不銹鋼冷堆工藝對(duì)SA-508Gr.3 Cl.1鋼裂紋敏感性的影響分析

張亞斌 羅英 楊敏 王小彬

摘要：為了分析不銹鋼冷堆工藝對(duì)母材裂紋敏感性的影響，采用實(shí)際產(chǎn)品堆焊參數(shù)進(jìn)行了堆焊試驗(yàn)，結(jié)合裂紋產(chǎn)生機(jī)理，分析了合金化學(xué)成分及熱處理工藝對(duì)低合金鋼裂紋敏感性的影響。研究表明，SA-508Gr.3 Cl.1鋼在SA-508Gr.2 Cl.1鋼的基礎(chǔ)上，減少了硬化元素含量，嚴(yán)格控制氫含量，降低了再熱裂紋和氫致裂紋的敏感性;堆焊前對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱，堆焊后進(jìn)行后熱處理或消除應(yīng)力熱處理，進(jìn)一步抑制了母材氫致裂紋的產(chǎn)生。在不預(yù)熱的情況下進(jìn)行耐蝕層的堆焊，對(duì)低合金鋼母材及熱影響區(qū)的熱影響較小。通過(guò)磁粉及液體滲透檢驗(yàn)，過(guò)渡層與母材的交界處及熔合線下3 mm的范圍內(nèi)無(wú)顯微裂紋等缺陷，不會(huì)增加低合金鋼母材及熱影響區(qū)層下裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，減少了堆焊層在高溫的停留時(shí)間，降低了產(chǎn)生硬脆相的可能，使堆焊層質(zhì)量更加可靠。

關(guān)鍵詞：不銹鋼;冷堆工藝;裂紋敏感性;層下裂紋;反應(yīng)堆壓力容器

0 前言

反應(yīng)堆壓力容器是核動(dòng)力裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，是一回路系統(tǒng)壓力邊界的重要組成部分。反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部為高溫高壓的反應(yīng)堆冷卻劑環(huán)境，容器本體所用的SA-508Gr.3 Cl.1低合金鋼材料由于耐蝕性不足，無(wú)法在此環(huán)境下長(zhǎng)期工作，為保證反應(yīng)堆壓力容器在反應(yīng)堆冷卻劑中長(zhǎng)期安全運(yùn)行，壓力容器內(nèi)壁應(yīng)堆焊不銹鋼過(guò)渡層和耐蝕層。對(duì)于在SA-508Gr.3 Cl.1鋼上堆焊不銹鋼工藝，國(guó)內(nèi)外有冷堆和熱堆兩種工藝。不管是冷堆還是熱堆，均要求過(guò)渡層焊接時(shí)對(duì)低合金鋼進(jìn)行預(yù)熱，其主要區(qū)別在于過(guò)渡層堆焊結(jié)束后的耐蝕層堆焊時(shí)是否還需繼續(xù)預(yù)熱低合金鋼母材。

對(duì)于不銹鋼堆焊層的堆焊質(zhì)量，原則上要求：（1）過(guò)渡層堆焊采用較大的熱輸入，不會(huì)對(duì)低合金鋼母材產(chǎn)生不利影響。（2）堆焊層不能產(chǎn)生超出設(shè)計(jì)要求的未熔合、裂紋等缺陷。

堆焊過(guò)程中，較大的熱輸入容易使低合金鋼熱影響區(qū)產(chǎn)生層下裂紋和冷裂紋等缺陷，貫穿性裂紋容易造成低合金鋼母材因接觸冷卻介質(zhì)而產(chǎn)生腐蝕，影響壓力容器運(yùn)行的安全性和可靠性。因此，冷堆和熱堆工藝在業(yè)內(nèi)一直存在爭(zhēng)議。在國(guó)外核電反應(yīng)堆壓力容器不銹鋼堆焊大量采用熱堆工藝的背景下，國(guó)內(nèi)大部分核電工程壓力容器的不銹鋼堆焊采用冷堆工藝，其堆焊層及熱影響區(qū)質(zhì)量受到質(zhì)疑。因此，有必要對(duì)低合金鋼上不銹鋼冷堆的熔敷金屬和熱影響區(qū)質(zhì)量進(jìn)行分析研究。

