海洋核動力平臺反應堆壓力容器接管安全端焊接工藝研究

劉澤鋒，吳文鴻，平萍，陳志恢

太原重工股份有限公司 山西太原 030024

1 序言

隨著海洋資源開發(fā)提速和海洋戰(zhàn)略的實施，以及核電技術(shù)不斷發(fā)展和設計建造經(jīng)驗的成熟，作為海上能源保障裝備的海洋核動力平臺的優(yōu)勢已經(jīng)凸顯，吸引了諸多海洋大國的關(guān)注。海洋核動力平臺是采用核動力艦船反應堆，并在此基礎上結(jié)合海洋戰(zhàn)略的能源需求、新法規(guī)標準要求、小堆領域的多項改進優(yōu)化，使其具備三代核電核安全特征的軍民融合項目[1]。

反應堆壓力容器是海洋核動力平臺的核心設備，它不僅要克服高溫高壓及腐蝕性流體的沖刷，還要承受海浪、海風及海流等海洋環(huán)境的擾動。這要求它不但要保證結(jié)構(gòu)完整和性能可靠，所選用的材料需具有高韌性、高耐蝕性及抗疲勞性能。接管與安全端之間的異種金屬焊縫屬于反應堆壓力容器整個結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，不僅結(jié)構(gòu)規(guī)格小，且兩種材料的線膨脹系數(shù)相差極大，在海洋搖擺環(huán)境下長時間的高溫服役容易產(chǎn)生應力腐蝕裂紋和性能降低。本文從海洋核動力平臺反應堆壓力容器焊接結(jié)構(gòu)、材料選型、焊接工藝和工藝評定等方面進行研究，確保焊縫的質(zhì)量滿足設計要求。

2 焊接結(jié)構(gòu)

接管與安全端焊接接頭屬于一種特殊的焊接結(jié)構(gòu)，反應堆壓力容器接管材質(zhì)為低合金鋼SA-508 Gr.3 Cl.1，安全端材質(zhì)為不銹鋼SA-182 F321LN。由于海洋核動力平臺反應堆壓力容器結(jié)構(gòu)小型化，這個焊接結(jié)構(gòu)制造難度大，異種金屬的焊接容易產(chǎn)生缺陷，焊接中復雜的熱循環(huán)會引起較高的焊接殘余應力和低韌性組織，在設備運行中極易產(chǎn)生腐蝕疲勞開裂[2-3]。

接管與安全端焊接時需先在靠近端面的接管內(nèi)壁和端面堆焊鎳基隔離層，經(jīng)消應力處理及無損檢測合格后，與不銹鋼安全端進行對接，將二者的異種金屬焊接轉(zhuǎn)變?yōu)椴讳P鋼的對接焊。海洋核動力平臺接管與安全端的焊接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接管與安全端焊接結(jié)構(gòu)

3 材料選型

接管側(cè)母材為SA-508 Gr.3 Cl.1，接管內(nèi)壁堆焊ER309L+ER308L的不銹鋼堆焊層，在接管端面及靠近端面的內(nèi)壁堆焊Inconel 690鎳基堆焊層。安全端側(cè)母材為SA-182 F321LN，與接管側(cè)隔離層對接焊，熔覆金屬為Inconel 690。

在焊接材料選型時選用熱膨脹系數(shù)低的Inconel 690合金，這樣可以減少焊接接頭中因線膨脹突變而產(chǎn)生的熱應力，可以有效抑制熔合區(qū)的碳遷移。鎳基合金可以消除馬氏體與類馬氏體組織，使得焊接接頭性能得到改善，在高溫下不會因應力作用產(chǎn)生脆變。焊材選用美國超合金公司的Inconel 52M，焊絲的主要化學成分見表1。

表1 Inconel 52M鎳基焊絲化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

4 焊接工藝

海洋核動力平臺反應堆壓力容器接管與安全端規(guī)格小，其焊接工藝有兩種：一種是采用小管徑氬弧焊接堆焊接管內(nèi)壁不銹鋼和鎳基隔離層；另一種是采用全位置熱絲TIG焊機實現(xiàn)鎳基對接焊。

4.1 接管預堆焊工藝

1）堆焊鎳基材料前清理接管內(nèi)壁，并進行100%P T檢測。堆焊層前3.2m m最低預熱溫度121℃，最高層間溫度250℃；其余層最低預熱溫度10℃，最高層間溫度177℃。

2）焊接設備采用POLYSOUDE全自動無限回轉(zhuǎn)小管徑氬弧焊機，焊絲φ0.9mm，保護氣為99.999%的高純氬，堆焊參數(shù)見表2。

3）當焊接中斷或完成時，對焊縫立即執(zhí)行后熱或中間熱處理。后熱溫度為232～400℃，保溫至少4h；中間熱處理溫度為595～620℃，保溫至少1h。

4）隔離層堆焊并熱處理后，進行100%PT及100%UT檢測。

4.2 接管與安全端對接焊工藝

1）對接焊采用“插裝式”裝配，預留10mm的機械加工裕量，焊接過程中使用不銹鋼絲刷和鋁基無鐵砂輪對每道、每層進行清理打磨，并對首層和每兩層焊縫進行PT檢測，預防弧坑裂紋等焊接缺陷。

2）焊接設備采用POLYSOUDE全位置熱絲TIG焊機，焊絲φ0.9mm，保護氣為99.999%的高純氬，對接焊參數(shù)見表3。

3）焊接時嚴格控制焊縫溫度，最低預熱溫度10℃，最高層間溫度177℃。

4）焊后對焊縫內(nèi)表面進行加工，并對焊縫進行100%RT、UT、PT檢測。

表2 接管預堆焊參數(shù)

表3 對接焊縫焊接參數(shù)

表4 沖擊性能試驗結(jié)果（AWS B4.0M—2000）

5 工藝評定

性能試驗結(jié)果見表4～表6。根據(jù)海洋核動力平臺反應堆壓力容器設備技術(shù)規(guī)格書及工藝評定的要求，對接管與安全端的焊縫做了工藝評定，焊縫的RT、UT、PT檢測滿足相應規(guī)格書要求，對評定試件進行了解剖性能試驗，鎳基隔離層和對接焊縫的化學成分符合設備技術(shù)文件要求，性能全部滿足設計要求。

表5 拉伸性能試驗結(jié)果（AWS B4.0M—2000 / ASTM E21—1998）

表6 彎曲試驗結(jié)果（ASME QW-162）

6 結(jié)束語

通過采用上述焊接材料和焊接工藝，工藝評定結(jié)果滿足設計技術(shù)文件對焊縫質(zhì)量和性能的要求，這代表此種焊接工藝已能滿足海洋核動力平臺反應堆壓力容器接管與安全端，保證了反應堆壓力容器的性能可靠，為此類結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造積累了寶貴的經(jīng)驗，達到了國內(nèi)外先進水平。