壓水堆核電站主管道焊縫理化性能分析

馬力川 李予衛 張雯 謝靜

摘 要：壓水堆核電站主管道是低碳奧氏體不銹鋼大厚壁管道，在核電機組運行期間，承載著高溫、高壓、高放射性的冷卻劑。目前，在國內主管道的焊接過程中，主要存在兩種焊接工藝：鎢極氬弧焊+焊條電弧焊（TIG+SMAW）和窄間隙自動焊（TOCE）。該文根據RCC-M焊接工藝評定和產品焊接見證件破壞性試驗的相關規定，對比分析了上述兩種焊接工藝下焊縫的理化性能。通過對比分析，發現窄間隙自動焊焊縫的理化性能與鎢極氬弧焊+焊條電弧焊相比得到較大提升。

關鍵詞：主管道 焊縫 理化性能

中圖分類號：TG404 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-00-02

2007年10月，國務院發改委發布的《國家核電中長期發展規劃》指出，到2020年，我國的核電運行裝機容量應爭取達到4000萬kW，在建核電容量應保持在1800萬kW。時至今日，我國已開工建設的核電機組數量達到了27臺，在建機組數量居全世界第一。這意味著，我國核電建設工程已面臨大量的安裝任務。

目前，在我國核電建設過程中，主管道焊接主要采用以下兩種工藝：鎢極氬弧焊+焊條電弧焊（下簡稱TIG+SMAW）和窄間隙自動焊（下簡稱TOCE）。TIG+SMAW具有設備簡單、價格便宜、適應性強的特點；但隨著核電建設規模的不斷擴大，主管道焊接工程量的不斷增加，TIG+SMAW焊接效率低、勞動強度大、對焊工技能要求高的缺點已突顯出來。

為適應核電建設規模不斷擴大這一趨勢，解決核電機組批量化建造過程中TIG+SMAW暴露出來的缺點，中廣核工程有限公司研發出了一套適用于CPR1000壓水堆核電站主管道焊接的TOCE技術，并在寧德核電1#機組采用該技術成功實施了國內首次主管道自動焊。比較兩種焊接工藝下焊縫的理化性能，有助于提高對主管道自動焊工藝性能的認識，有利于主管道自動焊工藝的推廣。

1 主管道焊接工藝概述

TIG+SMAW是一種組合焊接工藝：在根部焊道焊接時，采用直流正接鎢極氬弧焊（TIG）進行打底；進入填充焊道后，采用焊條電弧焊（SMAW）進行填充。在主管道根部焊道焊接時，由于坡口鈍邊很?。?.5±0.1 mm），采用TIG，可以確保鈍邊不被熔穿而產生缺陷。當TIG打底至一定厚度后，便進入填充焊道，此時采用SMAW，可以顯著提高生產效率。由于SMAW有藥皮保護，焊條一般較粗（Φ3.2 mm和Φ4.0 mm），因而焊縫坡口設計的比較寬大，熔敷金屬填充亦較多。

TOCE是一種在主管道焊接全程采用直流脈沖鎢極氬弧焊的焊接工藝。由于在焊接全程都有惰性氣體保護（氦氬混合氣體），能夠有效隔絕熔池周圍空氣，加之自動焊焊絲本身不通過電流，避免了焊接過程中的飛濺產生，因此，采用該工藝焊接，可以得到優質的焊縫。焊機電源采用直流脈沖的供電方式，方便對焊接參數進行調節，產生的電弧穩定且能量集中。所用焊絲省去了藥皮，一般較細（Φ0.8 mm和Φ1.0 mm），因而焊縫坡口設計的比較窄，熔敷金屬填充量大為下降。

2 主管道焊縫試驗性能對比分析

焊接工藝是否可靠，焊縫質量是否優異，最終要靠試驗做出評判。根據RCC-M S3300（奧氏體或奧氏體-鐵素體不銹鋼的對接焊工藝評定）的規定，破壞性試驗應包括力學性能試驗、化學性能分析、δ鐵素體含量的測定、金相試驗、熔敷金屬晶間腐蝕試驗；同樣根據RCC-M S7800（產品焊縫的破壞性試驗：產品焊接見證件）的規定，破壞性試驗應包括力學性能試驗、化學性能分析、金相試驗。通過分析對比TIG+SMAW和TOCE焊縫的理化試驗數據，可對兩種焊接工藝的性能有更為直觀、清晰的認識。

2.1 焊縫熔敷金屬化學成分分析

主管道焊縫熔敷金屬所含化學元素、成分多種多樣，主要包括了碳（C）、硫（S）、磷（P）、錳（Mn）、鎳（Ni）、鉻（Cr）、鐵素體等多種元素和成分。通過分析其中典型元素的含量，比較二者的異同，我們能夠分析出兩種焊接工藝下主管道焊縫的部分物理化學性質。

（1）硫（S）元素。硫元素是熔敷金屬中的有害雜質，與鐵化合成FeS，FeS又與Fe形成低熔點的共晶體，分布在奧氏體的晶界上。在焊接過程中，如果硫元素控制不當，極易使焊縫強度降低，產生高溫裂紋。與TIG+SMAW相比，TOCE對硫元素有著更為嚴格的要求，不得高于0.015%；從試驗結果來看，二者的硫含量相同，都為0.012%，可見二者的含硫量都比較低，說明TOCE與TIG+SMAW具備相當的抗高溫裂紋的能力。