1 不銹鋼堆焊工藝試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

不銹鋼堆焊用試板采用核電壓力容器使用的SA-508Gr.3 Cl.1鋼，化學(xué)成分如表1所示。

堆焊焊材為壓力容器堆焊常用的50 mm寬的309L和308L焊帶，化學(xué)成分如表2所示。

1.2 堆焊參數(shù)及工藝

為考核較高熱輸入下堆焊層對(duì)低合金鋼母材的影響，采用較大的焊接電流進(jìn)行電渣堆焊，堆焊形式如圖1所示，堆焊參數(shù)如表3所示。

不銹鋼堆焊工藝如下：

（1）堆焊過(guò)渡層時(shí)應(yīng)預(yù)熱母材，預(yù)熱溫度≥150 ℃，道間溫度≤250 ℃。

（2）過(guò)渡層焊后應(yīng)立即進(jìn)行后熱處理或消除應(yīng)力熱處理。建議后熱處理溫度為250～400 ℃，時(shí)間4 h。消除應(yīng)力熱處理的溫度為595～675 ℃，350 ℃以上的升、降溫速率不應(yīng)超過(guò)55 ℃/h。

（3）堆焊耐蝕不銹層時(shí)不要求預(yù)熱。

1.3 堆焊試驗(yàn)項(xiàng)目

試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法如表4所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 KV沖擊試驗(yàn)結(jié)果

沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，不銹鋼堆焊層熱影響區(qū)具有較高的韌性，無(wú)硬脆相及裂紋產(chǎn)生。

2.2 硬度試驗(yàn)結(jié)果

硬度實(shí)際測(cè)量曲線如圖2所示，不銹鋼堆焊層硬度與低合金鋼母材相當(dāng)，熱影響區(qū)硬度相對(duì)較高，但在正常范圍內(nèi)，滿足硬度小于等于320 HV的要求。

2.3 金相檢驗(yàn)結(jié)果

金相檢驗(yàn)表明，堆焊層金屬組織為奧氏體+少量σ相+α相+少量碳化物，熱影響區(qū)組織為貝氏體回火組織+少量鐵素體，與母材組織一致。不銹鋼堆焊層、熔合區(qū)及熱影響區(qū)組織如圖3所示，無(wú)任何異常組織、裂紋等焊接缺陷產(chǎn)生。

由于不銹鋼焊帶熔敷金屬的搭接會(huì)對(duì)搭接處的低合金鋼熱影響區(qū)再次產(chǎn)生熱影響，容易產(chǎn)生顯微裂紋等缺陷，并以此為裂紋源造成壓力邊界的不完整。補(bǔ)充金相試驗(yàn)主要檢驗(yàn)低合金鋼熱影響區(qū)的敏感區(qū)域。金相檢驗(yàn)區(qū)域和觀察方向如圖4、圖5所示。

不銹鋼堆焊試板金相檢驗(yàn)頂部視場(chǎng)試樣2塊，側(cè)面視場(chǎng)試樣2塊，均無(wú)缺陷顯示。

2.4 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

堆焊層彎曲表面無(wú)任何裂紋缺陷，韌性良好。

2.5 無(wú)損檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)堆焊層與母材交界面及堆焊層以下2 mm之間進(jìn)行磁粉檢驗(yàn)，結(jié)果表明：堆焊層與母材的界面區(qū)域無(wú)任何顯示，熱影響區(qū)無(wú)裂紋等缺陷的產(chǎn)生。

對(duì)不銹鋼過(guò)渡層以及熱影響區(qū)、母材進(jìn)行多層液體滲透檢驗(yàn)，無(wú)缺陷顯示，表明不銹鋼過(guò)渡層及母材熱影響區(qū)在較高的熱輸入下無(wú)裂紋產(chǎn)生。

3 結(jié)果分析

3.1 焊材對(duì)裂紋敏感性的影響

堆焊用309L、308L系列焊材均從國(guó)外采購(gòu)，該焊材生產(chǎn)商面向全球核電設(shè)備制造廠供貨，且焊材經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外核電設(shè)備制造及在役工況的考驗(yàn)，焊接性及耐腐蝕性能良好。

適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分配比可以有效地控制焊接凝固裂紋和液化裂紋[2]。堆焊層熔敷金屬的化學(xué)成分即Creq/Nieq（WRC-1992當(dāng)量式）比值關(guān)系到不銹鋼凝固時(shí)析出的初始相，Cr/Ni比值高于1.5時(shí)，初始析出相為鐵素體（F），比值越高，析出的鐵素體越多。促使奧氏體作為初始析出相（A和AF模式）的合金成分范圍使裂紋敏感性最高，從而促使F模式凝固，裂紋敏感性高于FA模式但低于A和AF模式，如圖6所示。

