俄制核電復合鋼管道異種接頭焊縫國產化替代論證及制備試驗研究

潘曉冬　宋怡漾　羅緒珍　蔣永　葉義?！￠愇南?/p>

【摘 要】本文針對核電管道維修技術的國產化需求，開展了俄制復合鋼管道異種接頭的材料國產化替代論證，篩選出與俄產08X18H10T不銹鋼的成分、組織及性能相近的國產核電用0Cr18Ni11Ti不銹鋼，并采用替代材料進行了異種接頭焊縫的焊接工藝試驗及驗證研究工作。研究表明，國產材料及工藝替代制備的異種接頭的質量滿足俄羅斯標準各項技術指標的要求，其各項性能與俄制進口接頭相當；與堆焊層測試數據對比，異種接頭的焊接制備過程對復合鋼側坡口堆焊層的鐵素體及硬度值造成一定影響，但是均在合理范圍內。該項工作為后續補焊修復研究工作的順利實施，以及實現核電站該類管道維修技術的國產化具備指導作用和參考意義。

【關鍵詞】復合鋼管道；異種接頭；國產化；核電

Rearch on Replacement and Preparation of Nuclear Grade Compound Steel Pipe Dissimilar Steel Welded Joints Made in Russia

PAN Xiao-dong1 SONG Yi-yang1 LUO Xu-zhen1 JIANG Yong2 YE Yi-hai1 YAN Wen-xiang1

（1.Nuclear Power Institute of China fourth Institute，Chengdu Sichuan 610041，China；

2.JiangSu Nuclear Power Corporation，Lianyungang Jiangsu 222042，China）

【Abstract】In this paper，For the domesticalization developing of nuclear grade pipe maintenance technology，researches on replacement of imported joint material were taken，the domestic nuclear grade 0Cr18Ni11Ti was selected as replacement of Russian 08X18H10T for the similar composition， structure and properties between them.Then experiments and tests were performed on the welding of compound steel pipe dissimilar steel welded joints with replacement material.The results showed that the replacement welded joints meet the requirements of the Russian standards，which properties has been proved as good as Russian.Meanwhile，further study show the welding process has certain influences on the ferrite and hardness value of the surfacing layer on compound steel，but which were confirmed the changes were in a reasonable range.And the experimental research for the subsequent work，as well as the realization of this nuclear domestic technology has guidance and reference significance.

【Key words】Compound steel pipe；Dissimilar steel welded joints；Domesticalization；Nuclear power

0 引言

國內某核電站核島一回路系統中涉及的大量復合管道焊縫的設計、制造及安裝均自俄羅斯進口，其制造安裝過程是由俄羅斯工廠對復合鋼管道進行坡口堆焊預制，再將預制合格的復合鋼管道運至核電站建設現場進行復合鋼管道與不銹鋼管道異種焊縫的安裝焊接（見圖1）。其制造工序繁瑣，結構組成復雜，在高溫高壓和交變載荷的運行工況下，焊接接頭受應力集中、疲勞、腐蝕等因素影響，易在焊縫及熱影響區產生危害性較大的開裂缺陷。由于國外技術壟斷，目前針對該類故障的補焊修復處理只能依賴原廠進口，運行維護成本投入巨大，不利于電站運營。因此，核電站方面對該類管道維修技術的國產化需求較為迫切。

管道維修技術國產化研究的補焊修復工藝試驗必須在完整的焊接接頭上進行，因此，進行補焊修復的重要前提是采用國產替代材料及工藝制造出完整的復合鋼管道異種接頭。涉及兩項工作內容：1）帶堆焊層（隔離層/過渡層/保護層）的復合鋼試件制備2）異種金屬對接焊縫接頭制備。其中，帶堆焊層的復合鋼試件制備國產化工作已取得一定成果[1]，需進而開展異種金屬對接焊縫接頭制備研究工作。

針對上述問題，本文著眼于第2項研究內容，開展了俄制復合鋼管道異種接頭的材料的國產化替代論證，并采用替代材料進行了異種接頭焊縫的焊接工藝試驗及驗證研究工作，為進一步實現補焊修復技術的國產化奠定了技術基礎。

