫穿件與補(bǔ)強(qiáng)板組件最大外徑為8.5 m，可采用整體爐內(nèi)焊后熱處理。

4 焊接工藝評定

根據(jù)ASME規(guī)范IX表QW-253的描述，焊后熱處理是涉及焊接工藝評定的重要變素。工藝評定試樣的PWHT應(yīng)與焊縫在產(chǎn)品中受到的熱處理基本上相當(dāng)，在熱處理溫度下累計(jì)時(shí)間不得小于產(chǎn)品所用時(shí)間的80%。

工藝評定采用了與產(chǎn)品相同的SA-738Gr.B鋼板，厚度40 mm（最大厚度可覆蓋200 mm），焊接材料選用φ3.2+φ4.0的E9018-G-H4焊條。為驗(yàn)證大線能量下焊縫的性能，焊接位置為立向上，采用多層多道焊接。采用火焰加熱預(yù)熱，預(yù)熱溫度為95～133 ℃，層間溫度為127～197 ℃，最大熱輸入量為42.9 kJ/cm，焊接速度5.106～7.607 cm/min （φ3.2），5.811～7.947 cm/min （φ4.0）。

焊后試塊采用爐內(nèi)整體焊后熱處理，425 ℃以上升溫速率100 ℃/h，降溫速率60～100 ℃/h，保溫范圍595～620 ℃，保溫10 h （產(chǎn)品焊縫焊后熱處理覆蓋最長累計(jì)12.5 h）。

對焊縫區(qū)和熱影響區(qū)試樣分別進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)、高溫拉伸試驗(yàn)、側(cè)彎試驗(yàn)、-29 ℃沖擊試驗(yàn)等相關(guān)驗(yàn)證，焊接接頭能夠滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。

按照ASME規(guī)范IX QW-407的描述，此焊接工藝可以覆蓋產(chǎn)品的焊后熱處理要求。

5 工程應(yīng)用情況與效果

AP/CAP系列鋼制安全殼各部位焊后熱處理工程應(yīng)用方法如表1所示。

貫穿件與補(bǔ)強(qiáng)板部件采用燃?xì)鉅t整體爐內(nèi)焊后熱處理時(shí)，提前標(biāo)定燃?xì)鉅t工件放置區(qū)域的溫度均勻性，將溫差控制在20 ℃以內(nèi)。熱處理過程中，在工件上焊縫及其兩側(cè)各50 mm范圍內(nèi)設(shè)置測溫?zé)犭娕?，監(jiān)控工件的實(shí)際溫度。

局部焊后熱處理采用雙側(cè)對稱布置電加熱片進(jìn)行加熱。在工件上焊縫中間及其兩側(cè)各50 mm區(qū)域設(shè)置測溫?zé)犭娕?，在熱電偶上設(shè)置控溫?zé)犭娕肌⒏鱾€(gè)電加熱片加熱功率設(shè)置為單獨(dú)調(diào)控，根據(jù)測溫?zé)犭娕嫉臏囟葘?shí)時(shí)調(diào)整相應(yīng)區(qū)域加熱片的加熱功率，使工件上熱處理區(qū)域的溫度控制在595～620 ℃。

筒體縱縫和環(huán)縫對接接頭，采用矩形加熱片?？v縫對接接頭的中心線與加熱片中心線重合;對環(huán)縫對接接頭，加熱片的中心線距離焊縫中心線向下適當(dāng)偏移;筒體與補(bǔ)強(qiáng)板對接接頭采用扇環(huán)形加熱片，加熱片的中心線與焊縫中心線重合。當(dāng)焊接接頭兩側(cè)鋼板厚度不一致時(shí)，可通過在厚板側(cè)增加輔助加熱片的方式進(jìn)行補(bǔ)償加熱，提高厚板一側(cè)部位升溫速率，控制溫度均勻性。

根據(jù)模擬分析，為了使不等厚對接接頭兩側(cè)薄厚板區(qū)域焊后熱處理過程中變形趨于協(xié)調(diào)一致，降低焊縫表面開裂幾率，采取垂直焊縫內(nèi)外側(cè)設(shè)置加勁板的柔性調(diào)控方式，將原焊接接頭兩側(cè)的不均勻變形區(qū)域轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離焊接接頭的加熱區(qū)域。