室溫下焊縫金屬的鐵素體含量可以用來(lái)近似地判斷其凝固模式。如果FN=0，則可以假定以A模式凝固;FN在0～3之間，則凝固模式可能是AF;FN在3～20之間，則凝固模式最可能是FA，在這個(gè)FN區(qū)間顯示了最強(qiáng)的抗凝固裂紋能力。鐵素體數(shù)與液化裂紋之間的關(guān)系如表6所示。

根據(jù)表2中的化學(xué)成分要求，堆焊層熔敷金屬以FA模式凝固，初始析出鐵素體，合適的鐵素體含量具有較好的抗凝固裂紋和液化裂紋能力。

3.2 堆焊對(duì)低合金鋼基體的影響

反應(yīng)堆壓力容器不銹鋼堆焊時(shí)，對(duì)低合金鋼母材產(chǎn)生熱影響，引起晶粒的粗大，后續(xù)堆焊層的搭接對(duì)處于搭接處的低合金鋼熱影響區(qū)再次產(chǎn)生熱影響，形成熱影響區(qū)中的敏感區(qū)域（見(jiàn)圖4）。堆焊誘發(fā)的裂紋，如層下裂紋和氫致裂紋等缺陷影響了壓力邊界的完整性。

堆焊層下裂紋常出現(xiàn)在堆焊層焊道與焊道重疊部位下面的母材熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，屬于再熱裂紋。在進(jìn)行第一道堆焊時(shí)，母材金屬被加熱到1 200 ℃，而在堆焊第二道時(shí)，該區(qū)域受到600～700 ℃熱循環(huán)作用，再經(jīng)消除應(yīng)力熱處理時(shí)，重疊部位在兩種熱循環(huán)作用下產(chǎn)生層下裂紋，沿堆焊方向不連續(xù)產(chǎn)生[4]。層下裂紋一般不容易發(fā)現(xiàn)，只有去掉堆焊層，通過(guò)磁粉檢驗(yàn)或液體滲透檢驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)。層下裂紋除與鋼種成分有關(guān)外，還與熱影響區(qū)大小、組織及其機(jī)械性能和殘余應(yīng)力有關(guān)。

3.3 低合金鋼基體材料的抗裂性能

20世紀(jì)70年代中期，反應(yīng)堆壓力容器基體材料為SA-508Gr.2 Cl.1鋼，檢修期間不銹鋼堆焊層的熱影響區(qū)普遍發(fā)現(xiàn)存在層下裂紋。美國(guó)RG導(dǎo)則1.43（2011版）規(guī)定，在低合金鋼部件不銹鋼堆焊層的層下裂紋（即熱裂紋）只見(jiàn)于粗晶粒的SA-508Gr.2 Cl.1鋼1類(lèi)鍛件和板材中，以及高熔敷速率的焊接工藝（如帶寬大于60 mm的帶極堆焊和多焊絲埋弧焊）造成的晶粒粗大的焊縫金屬中，再熱裂紋出現(xiàn)在高熱輸入堆焊工藝的相鄰焊道熱影響區(qū)。為了增強(qiáng)基體材料的抗層下裂紋性能，于是研制出抗層下裂紋性能良好的SA-508Gr.3 Cl.1鋼，且在核電反應(yīng)堆壓力容器的設(shè)計(jì)及制造中得到廣泛應(yīng)用。

層下裂紋是再熱裂紋的一種，其敏感性與鋼中的Cr、Mo、V等元素含量有關(guān)。

式中 ΔG為再熱裂紋敏感指數(shù)，Cr、Mo和V為化學(xué)成分中該元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。當(dāng)ΔG>0時(shí)，母材對(duì)再熱裂紋的敏感性大;ΔG<0時(shí)，母材對(duì)再熱裂紋的敏感性小。

