核電站鋼制安全殼SA-738 Gr.B的焊接工藝

唐 識，張俊寶，朱躍德，李漢勝

（1.國核示范電站有限責任公司，山東榮成264312；2.上海核工程研究設計院，上海200233；3.山東核電設備制造有限公司，山東海陽265100）

核電站鋼制安全殼SA-738 Gr.B的焊接工藝

唐 識1，張俊寶2，朱躍德3，李漢勝1

（1.國核示范電站有限責任公司，山東榮成264312；2.上海核工程研究設計院，上海200233；3.山東核電設備制造有限公司，山東海陽265100）

介紹了SA-738 Gr.B焊接工藝研究所用的工藝評定標準和焊接工藝方法以及焊接材料選擇等，然后介紹了工藝試驗的目的、試驗難點、試樣制備及方法，最后分析了SA-738 Gr.B鋼的橫焊位置的工藝評定試驗結果。結果表明，施工單位擬定的焊接工藝參數能夠焊接出符合要求的焊接接頭，擬定的焊接工藝正確可行。

核電站；鋼制安全殼；SA-738 Gr.B鋼；焊接工藝；焊接工藝評定

0 前言

核電站安全的基本目標是確保公眾和廠區工作人員在所有運行和事故工況下受到的輻射照射保持在規定限值內。為了實現這一基本目標，保證安全性，核電站設計必須滿足下列安全要求：提供手段以確保在所有運行工況下，在事故工況期間及之后能實現核電站安全停堆并維持安全停堆狀態、從堆芯排除余熱；提供手段以減少可能的放射性物質釋放，確保在運行工況期間和之后的任何釋放不超過規定的限值，同時，確保在事故工況期間及之后的任何釋放不超過可接受的限值。為此，核電站設計中設置了三道反應堆安全屏障。鋼制安全殼是阻止放射性物質向環境逸散的最后一道屏障，鋼制安全殼的質量將直接影響到核電站的核安全，焊接是鋼制安全殼制造的重要加工工藝方法，焊接質量的好壞將直接影響到鋼制安全殼的質量，焊接工藝評定是確保鋼制安全殼焊接質量的前提。

1 試驗標準、工藝和材料

1.1 標準選擇

要驗證施工單位擬定的焊接工藝的正確性，評價施工單位能否焊接出符合標準要求的焊接接頭，首先需要明確的是焊接工藝評定試驗的標準。在焊接工藝評定標準確定的情況下，施工單位應選擇合適的焊接方法焊接工藝評定試件并進行各項性能試驗，最后根據工藝評定試驗結果評定所擬的焊接工藝的可行性。

我國實行的焊接工藝評定標準由于各行業特點不同，出現了焊接工藝評定不統一的情況，我國民用核安全機械設備制造中比較常用的焊接工藝評定標準主要有法國的《壓水堆核島機械設備設計建造規則》（RCC-M S卷）、美國的ASME鍋爐及壓力容器規范國際性規范《焊接和釬焊評定》（AMSEIX）標準以及核工業第二研究設計院早期負責起草的《壓水堆核電廠核島機械設備焊接規范》（EJ/ T1027-1996），目前該標準已被《壓水堆核電廠核島機械設備焊接規范》（NB/T20002.3-2013）替代，從2013年10月1日起實施。

本研究中焊接工藝評定的依據是美國的ASME鍋爐及壓力容器規范國際性規范《焊接和釬焊評定》（AMSE-Ⅸ）標準。

1.2 焊接工藝

核電站鋼制安全殼屬于民用核安全機械設備，質保等級為QA1級，所有鋼制安全殼的焊縫均為一級焊縫，鋼制安全殼焊接具有施工量大、施工周期長、現場焊接可達性差等特點。

因此，鋼制安全殼的焊接工藝的選擇主要考慮焊接接頭質量、型式和焊接方法的可達性以及焊接效率等因素，因此，核電站鋼制安全殼現場拼裝常采用焊條電弧焊工藝或熔化極氣體保護焊工藝，工廠預制采用埋弧焊工藝，在此介紹SA-738 Gr.B鋼焊條電弧焊接工藝研究。

1.3 評定試驗材料

1.3.1 評定試板

某核電工程鋼制安全殼的母材主體材質為SA-738 Gr.B鋼，厚度43～55 mm，SA-738 Gr.B鋼的化學成分和力學性能見表1、表2。工藝試驗研究選用的試板與工程所用的母材材質一致，在進行工藝研究前，應按照材料采購技術條件進行入廠驗收和復驗。