1 俄產不銹鋼08X18H10T材料的替代選擇

已有研究開展了俄進口復合鋼的國產替代論證工作，并制備出帶坡口堆焊層的國產替代試件[1-2]。但是在本文研究的復合鋼管道異種接頭制備中，缺少焊縫接頭另一側母材即俄進口不銹鋼管道的替代材料，需根據其化學成分及性能數據，在國內進行同組別或同類別材料中調研及篩選出相當的材料。

核島部分俄羅斯原設計的設備和管道用不銹鋼材料主要為08X18H10T鋼，屬于含鈦的奧氏體不銹鋼，相當于美國ASME標準的TP321鋼以及法國RCCM標準的Z8CN18-11鋼。為了便于國內采購，可考慮選用與美標TP321鋼類似的國產0Cr18Ni9Ti或0Cr18Ni11Ti作為替代分析對象。但根據設計要求，替代材料應除滿足ASME第2卷的要求之外，還應滿足第3卷第1冊ND分卷中3級部件的規定，同時結合俄羅斯標準的規定，國產替代材料除滿足ASME設計規范外，同時力學性能也要達到08X18H10T鋼的規定要求。

1.1 從化學成分含量對比分析

從化學成分來看，標準中俄08X18H10T鋼與TP321、0Cr18Ni9Ti或0Cr18Ni11Ti在化學成分上差異不大，均為含穩定化元素鈦的奧氏體不銹鋼，且均對合金元素C、Ni、Cr、Ti等的規定差別不大，對有害元素S、P的控制上俄產08X18H10T鋼更為嚴格。相對而言，0Cr18Ni11Ti相比0Cr18Ni9Ti與俄產材料的成為更為接近，幾種材料化學成分見表1。

1.2 從力學性能對比分析

在力學性能方面，與ASME標準TP321相比，俄08X18H10T鋼對室溫抗拉強度及350℃高溫條件下的高溫屈服強度要求比較苛刻，一般工業用TP321、0Cr18Ni9Ti或0Cr18Ni11很難達到要求。通過調研，目前國內CNP1000堆型部分核電用傳統0Cr18Ni11Ti鋼通過對其化學成分、制造工藝及熱處理工藝進行調整，其抗拉強度由540MPa提高到552MPa，高溫屈服強度由170MPa提高到平均250MPa，其力學性能水平與俄08X18H10T鋼基本相當，幾種材料的力學性能對比見表2。

表2 試驗鋼的拉伸性能

綜上，從化學成分及力學性能對比分析，以及實際工程應用先例參考，初步認為核電用0Cr18Ni11Ti作為該核電站俄產不銹鋼管道08X18H10T的國產化替代材料滿足項目技術需求。

2 復合鋼管道異種接頭國產替代試件制備研究

采用國產材料制備的帶堆焊層的復合鋼，以及選取的國產核電用0Cr18Ni11Ti不銹鋼平板試驗件開展復合鋼異種接頭制備的焊接工藝試驗，并對照俄相關標準，重點驗證國產化替代制備的異種接頭的各項性能指標；同時，通過與前階段復合鋼坡口堆焊層研究相關數據對比，分析衡量異種接頭制備焊接對復合鋼預堆邊層的影響大??；并通過比較評價，實現國產材料的替代論證，并制備出與俄制異種接頭性能相當的國產替代試件。

2.1 試驗材料及試驗方法

本文模擬核電站低壓安注系統管道實際結構尺寸型式，設計了異種接頭焊接試件，試件型式為板型試件，包括：帶堆焊層的復合鋼試件和不銹鋼試件。采用機械加工法對前期制備合格的帶堆焊層的復合鋼以及國產核電0Cr18Ni11Ti不銹鋼材料進行機加工，加工示意圖見圖2所示。

采用氬電聯焊進行1G位置的焊接，焊材分別為直徑Ф1.6的CB-04X19H11M3焊絲和Ф3.0的ЗA-400/10T焊條，焊材化學成分見表3所示。焊接過程中，將制備合格的帶預堆邊層的國產復合鋼坡口試件與不銹鋼坡口試件按要求組對裝配，并按照下表4工藝參數實施焊接，焊道分布及焊縫尺寸要求見圖3所示。