SA-508Gr.2 Cl.1鋼的化學(xué)成分如表7所示，SA-508Gr.3 Cl.1鋼的化學(xué)成分如表1所示。

SA-508Gr.3 Cl.1鋼在SA-508Gr.2 Cl.1鋼的基礎(chǔ)上，減少硬化元素C、Cr、Mo的含量，減小了母材對(duì)再熱裂紋的敏感性，降低了再熱裂紋的產(chǎn)生傾向。堆焊試板試驗(yàn)時(shí)的金相檢驗(yàn)顯示熱影響區(qū)無(wú)異常組織及裂紋的出現(xiàn)，無(wú)硬脆相;分層PT及堆焊層下母材的MT檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)裂紋的產(chǎn)生，這表明具有良好抗再熱裂紋敏感性的508-III鋼在冷堆耐蝕層的工藝下產(chǎn)生層下裂紋的風(fēng)險(xiǎn)很小。

3.4 冷堆工藝對(duì)氫致裂紋的影響分析

氫致裂紋屬于冷裂紋[6]，在堆焊后母材冷卻至200 ℃左右，一般在母材的熱影響區(qū)內(nèi)產(chǎn)生，氫致裂紋主要與堆焊層焊縫及母材中的氫含量有關(guān)，焊縫金屬中的氫來(lái)不及逸出而保留在焊縫中，聚集而致裂。

現(xiàn)代工業(yè)水平可以將低合金鋼鍛件中的氫含量控制在非常低的水平，基本保證在0.8 mg/kg以下，且SA-508Gr.3 Cl.1鋼對(duì)氫致裂紋敏感性較低，產(chǎn)生氫致裂紋的風(fēng)險(xiǎn)很小;其次，在堆焊過(guò)渡層時(shí)，焊前對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱處理，焊后進(jìn)行了后熱或消應(yīng)熱處理，對(duì)母材中的氫進(jìn)一步消除，也就進(jìn)一步降低了堆焊耐蝕層時(shí)產(chǎn)生氫致裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。SA-508Gr.3 Cl.1鋼后熱溫度與時(shí)間對(duì)氫致裂紋的影響如圖7所示，低合金鋼經(jīng)受200～400 ℃、至少2 h的后熱處理，可以大大降低母材產(chǎn)生氫致裂紋的傾向。此外，過(guò)渡層的厚度一般超過(guò)3 mm，而耐蝕層堆焊時(shí)產(chǎn)生的熱影響區(qū)（粗晶區(qū)）一般在2 mm左右，此時(shí)的熱影響則位于過(guò)渡層熔敷金屬，對(duì)低合金鋼熱影響區(qū)中敏感區(qū)域的熱影響較小。因此，耐蝕層堆焊引起低合金鋼母材產(chǎn)生氫致裂紋的風(fēng)險(xiǎn)很小。

3.5 對(duì)熱影響區(qū)力學(xué)性能的影響分析

低合金鋼母材與不銹鋼線膨脹系數(shù)相差較大，焊前需對(duì)低合金鋼母材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱處理可以減小溫度差應(yīng)力，減少焊縫中的淬硬組織產(chǎn)生，防止焊縫中產(chǎn)生裂紋。

在過(guò)渡層表面堆焊耐蝕層時(shí)，預(yù)熱處理會(huì)使熱影響區(qū)在危險(xiǎn)溫度區(qū)停留時(shí)間增加，從而增大腐蝕和晶粒粗大傾向。脆性斷裂應(yīng)力和晶粒直徑的關(guān)系為：

由上述公式可知，晶粒直徑越大，脆性斷裂應(yīng)力越低，即低合金鋼熱影響區(qū)晶粒直徑越大，其脆性越大，韌性越差，抗裂紋能力越弱。因此，耐蝕層堆焊時(shí)持續(xù)對(duì)母材進(jìn)行加熱，容易造成低合金鋼熱影響區(qū)在高溫狀態(tài)下停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使熔敷金屬與母材邊界層晶粒粗大，存在降低韌性的風(fēng)險(xiǎn)。硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然熱影響區(qū)的硬度比母材高，但其差異很小，再結(jié)合沖擊試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為耐蝕層冷堆工藝下熱影響區(qū)的機(jī)械性能良好。

3.6 冷堆工藝對(duì)不銹鋼堆焊層質(zhì)量的影響

奧氏體不銹鋼焊縫金屬在焊接過(guò)程中易形成FeCr相[7-8]（σ相），σ相為富鉻相，其硬而脆，當(dāng)σ相體積含量較高時(shí)會(huì)降低韌度和延性。在全奧氏體的微觀組織中σ相析出較慢，一般是長(zhǎng)時(shí)間（幾百到幾千小時(shí)）在高溫停留才會(huì)形成，但鐵素體的存在會(huì)顯著加速σ相形成，從而降低焊縫的韌性。