工藝研究所用試件的長度應滿足評定試樣的取樣要求（需要考慮包括不合格時復驗時的取樣），試件尺寸900 mm×400 mm×52 mm。

表1 SA-738 Gr.B鋼板化學成分％

表2 SA-738 Gr.B鋼板力學性能

1.3.2 焊接材料

在母材和焊接方法確定的情況下，鋼制安全殼焊接材料選擇主要考慮鋼制安全殼結構的重要性和使用環境對材料的性能和化學成分的要求。因此，本次焊接工藝研究所用焊接材料與鋼制安全殼SA-738 Gr.B鋼匹配的焊接材料，其牌號為E9018-G-H4，規格φ4.0，該材料的化學成分和力學性能見表3、表4。

表3 E9018-G-H4焊條化學成分％

表4 E9018-G-H4焊條力學性能

在進行焊接工藝研究前，應驗收和復驗使用的E9018-G-H4焊條，其焊條驗收和復驗的內容和結果必須符合E9018-G-H4焊條采購技術文件的要求。

2 試驗目的及難點

2.1 試驗目的

焊接工藝評定是確保鋼制安全殼焊接質量的重要前提，目的是驗證施焊單位擬訂的焊接工藝是否正確以及評價施工單位是否具有焊出符合標準要求的接頭的能力。焊接工藝評定是采用擬定的焊接工藝規范和根據確定的焊接工藝評定標準焊接試件，并按其工藝評定標準的規定對焊接試件取樣加工以及對試樣進行各項要求的性能試驗并根據結果評定焊接接頭是否具備所要求性能的過程。

本工藝研究的試驗目的就是通過焊條電弧立焊（3G）位置的焊接工藝評定試驗結果來驗證所擬定的焊接工藝是否正確，掌握SA738 Gr.B焊接工藝。

2.2 試驗難點

根據ASME標準材料分組可知，SA738 Gr.B屬于P-NO.1組，其最小抗拉強度為585MPa，屬于低合金高強鋼，焊接性能較好，但由于該種鋼存在Cr、Mo等元素，焊接過程中如果焊接工藝不恰當，焊接接頭熱影響區存在脆化、熱應變脆化及產生焊接裂紋的危險。因此，在焊接過程中必須對試板進行焊前預熱處理，預熱溫度約100℃，防止產生裂紋[1]。

3 試樣制備及試驗方法

3.1 評定試件的制備

3.1.1 試件組對、焊接

試件的制備應嚴格按照焊接工藝規程（焊接工藝指導書）的要求進行，評定試件采用X型坡口對接接頭型式，其坡口組對和焊道分布如圖1所示。

圖1 3G焊接位置坡口組對及焊道分布

為了焊接防止工藝評定試件焊接變形，組對前焊工（要求按照HAF603考核取證）對試件進行1° ～2°的反變形，并對工藝評定試件進行點焊固定。工藝評定試板尺寸為900 mm×200 mm×52 mm，焊條規格為φ3.2和φ4.0，焊前在350℃烘干2 h，組對完成。焊接前應對試板進行預熱，預熱溫度90℃～100℃，焊接過程中，層間溫度為190℃～200℃，焊接工藝參數如表5所示。

表5 立焊（3G）焊條電弧焊工藝參數

3.1.2 試件熱處理

ASME規范第Ⅲ卷NE分卷的規定：鋼制安全殼（SA-738 Gr.B鋼）焊后不進行熱處理的允許最大壁厚為44.5 mm。本次工藝試驗的試件厚度為52 mm，所以試件焊接完成后應對其進行焊后熱處理試驗，試件熱處理采用爐內整體熱處理工藝，熱處理溫度595℃～620℃，保溫時間按照ASME B&PV規范第Ⅲ卷表NE-4622.1-1的要求為1 h/25 mm，加熱和冷卻速率符合ASME B&PV規范第Ⅲ卷NE-4623的要求[2]，熱處理的保溫時間為2.5 h，試板焊后要求熱處理工藝曲線和實際熱處理曲線如圖2所示。

圖2 試板焊后熱處理工藝溫度曲線

3.1.3 試件無損檢測

試件熱處理完成48 h后，需要由符合HAF602規定的無損檢測人員對工藝評定試板進行無損檢測，其無損檢測項目為目視檢驗（VT）、液體滲透檢驗（PT）和射線檢驗（RT），試板焊縫應滿足JB4730一級焊縫要求。通過對3G位置的試件進行檢測，其結果如表6所示，符合一級焊縫的要求。

