核電用SA508Gr.3Cl.2鋼配套埋弧焊焊接材料的研制

胡曉波　趙承先　馮偉　陳波　魏濤　劉滿雨

摘要：針對核電蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等設(shè)備用SA508Gr.3Cl.2鋼配套埋弧焊焊接材料大部分依賴進口的現(xiàn)狀，進行了SA508Gr.3Cl.2鋼配套埋弧焊焊絲、焊劑的研制工作。通過對有害雜質(zhì)元素的有效控制，使得研制焊材的抗拉強度、沖擊韌性等性能有了顯著的提升，從而獲得了優(yōu)良的力學(xué)性能。結(jié)果表明，研制的低合金鋼埋弧焊焊接材料具有良好的焊接工藝性能，電弧穩(wěn)定性好，焊道成形美觀，脫渣容易，且各項力學(xué)性能均滿足產(chǎn)品要求。

關(guān)鍵詞：SA508Gr.3Cl.2鋼;埋弧焊;焊接材料;力學(xué)性能中圖分類號：TG423

DevelopmentofsubmergedarcweldingmaterialforSA508Gr.3Cl.2steelofnuclearpower

HuXiaobo1，ZhaoChengxian2，F(xiàn)engWei1，ChenBo1，WeiTao1，LiuManyu1

（1.HarbinWellWeldingCo.，Ltd.，Harbin150060，Heilongjiang，China;

2.ChinaNationalPetroleumSeventhConstructionCo.，Ltd.，Qingdao266300，Shandong，China）

Abstract：InviewofthefactthatthemajorityofmatchingsubmergedarcweldingmaterialsforSA508Gr.3Cl.2steelofnuclearpowersteamgeneratorandpressurizerandotherequipmentdependonimport，thedevelopmentofSA508Gr.3Cl.2steelmatchingsubmergedarcweldingwireandfluxwascarriedout.Throughtheeffectivecontrolofharmfulimpurityelements，thetensilestrength，impacttoughnessandotherpropertiesofthedevelopedweldingmaterialsweresignificantlyimproved，soastoobtainexcellentmechanicalproperties.Theresultsshowedthatthedevelopedsubmergedarcweldingmaterialforlowalloysteelhadgoodweldingprocessperformanceandarcstability，formationofweldwasbeautifulandtheslagwaseasytoremove，andallmechanicalpropertiesmettheproductrequirements.Keywords：SA508Gr.3Cl.2steel;submergedarcwelding;weldingmaterials;mechanicalproperties

前言

核電是一種清潔高效的能源，在滿足日益發(fā)展的能源增長需求的同時，能夠大幅度減少對大氣環(huán)境的污染。核電站核島承壓設(shè)備主要包括反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器，這些設(shè)備殼體所用的材料均為A5083鋼。近些年，國內(nèi)核電行業(yè)發(fā)展迅速。目前國內(nèi)現(xiàn)有的三代非能動壓水堆核電機組采用的是Delta125型蒸汽發(fā)生器，蒸汽發(fā)生器是核反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一＼[1-3＼]，其制造所需的主要鍛件為美國機械工程師協(xié)會（ASME）《核動力裝置設(shè)備建造準(zhǔn)則》所規(guī)定的壓力容器用SA508Gr.3Cl.2鋼。該材料與過去核電站常用的SA508Gr.3Cl.1鋼比，具有更高的強度，同時還能保持較好的低溫沖擊韌性＼[4＼]。

