核主泵泵殼補焊的工藝優(yōu)化研究

田云，關錳，張艷敏，楊顯冬，王芳，張玉金

（1.沈陽鼓風機集團核電泵業(yè)有限公司；2.沈陽透平機械股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

反應堆冷卻劑泵（即“核主泵”）是壓水堆核電站中最關鍵的核島一回路主設備之一，是核島內(nèi)唯一的旋轉(zhuǎn)設備，其運行故障將直接導致反應堆停堆，甚至造成核安全事故。核主泵代表著當代泵類產(chǎn)品設計制造的最高水平。泵殼作為主泵的承壓邊界部件，其主要作用是將工作介質(zhì)引向葉輪和匯集由葉輪流出的介質(zhì)，并把介質(zhì)的大部分動能轉(zhuǎn)化為壓能。由于主泵長期在高溫、高壓和放射性環(huán)境下工作，核主泵泵殼主要承受工作壓力和熱載荷，其質(zhì)量對于核主泵長期安全、可靠運行具有重要意義。泵殼材料為奧氏體不銹鋼，約為20 ～30t鑄件，不可避免的存在補焊。因此，開展了核主泵泵殼補焊的工藝優(yōu)化試驗研究。

1 泵殼的化學成分和機械性能

核主泵泵殼的材料為ASME SA-351 CF8A，具體化學成分詳見表1，常溫下的抗拉強度≥530MPa。

2 試驗方案的確定

2.1 焊接工藝評定指導書的編制

根據(jù)產(chǎn)品設計規(guī)格書的要求，執(zhí)行ASME 標準。此外，泵殼為核一級承壓部件。因而，需要按照ASME第IX 卷和第Ⅲ卷NB 分卷開展焊接工藝評定試驗。根據(jù)ASME 質(zhì)保手冊要求，首先應根據(jù)ASME 第Ⅲ卷、第Ⅸ卷和圖紙要求，確定焊接工藝評定要求，并編制焊接工藝評定指導書。結(jié)合產(chǎn)品泵殼的實際情況，焊接工藝評定試件的尺寸為500×300×40mm，采取對接接頭形式。母材的厚度評定范圍為5 ～200mm，填充金屬的厚度評定范圍≤200mm。根據(jù)ASME 標準第IX 卷，確定如下性能試驗，詳見表2。

表2 泵殼的焊評性能試驗

2.2 晶間腐蝕

奧氏體不銹鋼焊接時，由于焊接產(chǎn)生的熱量使焊縫處于敏化溫度區(qū)450～850℃，晶界上容易析出Cr 的碳化物，形成貧Cr 的晶粒邊界。如果該區(qū)恰好露在焊縫表面并與腐蝕介質(zhì)接觸，則產(chǎn)生晶間腐蝕，需要開展焊接接頭的晶間腐蝕試驗。

2.3 焊接熱影響區(qū)

根據(jù)母材采購規(guī)程的要求，同一位置的補焊及焊后檢驗僅允許一次，如果需要進一步補焊，則進行每次補焊前，都得到用戶的批準。對于泵殼多次補焊的情況下，相鄰凹坑補焊時，后補焊對之前實施補焊熱影響區(qū)是否有影響，能否確定為二次補焊，還需要開展補焊后熱影響區(qū)大小的模擬試驗研究。

3 泵殼補焊的焊接試驗

表1 泵殼的化學成分 （%）

3.1 焊接方法的確定

因泵殼的最大壁厚約為300mm，為提高生產(chǎn)效率，應采用手工電弧焊SMAW方法進行補焊。對于精加工后的小缺陷，應采取無飛濺、高焊接質(zhì)量的鎢極氬弧焊GTAW 方法進行補焊。

表3 焊評試驗的焊接規(guī)范參數(shù)

3.2 焊材的確定

核主泵泵殼的材料為奧氏體不銹鋼，當焊材選擇不當或焊接工藝條件及過程控制不合理情況下，焊接接頭很容易產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向。經(jīng)過分析，選擇與母材相匹配的焊接材料為ASME SFA5.9 ER308L 和SFA 5.4 E308L-15 超低碳奧氏體不銹鋼焊材。

3.3 焊接工藝評定試驗

針對兩種焊材（焊絲ER308L，采用鎢極氬弧焊GTAW 方法，和焊條E308L-15，采用手工電弧焊SMAW 方法），分別開展了焊評試驗。如上述3.1 章節(jié)所示，焊接試板采取對接接頭形式。焊前，坡口表面經(jīng)液體滲透檢驗，符合ASME 標準NB 5000 的要求，并用酒精將待焊部位及周圍50mm 范圍清理干凈。由具有HAF603 及相應ASME 資質(zhì)的焊工對焊接工藝評定試板進行焊接，多次進行焊接工藝性試驗，優(yōu)化焊接規(guī)范參數(shù)，注意層間清理，采用接觸式測溫儀進行層間溫度測量，實際焊接參數(shù)如表3。焊后試板進行X 射線探傷合格，并進行試板的分割，機械性能試樣的制備等，試樣的機械性能試驗結(jié)果如表4。

表4 焊評試驗的焊接接頭機械性能

通過上述焊接工藝評定試驗結(jié)果可以看出，焊評試板的機械性能值滿足標準要求。

3.4 晶間腐蝕試驗

在對接焊評試板上，沿橫向截取兩個晶間腐蝕試樣，按照標準ASTM A262 執(zhí)行，最終結(jié)果符合標準要求。

3.5 焊接熱影響區(qū)的模擬試驗

該試驗采用與泵殼材料相同的試板SA351 CF8A，尺寸為400×200×60mm。根據(jù)產(chǎn)品泵殼實際補焊的凹坑尺寸，選取2mm、20mm 和40mm 三種規(guī)格的凹坑開展了補焊后熱影響區(qū)的模擬試驗，詳見圖1 所示。 補焊過程由操作實際產(chǎn)品泵殼的相同焊工，并采用與泵殼補焊相同的焊接工藝進行。補焊后對焊接試板進行線切割，加工性能試樣，然后進行金相檢測。在顯微鏡50X 下進行分析，熱影響區(qū)寬度的大小分別為0.8 ～1.0（2mm 凹坑）、0.9 ～1.1mm（20mm 凹坑）和0.8～1.2mm（40mm 凹坑）。

圖1 熱影響區(qū)模擬補焊凹坑圖

通過上述金相檢驗結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

（1）泵殼補焊的熱影響區(qū)寬度非常小，約為1mm左右。

（2）因為焊接過程中需要控制層間溫度的大小，泵殼補焊的熱影響區(qū)尺寸與凹坑的尺寸關系不大。

4 結(jié)語

（1）試驗證明，選用的焊絲ER308L 和焊條E308L-15，完全滿足核主泵泵殼補焊的要求，焊后接頭性能達到相關標準、技術規(guī)格書和合同的要求，可用于核主泵泵殼的焊接。

（2）采用GTAW 焊接方法，焊絲ER308L 可用于核主泵泵殼精加工后的補焊，既保證焊接質(zhì)量，又不會產(chǎn)生焊接飛濺，焊縫成形美觀。

（3）采用SMAW 焊接方法，焊條E308L-15 可用于核主泵泵殼精加工前的補焊，焊接工作量大，既提高焊接效率，又保證焊接質(zhì)量。

（4）承壓部件泵殼鑄件補焊的研究，解決了此材料補焊過程中易產(chǎn)生的晶間腐蝕問題。

（5）承壓部件泵殼鑄件補焊的研究，確定了熱影響區(qū)寬度，解決了相臨缺陷補焊熱影響區(qū)是否疊加問題。