3.2 試樣取樣

按照美國的ASME鍋爐及壓力容器規范國際

性規范《焊接和釬焊評定》（AMSE-IX）標準對焊接工藝試驗評定項目要求，在試板無損檢測合格后進行破壞性試驗，包括焊接接頭拉伸試驗（常溫和150℃高溫）、彎曲（側彎）試驗、焊縫和熱影響區沖擊試驗（-29℃和-45℃）、熔敷金屬化學分析試驗、金相試驗（宏觀和微觀），要求從事力學試驗人員均具備相關資質[2]。在工藝試板無損檢測合格后，試件加工人員應按照試樣取樣圖（詳見圖3）進行試樣加工，加工完成的試樣必須驗收合格后方可進行理化試驗，試件取樣應避開焊接缺陷處。

表6 焊接工藝試驗試板無損檢測結果

圖3 3G位置工藝試驗試樣取樣位置

3.3 試驗方法

3.3.1 力學性能試樣的制備及其試驗方法

（1）拉伸試驗

焊接接頭拉伸試樣切取和試驗尺寸按照《焊接接頭拉伸試驗方法》（GB/T2651-2008）要求進行；焊接接頭拉伸試驗按照國家標準《焊接接頭拉伸試驗方法》（GB/T2651-2008）和金屬材料高溫拉伸試驗方法GB/T 4338-2006進行，為了保證試驗數據的準確性，常溫焊接接頭拉伸試樣的數量為4個（分層取），常溫接頭拉伸取樣和試樣加工圖如圖4所示；高溫接頭拉伸試樣為2個，高溫焊接接頭拉伸取樣和試樣加工圖如圖5所示。

圖4 焊接接頭常溫拉伸取樣和試樣加工

（2）彎曲試驗

彎曲試驗采用橫向側彎，彎曲試樣的切取和試樣尺寸按照《焊接接頭彎曲試驗方法》（GB/T2653-2008）進行；焊接接頭彎曲按照國家標準《焊接接頭彎曲試驗方法》（GB/T2653-2008）進行試驗，側彎試樣加工圖如圖6所示。

（3）沖擊試驗

沖擊試驗分為焊縫沖擊和熱影響區沖擊，沖擊試樣采用V型缺口，焊縫取樣位置為焊縫厚度中心和焊縫中心3/4T（板厚），取樣位置示意如圖7所示；熱影響區沖擊試樣為一組，試樣取樣位置為試件厚度1/4T（板厚），其試樣的取樣位置示意如圖8

所示；沖擊試樣按《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》（GB/T229-2007）加工，其尺寸及形狀如圖9所示。沖擊試驗按照國家標準《焊接接頭沖擊試驗方法》（GT/T2650-2008）要求進行。

圖5 焊接接頭高溫拉伸試樣

圖6 側彎試樣

圖7 焊縫區沖擊試樣取樣位置示意

圖8 熱影響區沖擊試樣取樣位置示意

圖9 沖擊試樣加工示意圖

3.3 .2金相檢驗

在焊縫整個橫截面上進行宏觀金相檢驗（10×）和微觀金相檢驗（200×），試樣切割的尺寸以包含焊縫和母材為宜，金相試樣加工如圖10所示。

圖10 金相及化學分析加工試樣

宏觀金相試樣經打磨拋光后，按照國家標準《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕試驗方法》（GB/T226-1991）要求，采用侵蝕液濃度為10∶100的硝酸-酒精溶液腐蝕劑腐蝕焊接接頭后，采用10倍放大鏡檢查焊接接頭是否存在裂紋、未焊透和未熔合以及超過射線檢驗標準的氣孔和夾渣等缺陷。

微觀金相試驗按照國家標準《金屬顯微組織檢驗方法》（GB/T13298-1991）要求，采用侵蝕液濃度為5∶100的硝酸-酒精溶液腐蝕劑腐蝕焊接接頭后，采用光學顯微鏡在放大200倍情況下觀察和分析接頭各部分的組織，是否存在因熱處理導致的無微裂紋及淬火而產生的非正常組織。

3.3 .3化學分析試驗

化學分析的試樣應取自無母材稀釋的熔敷金屬，檢驗的元素包括C、Si、S、P、Mn、Cr、Ni、Mo、Cu等，化學分析試驗方法可以按照國家標準《鋼鐵及合金化學分析方法》（GB/T223）要求進行。

4 工藝評定試驗結果及分析

4.1 拉伸試驗結果及分析

立焊（3G）焊接接頭的常溫拉伸試驗結果如表7所示。由表7可知，試樣均斷在熔合線以外的母

材上，焊接接頭的抗拉強度最小值為465 MPa，其評定結果為合格，即焊接接頭常溫極限抗拉強度應大于母材極限抗拉強度的較小值（≥585 MPa），且斷裂不能發生在焊縫上；焊接接頭高溫拉伸試驗結果如表8所示，由表8可知，最小值為560 MPa，大于標準值540 MPa，其評定結果合格。