中國早在20世紀(jì)80年代就由當(dāng)時的核工業(yè)部第一研究設(shè)計院（現(xiàn)為中國核動力研究設(shè)計院）、哈爾濱焊接研究所（現(xiàn)為哈爾濱焊接研究院有限公司）等單位組成了相關(guān)協(xié)作組，開始了壓水堆核電站反應(yīng)堆壓力容器用A5083鋼鍛件和配套焊接材料以及制造工藝的研究＼[5-8＼]，但時至今日國內(nèi)此類配套焊接材料依然大部分依賴進口。隨著一帶一路發(fā)展戰(zhàn)略的推進和國內(nèi)核電工程建設(shè)的重啟，核電焊接材料的需求將會迅速擴大。進口焊接材料不僅存在供貨周期長、產(chǎn)品價格高、技術(shù)支持服務(wù)滯后等問題，影響工程進度和效益;還會因為國內(nèi)沒有生產(chǎn)能力，使得一些進口焊材無可替代，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，則延誤工程進度，甚至給工程質(zhì)量帶來嚴(yán)重隱患。目前國內(nèi)核島主設(shè)備用A5083鋼焊材市場基本被日本KOBELCO、德國Thssen等公司的進口焊材所占據(jù)，雖然國內(nèi)已有部分焊材制造企業(yè)的一些產(chǎn)品應(yīng)用于核電工程，但其大部分用于常規(guī)島，少部分產(chǎn)品用于核二、三級設(shè)備的制造。對于核一級設(shè)備的制造，國產(chǎn)焊材一直被拒之門外＼[9＼]。國產(chǎn)焊接材料尚不能為我國核一級設(shè)備制造提供強力支撐。為此國內(nèi)迫切需要焊材制造企業(yè)來開展相關(guān)焊接材料的研制，來滿足目前相關(guān)制造企業(yè)的需求。

近些年，哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司一直致力于各類特種焊接材料的研究開發(fā)以及市場應(yīng)用。該公司與國內(nèi)某知名核設(shè)備制造企業(yè)合作，自主開展了SA508Gr.3Cl.2鋼主焊縫用配套埋弧焊焊材的研制相關(guān)工作，并研制出了其配套焊接材料。試驗結(jié)果表明，研制的埋弧焊焊接材料，具有良好的焊接工藝性能，電弧穩(wěn)定性好，焊道成形美觀，脫渣容易，且各項力學(xué)性能均滿足核一級產(chǎn)品要求。并且該套焊材已經(jīng)成功應(yīng)用到了核一級產(chǎn)品蒸汽發(fā)生器上，產(chǎn)品服役狀況良好。此套焊材的成功研制，打破了國外同類產(chǎn)品長期壟斷的局面，實現(xiàn)了核一級設(shè)備用SA508Gr.3Cl.2鋼主焊縫焊接材料的國產(chǎn)化，并且解決了國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品制造企業(yè)的燃眉之急。

1技術(shù)要求與試驗方法

1.1技術(shù)要求

SA508Gr.3Cl.2鋼配套焊接材料，要求對焊絲及熔敷金屬的S，P等有害元素含量進行了嚴(yán)格控制，其化學(xué)成分要求見表1。且有研究表明＼[10＼]，A5083鋼在熱處理608℃×24h時，熔敷金屬具有良好的綜合力學(xué)性能。熔敷金屬力學(xué)性能要求見表2。落錘試驗要求：TNDT≤-10℃，結(jié)果不斷裂。彎曲試驗：取2個側(cè)彎試樣，彎曲直徑：D=4T，彎曲角度：180°，彎曲后拉伸面上不允許出現(xiàn)任何明顯的開裂，單個裂紋、表面氣孔和夾渣的長度均不應(yīng)大于3mm。熔敷金屬擴散氫含量不大于4mL/100g（水銀法）。

1.2試驗方法

焊接試驗方法，采用埋弧自動焊多層多道進行，焊接設(shè)備為交直流兩用電焊機（MillerSummitArc1250）。母材為SA508Gr.3Cl.2鋼板，試板尺寸為600mm×300mm×30mm。對接坡口形式如圖1所示，焊接工藝參數(shù)見表3。