（2）磷（P）元素。磷元素是熔敷金屬中的有害雜質，易使熔敷金屬的偏析傾向加重，如果磷元素控制不當，會在組織中析出脆性很大的化合物FeP，而使鋼的脆性增加，特別是在低溫時，極易產生裂紋。TIG+SMAW熔敷金屬的磷含量是0.014%，TOCE熔敷金屬的磷含量是0.015%，僅僅提高了十萬分之一，變化十分輕微，這一結果說明：TOCE與TIG+SMAW具備相當的抗低溫裂紋的能力。

（3）錳（Mn）元素。熔敷金屬中存在適量的錳元素，可以提高焊縫的物理化學性能。錳與硫化合成MnS，能減輕硫的有害作用。錳能大量溶解于鐵素體當中，使鐵素體強化，提高焊縫的硬度和強度。試驗結果表明，TOCE的錳含量較TIG+SMAW有所提高，且在含量允許的范圍內，對于提高焊縫性能是十分有益的。

（4）鐵素體。熔敷金屬中鐵素體的存在，可以使焊縫具備較高的韌性。但焊縫中鐵素體含量過高，會使焊縫的強度下降，這對焊縫是不利的。因此，在焊縫中，鐵素體的含量一定要恰當。對于主管道焊縫而言，12%的鐵素體含量可以使整個焊縫的性能達到最佳。TOCE熔敷金屬鐵素體的含量為11.7%，十分接近12%這一比例，可見焊縫同時具備了良好的韌性和強度。

綜上所述，TOCE的熔敷金屬在TIG+SMAW的基礎上進行了深度的優化，并且精確控制了多種元素的含量，焊縫的強度、塑性、韌性得到均衡控制，整體性能較為優異。

2.2 焊縫的強度分析

強度反映了材料抵抗變形和斷裂的能力，在力學性能試驗中，我們最為關心的是屈服強度和抗拉強度。材料產生屈服現象時的應力稱為屈服強度，它反映了材料從彈性到塑性的轉變。材料在拉伸斷裂前所能承受的最大拉應力稱為抗拉強度，它反映了材料抵抗拉伸斷裂的能力。主管道焊縫的強度試驗主要包括三項內容：常溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗、橫向菱形拉伸試驗。

在常溫拉伸試驗下（沿焊縫周向取樣），TIG+SMAW焊縫的屈服強度和抗拉強度分別為500 MPa和675 MPa，TOCE焊縫的屈服強度和抗拉強度分別為491.5 MPa和629.5 MPa。與TIG+SMAW相比，TOCE的屈服強度和抗拉強度都有所降低，這是因為后者焊縫中的鐵素體含量明顯增加（提高2.2個百分點），焊縫的塑性和韌性得到加強，而在強度方面有所妥協。為了實現焊縫的強度、韌性、塑性的整體最優，TOCE工藝在充分保證焊縫的安全和質量的前提下，適當降低了焊縫強度。以高溫拉伸試驗為例，該實驗是在350 ℃的情況下完成的，高于壓水堆工作期間冷卻劑的最高溫度327 ℃。此時TIG+SMAW焊縫的屈服強度和抗拉強度分別為435 MPa和525 MPa，TOCE焊縫的屈服強度和抗拉強度分別為384.5 MPa和462.5 MPa。與TIG+SMAW相比，TOCE的強度下降了50 MPa左右，但此時冷卻劑的工作壓力只有15.5 MPa，根據可靠性設計原則：

S = ；

式中，S — 安全系數；

— 材料的屈服極限；

[] — 工作壓力15.5 MPa；

由此，我們可以計算出TIG+SMAW和TOCE的安全系數，分別為28和24.8，根據可靠性設計原則，10以上的安全系數已經能夠保證設備十分安全可靠的運行，主管道焊縫的安全系數達到了20以上，所以是安全的。實際上，主管道焊縫用來連接管段和設備，橫向菱形拉伸試驗正是用以驗證這種連接的效果。從表4我們發現，在該項試驗中，TOCE的抗拉強度為595 MPa，甚至還要高于TIG+SMAW的575.6 MPa，由此可見，TOCE焊縫的強度還是十分可靠的。

2.3 焊縫的塑性分析

材料在外力作用下產生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。一般用伸長率δ和斷面收縮率ψ表示：

δ=×100%

ψ=×100%

式中，—試棒的原始標記長度（mm）；

—試棒拉斷后的標距長度（mm）；

—試棒原始截面面積（mm2）；

—試棒斷口處截面面積（mm2）；

主管道焊縫分別在常溫條件下和高溫條件下進行了塑性試驗，測試了伸長率和斷面收縮率，詳見下表。

由于熔敷金屬中鐵素體的含量大為增加，使得焊縫的塑性大為改善。在常溫條件下，TOCE焊縫的伸長率和斷面收縮率分別為37%和62.7%，數值較TIG+SMAW大為增加；在高溫條件下，TOCE焊縫的伸長率和斷面收縮率比TIG+SMAW高出1倍還多。焊縫塑性的增加，反映了焊縫在超載情況下抗斷裂能力的提高，這對于提高主管道焊縫的安全系數，防止事故狀態下冷卻劑泄漏（LOCA），具有極其重大的意義。綜上所述，與TIG+SMAW相比，TOCE焊縫的理化性能有極大提升，焊接工藝具備顯著的安全性和可靠性。

3 結語

隨著核電建設規模的不斷擴大，主管道窄間隙自動焊技術被逐漸推廣到各個核電建設現場。與焊條電弧焊相比，窄間隙自動焊在焊接安全性和可靠性、焊縫理化性能、焊接經濟性和全壽命性等方面具備顯著優勢。正因為此，窄間隙自動焊工藝正逐步取代傳統的焊條電弧焊工藝，成為核電建設中主管道焊接的“主力軍”。