AP1000反應堆冷卻劑系統奧氏體不銹鋼金屬焊接材料的選擇

摘 要：選擇適用于反應堆冷卻劑系統焊接材料是整個焊接工作中最重要的工作之一，技術人員通過化學成分優化、力學性能匹配、及其附加試驗要求等一系列工作，最終確定焊接材料ER308L、ER309L、ER316L選用要求，以保障選擇的焊接材料使用在反應堆冷卻劑系統管道焊接工作中的可靠性、安全性，確保核電站反應堆冷卻系統的安全有效地運行。

關鍵詞：反應堆冷卻劑系統（RCS）；焊接材料；化學成分；力學性能

引言

在AP1000核電堆型中，反應堆冷卻劑系統（RCS）是核電站中最為關鍵的管道系統，設計方采用的管道材質為ASME SA312 GR TP304L、ASME SA182 F TP304LN、ASME SA312 GR TP316LN金屬材料。按照ASME 第二卷C篇《焊條、焊絲及填充金屬》（1998+2000a）及依托化項目相關技術規格書要求，并針對核電站管道系統的特殊性，確定焊接材料的化學成分、力學性能、鐵素體含量，不銹鋼敏化試驗要求。

1 焊接材料選擇

1.1 焊接材料化學成分選擇

奧氏體不銹鋼焊接材料應在ASME第二卷焊接金屬分析A-8中308、308L、309、316和316L類型選擇，低碳奧氏體不銹鋼金屬需選擇低碳級別的不銹鋼填充金屬308L、316L。與反應堆冷卻劑系統 （RCS）相關的低碳奧氏體不銹鋼管道安裝和焊縫修補的焊接材料應滿足ASME第III卷NB分卷要求，按照設計要求選擇適用于GTAW的焊絲 ER308L、ER316L。

適用焊接材料在ASME第二卷中化學成分的基礎上按照ASME第III卷NB分卷NB-2432.2要求相應的增加Cb+Ta、V、Ti、Co五種化學元素，化學成分含量的控制以316L要求的化學成分為基準。Cb+Ta、V、Ti、均為有益元素，適當的添加可細化組織晶粒，提高強度、韌性、淬透性、可防止晶間腐蝕現象[1]；考慮到反應堆冷卻劑系統（RCS）有直接受反應堆輻照的焊縫，所以必須將Co元素應該被嚴格控制一定范圍，與反應堆冷卻水接觸的焊接填充金屬最大Co含量應為0.20%或更少。焊縫修補，如果與反應堆冷卻水接觸的焊縫表面區域比較大時，焊接材料的最大Co含量應為0.10%或更小。類似的要求在法國RCCM標準S-2511中也有相關描述。同時還要求控制S元素的含量至0.010以下，目前低硫填充金屬材料已經證明能緩硫致焊接的熱裂紋或微裂紋問題。

AP1000核電堆型反應堆冷卻水劑系統管道焊接全部采用GTAW焊接工藝，選配的焊接材料化學成分與ASME標準第II卷中的參數對比情況，詳見表格1～2。

1.2 焊接材料力學性能選擇

反應堆冷卻劑系統管道焊接全部采用GTAW焊接工藝，對應的ER308L、ER309L、ER316L在ASME標準第二卷C篇中僅規定了分類，力學性能是在附錄A中已推薦方式提供，為焊接材料和產品母材力學性能有效結合起來提供了依據。反應堆冷卻劑系統管道母材的抗拉強度540MPa，屈服強度275MPa，伸縮率 60%。根據等強匹配原則，反應堆冷卻劑系統焊接材料力學性能按照表格4中的參數制定為抗拉強度550MPa，屈服強度310MPa，伸縮率 30%。

力學性能參數對比詳見表格3～4。

1.3 鐵素體含量選擇

奧氏體不銹鋼焊縫金屬應根據ASME第III卷，NX-2430進行試驗。“開始”的焊接材料的未稀釋的焊縫溶敷金屬必須含有至少5FN（鐵素體數）。與GTAW使用的焊接材料的δ鐵素體可以從填充金屬本身獲得（僅僅使用化學分析方法就可以）。對于有低鉬含量308L的焊材來講，允許的δ鐵素體范圍應為5FN到20FN。對于有高鉬含量的焊材316/316L，允許的δ鐵素體范圍應為5FN到16FN。詳見表格5。

1.4 敏化試驗

所有涉及AP1000核電堆型反應堆冷卻水劑系統奧氏體不銹鋼焊接的焊接材料必須符合USA核管會的RG1.44《敏化不銹鋼使用的控制》管理導則，所以要求焊材供應商或者核電產品制造單位者證明在GTAW工藝下最大熱輸入量和最大碳含量符合RG1.44敏化不銹鋼使用的控制的相關要求。

2 焊接材料應用結論

反應堆冷卻劑系統使用的焊接材料ER308L、ER316L在遵循以上化學成分、力學性能、鐵素體含量、敏化試驗的基礎上，通過三門核電一期工程，海陽核電一期工程設備模塊產品（Q601）和反應堆一體化頂蓋現場組裝移交（IHPFA）最終證明反應堆冷卻劑系統奧氏體不銹鋼材質的管道焊縫產品質量符合ASME第三卷NB分卷和設計方相關技術規格書驗收要求。本系統使用的焊接材料是在ASME 1998+2000a為執行標準和依托化項目相關技術規格書的要求下選擇。因此，僅適用于AP1000核電堆型依托化項目。后續核電項目及CAP1400項目適用標準版本不同時，需要具有ASME認證資質的單位按照NCA-1140（e）的要求完成相關工作，并根據具體產品完成相關論證方可展開工作。

參考文獻

[1]于宗森.鋼的成分、殘留元素及性能的定量關系[M].北京：冶金工業出版社，2001：259-264.

[2]催忠圻.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業出版社，2005：323-331.

作者簡介：孫靈飛（1981-），山東核電設備制造有限公司技術中心焊接工程師，哈爾濱工業大學在讀工程碩士，研究方向：核電焊接技術。