按照GB/T223《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》進行化學(xué)分析。室溫拉伸試驗按GB/T2652—2018《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》進行，高溫拉伸試驗按GB/T228.2—2015《金屬材料拉神試驗第2部分：高溫拉伸試驗》進行，試樣尺寸為10mm。沖擊試驗按GB/T2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》進行。彎曲試驗按GB/T2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》進行。落錘試驗按NB/T20004—2014《核電廠核島機械設(shè)備材料理化檢驗方法》進行，試樣采用P3型進行試驗。熔敷金屬擴散氫含量測定按GB/T3965—2012《熔敷金屬擴散氫測定方法》的規(guī)定進行。

2焊接材料的研制

2.1焊劑的研制

由于是核一級設(shè)備用焊材，因此需嚴(yán)格控制焊縫金屬中硫、磷等有害元素的含量。因此，在焊劑研制的過程中，必須選用純凈度較高的原料;在焊劑生產(chǎn)的過程中，必須嚴(yán)格控制生產(chǎn)工序，盡量減少進入有害元素。與此同時焊劑需要具有優(yōu)良的脫渣性，焊縫攤開性和良好的成形。焊劑在冶金反應(yīng)時，形成氧化性弱的堿性渣或中性渣，以減少合金元素的燒損，并保證焊縫金屬具有較高的塑性和韌性。

焊劑的渣系一般有硅鈣型、硅錳型、鋁鈦型、高鋁型和氟堿型等。其中，硅鈣型、硅錳型和鋁鈦型渣系焊劑中含有大量的酸性氧化物，故被稱之為酸性焊劑，其特點是：工藝性能較好，但熔敷金屬的低溫韌性比較差;高鋁型渣系焊劑又被稱之為中性焊劑，其提高焊縫金屬低溫沖擊韌性的潛力也不大;而氟堿型渣系焊劑由于其含有大量的堿性氧化物，故被稱之為堿性焊劑，其特點是：焊劑具有較高的堿度，其堿性氧化物可以與熔敷金屬中的雜質(zhì)元素產(chǎn)生反應(yīng)，從而減少雜質(zhì)元素的含量，提高其低溫沖擊韌性。與此同時還能降低焊縫金屬中的擴散氫含量，從而降低焊縫出現(xiàn)冷裂紋的傾向。因此，選擇CaF2CaOMgOMnOSiO2氟堿型渣系作為所研制焊劑的渣系。

渣系確定之后，就是對焊劑組分的優(yōu)化及調(diào)整了。首先將焊劑的組分在一個比較大的范圍內(nèi)進行調(diào)整，找出各個組分之間的相互影響規(guī)律，確定焊劑小樣的組分范圍。之后對現(xiàn)有的焊劑小樣進行對比優(yōu)化，最終選出一個優(yōu)化后的焊劑組分。最后通過選擇高純凈度原材料按焊劑配方進行高溫?zé)Y(jié)生產(chǎn)，研制出了高純凈度高堿度低氫型燒結(jié)焊劑。將其牌號定為SJ16HR，其堿度約為2.4，為圓形顆粒狀，粒度為0.28～2.0mm。其組分范圍見表4。

2.2焊絲的研制

核電站核島承壓設(shè)備一般由MnMoNi系低合金鋼鍛件或鋼板焊接而成。它工作在高溫、高壓環(huán)境中，而且其工作年限較長。設(shè)計容器主焊縫埋弧焊焊絲成分時要考慮主焊縫的無塑性轉(zhuǎn)變溫度、輻照敏感性、低周疲勞性能以及斷裂韌性等。此外對研制的焊絲主要要求如下：①焊絲的雜質(zhì)元素嚴(yán)格控制，即焊絲的純凈度要求非常高;②熔敷金屬的強韌性匹配良好。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)以上要求，使得熔敷金屬能夠具有高純度，且同時具有高強度和高韌性的組織性能。提出試驗焊絲的研制思路如下①使用真空冶煉爐進行焊絲冶煉，使得焊絲中的硫磷等雜質(zhì)元素盡量減少，且由于避免了與空氣直接接觸，減少了焊絲中的氧氮元素含量，為獲取高純凈度的熔敷金屬提供必要保障;②考慮通過添加一定量的微合金元素來細(xì)化晶粒，以此來改善熔敷金屬組織，以達(dá)到同時提高強度和韌性的目的。