焊接過程中，根據坡口的深度與寬度確定焊道的層次與每層焊道數量，并注意層間清理，層間溫度控制在100℃以下。針對預堆邊側坡口焊接時，在保證熔透的前提下盡量采用較小熱輸入、短弧施焊、縮短高溫停留時間、減小冷卻速度，避免形成焊接缺陷。

按照俄羅斯相關標準的規定，焊前對復合鋼側堆焊層坡口進行100%PT檢測，焊接過程中對前3層焊道進行100%PT檢測，焊接完成后進行100%PT、100%RT檢測；無損檢測完成后，采用光學顯微鏡對接頭焊縫進行金相檢驗，并進行彎曲檢驗及拉伸性能檢驗，驗證國產材料制備的替代試件是否滿足技術指標要求。

完成上述必要檢測項目后，根據試驗研究需要，分析異種接頭對接焊縫對預堆邊層的影響。具體方法為：采用表面接觸磁性法對鄰近預堆邊區域的鐵素體含量進行測定，同時對該區域的硬度進行檢測，然后與前期預堆邊工藝研究積累的相關數據進行對比，衡量分析焊接制備工藝對復合鋼側堆焊層組織及性能的影響。

2.2 試驗結果及分析

2.2.1 金相檢驗結果分析

在低倍顯微鏡下，可以清楚地看到異種接頭焊縫組織呈現典型鑄造組織形態，有明顯的外延生長特性，焊縫中部晶粒方向幾乎是平行的。焊縫金相組織是等軸的，沿原白色奧氏體柱狀晶晶界上，分布著黑色高溫鐵素體，未見其它異常組織及缺陷，而且部分區域由于散熱較快可見細小奧氏體晶粒，組織性能良好。見圖4所示。

圖4 異種接頭焊縫熔合區形貌

同時，測得異種接頭焊縫區的顯微硬度值在220Hv～250Hv左右，屬奧氏體不銹鋼焊縫正常值范圍；焊縫中心鐵素體的含量測定值在11.2%～13.1%之間，略微偏離奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量5%～12%的要求，存在δ相鐵素體向σ相鐵素體轉化的傾向，有可能導致焊縫變脆的可能[3]。而復合鋼堆焊層坡口側熔合區附近鐵素體含量測定值稍低，在7.9%～8.5%之間。分析認為，是由于保護堆焊層的鐵素體含量在2%～8%之間，焊接過程焊縫金屬受母材（保護堆焊層）稀釋，兩者之間發生Ni元素從保護堆焊層向焊縫的擴散，導致該熔合區域的鐵素體含量有所降低，但是能滿足奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量5%～12%的要求，同時也能有效阻止S、P、Si等元素偏析和形成低熔點共晶物，保持較好的抗晶間腐蝕能力和抗裂能力。

2.2.2 彎曲試驗結果分析

參照俄標的要求對焊接接頭進行了面彎和側彎試驗。試件制備：垂直于焊接方向切取2件彎曲試樣，面彎試樣取樣位置如圖5所示，側彎為全截面試樣，試樣規格均為：36mm×25mm×215mm。試驗結果見表5所示，實物照片見圖6所示。

表5 彎曲試驗結果

上述試驗結果顯示，兩件試件彎曲到檢驗角度均未出現裂紋或斷裂現象，表明復合鋼異種金屬焊接接頭質量較好，擁有良好的的塑性變形能力，工藝穩定可靠。同時，通過側彎試驗，也進一步補充驗證了前階段復合鋼堆焊工藝得到的各堆焊層的力學性能滿足技術要求。

2.2.3 拉伸試驗結果分析

參照俄標的要求對焊接接頭進行了橫向室溫拉伸試驗。試件制備：垂直于焊接方向在同一截面上下各切取1件橫截面拉伸試樣，共2組4件，拉伸試樣取樣位置如圖7所示，拉伸斷裂實物圖見圖8所示。