表7 焊接接頭室溫拉伸結果

表8 焊接接頭150℃高溫拉伸結果

4.2 彎曲試驗結果及分析

對焊接接頭進行室溫下的橫向側彎，彎曲試驗芯棒直徑D＝4t（t為試樣厚度），彎曲角度180°；試驗結果要求沒有明顯的開裂、單個裂紋、表面氣孔和夾渣長度不得大于3 mm，試驗結果如表9所示。

表9 彎曲試驗結果（側彎）

試驗結果表明，試樣內外表面均未出現任何形式的裂紋、表面氣孔和夾渣等缺陷，說明此次焊接工藝評定的試件抗彎曲性能優良，完全能夠滿足要求。

4.3 沖擊試驗結果及分析

沖擊試驗分為焊縫沖擊和熱影響區沖擊，進行-29℃下沖擊試驗，試驗方法為《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》（GB/T 229-2007），沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，驗收標準：沖擊吸收功的平均值≥54 J，其中單個最小值≥47 J。沖擊試驗結果見表10，表中試樣編號說明：HC11～HC16為焊縫中心位置沖擊試樣編號；H21～H26為焊縫中心3/4T板厚位置沖擊試樣編號；RC1～RC6為熱影響區1/4T板厚位置沖擊試樣編號。

由表10可知，焊縫區沖擊試驗結果單個試樣的最小值為94 J，遠大于要求值47 J，而每組試樣的平均值也大于要求值54 J，沖擊性能均合格，說明焊接工藝評定試件的焊接接頭具有較好的韌性。

表10 3G位置-29℃沖擊試驗結果

4.4 宏觀金相結果及分析

3G位置焊接接頭的宏觀金相結果如圖11所示。

圖11 3G焊接接頭宏觀金相

由圖11可知，3G位置焊接接頭宏觀金相檢驗結果未見裂紋、未焊透和未熔合以及超過射線檢驗標準的氣孔和夾渣等缺陷，結果符合要求。

4.5 微觀金相結果及分析

3G位置焊接接頭微觀金相檢驗結果如圖12所示。

由圖12可知，母材、焊縫和熱影響區的微觀組織均無裂紋和因淬火而產生的非正常組織，其組織正常，滿足要求。

4.6 化學分析試驗結果

3G位置工藝評定試件焊縫的化學成分試驗結果如表11所示。

圖12 3G焊接接頭微觀金相

由表11可知，3G位置焊接工藝評定試件焊縫的化學成分試驗結果均在規定范圍內，其結果合格。

表11 3G位置評定試件熔敷金屬化學成分％

5 結論

通過3G位置的焊接工藝評定結果，可以得出焊接工藝評定單位所擬定的焊接工藝正確，其結果符合ASME標準要求，從某核電工程鋼制安全殼現場拼裝產品見證件力學性能結果和焊縫無損檢測的結果反饋，現場鋼制安全殼現場拼裝焊縫采用焊條電弧焊工藝切實可行。

[1]劉山，鄒慶彬.SA738 GR B低合金調質鋼焊接性研究[J].科技創新與應用，2013（22）：74.

[2]AMSE-IX，焊接和釬焊評定[S].2007+2008補遺.

Welding technology of nuclear power plant steel containment vessel SA-738 Gr.B steel

TANG Shi1，ZHANG Junbao2，ZHU Yuede3，LI Hansheng1
（1.State Nuclear Power Demonstration Plant Co.，Ltd，Rongcheng 264312，China；2.Shang Hai Nuclear Engineering Research&Design Institute，Shanghai 200233，China；3.Shang Dong Nuclear Power Equipment Manufacturing Co.，Ltd，Haiyang 265100，China）

At the beginning，this paper describes some aspects about welding process，including process qualification standard for welding process research，welding process methods，and welding materials.Then，the purpose and difficulties of process experiment，and preparing samples and test method have been introduced.At the end，the result ofprocess qualification experiment，which is about horizontal position welding of steel SA-738 Gr.B，has been analyzed.According to the result of process experiment，the welding parameters chosen by the construction enterprise can be used to make a qualified welding joint，and the welding process drawn up by the construction enterprise is correct.

nuclear power station；steel containment vessel；SA-738 Gr.B steel；welding technology；welding procedure qualification

TG457.11

C

1001－2303（2016）07－0072-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.17

2016-03-11

唐識（1976—），男，四川仁壽人，高級工程師，學士，主要從事核電廠執照申請、設計和焊接管理工作。