經(jīng)過大量的試驗，進行了化學(xué)成分優(yōu)化設(shè)計、冶煉試制、熔敷金屬力學(xué)性能試驗驗證，最終確定并冶煉了高純埋弧焊焊絲成品。將其牌號定為H09MnNiMoHR，主要成分見表5。

3試驗結(jié)果及分析

3.1焊絲、焊劑及熔敷金屬成分及焊接工藝性

焊絲H09MnNiMoHR，規(guī)格4.0mm，其化學(xué)成分見表5。焊劑SJ16HR，其S含量為0.018%，P含量為0.020%。熔敷金屬的化學(xué)成分見表6。

圖2為H09MnNiMoHR/SJ16HR焊接試驗時的焊接工藝性現(xiàn)場照片。焊接工藝性能良好，在焊接過程中電弧穩(wěn)定性好，焊道成形美觀，脫渣容易，焊縫表面無粘渣、氣孔、壓坑等缺陷。

3.2熔敷金屬力學(xué)性能

H09MnNiMoHR/SJ16HR進行熱處理608℃×24h后的熔敷金屬力學(xué)性能檢驗結(jié)果見表7。其他試驗：側(cè)彎結(jié)果合格，表面無開裂，結(jié)果如圖3所示;落錘試驗滿足TNDT≤-10℃，-10℃落錘試驗試樣未斷裂，如圖4所示。結(jié)果表明，熔敷金屬的常溫拉伸和350℃拉伸性能、熔敷金屬沖擊韌性、側(cè)向膨脹量及落錘試驗均滿足項目技術(shù)要求，并且富有充足的余量。

3.3熔敷金屬擴散氫

熔敷金屬擴散氫含量測定按GB/T3965—2012《熔敷金屬擴散氫測定方法》的規(guī)定進行，其結(jié)果見表8。結(jié)果表明，熔敷金屬擴散氫含量平均為3.0mL/100g（水銀法），滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4金相顯微組織

熔敷金屬顯微組織如圖5所示。熔敷金屬未見微觀裂紋和其他微觀缺陷，焊縫金相組織為少量先共析鐵素體+針狀鐵素體+回火貝氏體，未見淬硬組織。

綜上所述，研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR，按照技術(shù)要求完成了產(chǎn)品化學(xué)成分、產(chǎn)品力學(xué)性能（常溫拉伸、高溫拉伸、沖擊、彎曲、落錘）、熔敷金屬擴散氫及金相顯微組織檢驗等試驗，所有試驗結(jié)果均滿足核一級設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，并且富有充足的余量。

4應(yīng)用情況

新研制的埋弧焊焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR已經(jīng)通過了該核一級設(shè)備焊材研制評審會，并且在國內(nèi)某企業(yè)進行了第三方性能評估試驗，結(jié)果均滿足要求。目前該產(chǎn)品已被應(yīng)用到國內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的核電一級設(shè)備蒸汽發(fā)生器上，產(chǎn)品穩(wěn)定且服役狀況良好，得到了用戶的好評。

5結(jié)論

（1）研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR焊接工藝性能良好，在焊接過程中電弧穩(wěn)定性好，焊道成形美觀，脫渣容易，焊縫表面無粘渣、氣孔、壓坑等缺陷。

（2）研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR具有優(yōu)良的力學(xué)性能，滿足SA508Gr.3Cl.2鋼核一級設(shè)備焊材采購要求，并且富有充足的余量。

（3）研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR已在國內(nèi)SA508Gr.3Cl.2鋼核一級設(shè)備的生產(chǎn)制造上進行了成功應(yīng)用。參考文獻

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收稿日期：2021-10-07

胡曉波簡介：碩士，高級工程師;主要從事絲極埋弧焊焊接材料及焊接工藝的研究;已發(fā)表論文10余篇;5038359@qq.com。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃重點專項（2017YFB0305303）