圖7 拉伸試件取樣位置示意圖

圖8 復合鋼異種金屬接頭拉伸試驗斷裂位置

圖8中可見，復合鋼異種接頭的4件拉伸試樣在20℃溫度下拉伸實驗的斷裂位置均在0Cr18Ni11Ti不銹鋼母材一側離焊縫較遠位置，形成不規則的斷口形貌，且焊縫處有明顯的頸縮現象發生，為韌性斷裂。說明異種接頭在室溫下的焊接接頭抗拉強度高于強度較低一側母材（0Cr18Ni11Ti不銹鋼母材）的強度下限，實際承受載荷在561MPa～575MPa之間。同時也表明，CB-04X19H11M3+ЗA-400/10T焊縫區力學性能優良，焊縫區鐵素體高于12%的上限值并沒有對接頭的塑韌性造成太大影響。

2.3 對復合鋼預堆邊層的影響分析

由于復合鋼堆焊層由多種材料組成，其成分不均一性及物理性能的差異對外界的影響較為敏感，容易在后續安裝焊接時形成缺陷。本節試驗即在完成異種接頭焊接后，對如圖9所示的復合鋼預堆邊區域進行硬度及鐵素體含量測試，并與前期復合鋼堆焊層相應研究數據進行對比，分析復合鋼與不銹鋼的對接焊是否對復合鋼側坡口堆焊層有影響以及影響程度大小。

圖9 硬度及鐵素體測試區域

1.合金鋼母材；2.過渡堆焊層；3.保護堆焊層；4.隔離堆焊層

兩組數據對比情況見表6和表7所示：

表6 硬度數據檢測對比結果

表7 鐵素體含量數據檢測對比結果

綜合兩項數據對比發現，主要體現在以下兩點差異：

1）硬度值差異：表6中發現，焊接完異種接頭后，保護堆焊層和隔離堆焊層的顯微組織硬度值均比焊接前高40Hv左右；

2）鐵素體含量差異：表7中發現，焊接完異種接頭后，堆焊層中保護層的鐵素體含量由7%增加至10%。

經分析認為，保護堆焊層和隔離堆焊層的顯微組織硬度增加是由于其作為異種接頭焊縫的坡口母材，屬于焊縫的熱影響區范圍，在焊縫高溫熔池和母材散熱不良的雙重作用下，易出現晶粒粗大現象，從而導致硬度值增加，但是仍處在規定值的合理范圍內；而保護堆焊層的鐵素體含量的明顯增加，與焊接熔融態時保護堆焊層中的Ni元素向焊縫中運動擴散有關，由于保護堆焊層中Ni元素的減少降低了合金元素對δ-鐵素體的抑制作用，使鐵素體的含量由7%增加至10%，其結果仍在規定范圍值5%～12%之間，不影響保護堆焊層的組織性能。

3 結論

1）國產核電用0Cr18Ni11Ti不銹鋼具有與某型核電站俄產不銹鋼管道08X18H10T相當的成分、組織及性能；

2）通過焊接工藝試驗及性能檢驗，驗證了國產材料及工藝替代制備的異種接頭滿足俄羅斯標準各項技術指標的要求，其各項性能與俄制進口接頭相當；

3）與堆焊層測試數據對比，異種接頭的焊接制備對復合鋼側坡口堆焊層的組織和性能存在一定影響，但是均在合理范圍內；

4）為后續補焊修復研究工作的順利實施，以及實現核電站該類管道維修技術的國產化奠定了技術基礎。

【參考文獻】

[1]宋怡漾，王理，蘆麗莉，潘曉冬，葉義海，王建.基于A5083/ER347鋼的不銹鋼堆焊層組織分析[J].電焊機，2016（4）：22-26.

[2]蘆麗莉，王理，宋怡漾，蔣永，馬姝麗，郭祥.核級復合鋼管件的替代試件制作[J].科技視界，2016（2）：20-21.

[3]吳惕言，吳起白，RIQUIERY.鐵素體——奧氏體雙相不銹鋼中σ相對高溫力學性能的影響[J].金屬學報，1993，29（2）：33-38.

[責任編輯：田吉捷]