采取上述方式成功完成了4臺AP1000鋼制安全殼的焊后熱處理和1臺CAP1400鋼制安全殼主要焊縫的焊后熱處理，整體效果達(dá)到預(yù)期要求。

6 改進(jìn)建議

焊后熱處理可以消除組裝與焊接時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，防止產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，改善焊接接頭和熱影響區(qū)的組織和性能，達(dá)到降低硬度、提高塑性和韌性的目的，進(jìn)一步釋放焊縫中的有害氣體，具有防止焊縫的氫脆和裂紋的產(chǎn)生，穩(wěn)定設(shè)備的幾何尺寸、提高設(shè)備的使用壽命等作用[17]。其效果與材質(zhì)的成分、組織、加熱溫度和保溫時(shí)間等多種因素綜合相關(guān)。但由于焊后熱處理效果檢驗(yàn)、檢測方法的局限性，目前工程上暫無對其效果的驗(yàn)收評價(jià)準(zhǔn)則與方法。

鋼制安全殼的制造周期長，筒體對接接頭焊接完畢后到核電站冷試，時(shí)間一般為1～4年，具有相應(yīng)的時(shí)間進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的自由釋放。鋼制安全殼材質(zhì)SA-738 Gr.B調(diào)質(zhì)鋼板，可焊性好，且配套焊材為低氫焊材。根據(jù)近10年的產(chǎn)品制造經(jīng)驗(yàn)，暫未發(fā)現(xiàn)檢驗(yàn)合格的焊縫未經(jīng)其他操作（如焊后熱處理等）后續(xù)發(fā)生表面裂紋的情況。

文獻(xiàn)[18-20]研究表明，SA-738Gr.B焊后熱處理態(tài)與焊態(tài)相比，拉伸性能有所下降，焊后熱處理未能改善焊縫和熱影響區(qū)的沖擊性能。這是因?yàn)楹负鬅崽幚硎购缚p和熱影響區(qū)碳化物數(shù)量明顯增多，使焊縫金屬晶粒長大，導(dǎo)致焊后熱處理態(tài)焊縫和熱影響區(qū)沖擊性能下降。2019年10月，美國核管會(huì)（NRC）批準(zhǔn)了ASME 規(guī)范案例N-841，當(dāng) SA 738 Gr.B母材厚度小于 60 mm 時(shí)，在焊接工藝滿足一定條件的前提下，可免除焊接接頭的焊后熱處理[21]?？紤]到焊后熱處理給鋼制安全殼形狀控制帶來的挑戰(zhàn)，以及對建造周期和成本費(fèi)用增加的影響，建議行業(yè)共同推動(dòng)母材厚度小于60 mm的SA-738 Gr.B對接接頭免除焊后熱處理。

已有研究表明[22-23]，SA-738 Gr.B對接接頭表面采用超聲波沖擊處理，可以有效地消除接頭表面的殘余拉應(yīng)力，強(qiáng)化表面硬度。超聲波沖擊處理有利于控制產(chǎn)品形狀變形風(fēng)險(xiǎn)，且可以與其他工作并行施工，有利于規(guī)避焊后熱處理對制造周期和成本費(fèi)用的影響，已廣泛應(yīng)用于母材不宜進(jìn)行加熱的焊接殘余應(yīng)力消除場合，可以作為一種替代鋼制安全殼焊后熱處理的應(yīng)用方案。

7 結(jié)論

（1）根據(jù)鋼制安全殼的結(jié)構(gòu)尺寸和建造特點(diǎn)，筒體區(qū)域?qū)咏宇^采用局部電加熱的焊后熱處理方式是可行的。

（2）根據(jù)SA-738 Gr.B鋼板的特殊性，焊后熱處理降低了對接接頭及熱影響區(qū)的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性，建議推動(dòng)厚度小于60 mm SA-738 Gr.B鋼板免除焊后熱處理，或者采用超聲波沖擊處理代替焊后熱處理。

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收稿日期：2020-10-09

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2018ZX06002002）

作者簡介：晏桂珍（1982—），男，學(xué)士，高級工程師，主要從事核電設(shè)備與模塊的制造技術(shù)研究。E-mail：yanguizhen@mail.snpemc.com。