耐蝕層為奧氏體焊縫，鐵素體含量較少，一般為5%～10%，σ相難以析出，性能較好，且耐蝕層金屬凝固時(shí)首先析出鐵素體，具有較高的抗裂紋性能。過(guò)渡層熔敷金屬中的鐵素體含量較高（12%～22%），焊接及熱處理過(guò)程中容易導(dǎo)致σ脆化相加速析出，造成過(guò)渡層純?nèi)鄯蠼饘夙g性較低，約為20 J，遠(yuǎn)低于耐蝕層熔敷金屬的韌性值。因此，堆焊耐蝕層時(shí)采用冷堆工藝可以減少過(guò)渡層在高溫的停留時(shí)間，減少脆化相σ相的產(chǎn)生或σ相在組織中連續(xù)的分布，減小焊縫韌性降低的風(fēng)險(xiǎn)。耐蝕層冷堆工藝有利于保證堆焊層質(zhì)量。

在壓力容器筒體內(nèi)壁大面積堆焊不銹鋼時(shí)，堆焊耐蝕層是否進(jìn)行預(yù)熱處理，對(duì)焊工的操作影響較小，空間大，容易操作;對(duì)于小管徑內(nèi)壁堆焊或特殊位置的堆焊時(shí)，焊工需要近距離或直接接觸待堆焊位置，但由于焊接位置、焊接施工條件等限制，預(yù)熱處理會(huì)嚴(yán)重影響焊工的操作，引起不必要的焊接缺陷，反而降低焊縫質(zhì)量。此外，開(kāi)展的堆焊工藝試驗(yàn)采用壓力容器實(shí)際堆焊用最大的焊接電流和熱輸入，對(duì)低合金鋼母材的熱影響相對(duì)較大，但根據(jù)無(wú)損檢驗(yàn)、金相及其他力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，熱影響區(qū)的機(jī)械性能良好;若采用較小的焊接電流和熱輸入時(shí)，如不銹鋼焊絲、焊條堆焊或補(bǔ)焊，對(duì)低合金鋼母材的熱影響相對(duì)較小，從而熱影響區(qū)的機(jī)械性能也會(huì)相對(duì)較好。

4 結(jié)論

（1）在低合金鋼母材抗裂紋敏感性提高以及氫含量有效控制的前提下，采用設(shè)計(jì)合理的焊接材料，耐蝕層冷堆工藝不會(huì)增加低合金鋼母材及熱影響區(qū)層下裂紋和氫致裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，且能夠保證熔敷金屬的抗裂性能。

（2）不銹鋼308L耐蝕層采用冷堆工藝進(jìn)行堆焊，減少堆焊層在高溫的停留時(shí)間，降低了引起焊縫韌性下降的風(fēng)險(xiǎn)，堆焊層質(zhì)量可靠。

（3）耐蝕層采用冷堆工藝，特別有利于小管徑內(nèi)壁及特殊位置的施焊。

參考文獻(xiàn)：

[1] ASME Boiler & Pressure Vessel Code. Part A SA-508/SA-508M Quenched and Tempered Vacuum-Treated Carbonand Alloy Steel Forgings for Pressure Vessels.

[2] RCC-M S2900 Data Sheets for Stainless Steel and NickelBase Alloy Filler Materials，2007.

[3] John C Lippold，Damian J Kotecki. Welding Metallurgy andWeldability of Stainless Steels[J]. China Machine Press，2005（2）：136-183.

[4] 張文鉞，焊接冶金學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：241.

[5] 楊文斗. 反應(yīng)堆材料學(xué)[M]. 北京：原子能出版社，2006：162 .

[6] Dhooge A，Dolby R E，Sebille J，et al. A Review of WorkReheat Cracking in Nuclear Reactor Pressure Vessel Steels [J]. Int. J. of Pressure Vessels &Piping，1978，6（5）：329.

[7] Vitek J M，David S A. The solidification and aging beha-vior of Types 308 and 308CRE stainless steel welds[J].Welding Journal，1984，63（8）：246-253.

[8] Vitek J M，David S A. The sigma phase transformation inaustenitic stainless steels[J]. Welding Journal，1986，65（4）：106-111.