鋼制安全殼焊后熱處理工程應用與建議

晏桂珍 王成才 王剛 馬淋淋 李銀 楊照東

摘要：根據鋼制安全殼的結構尺寸、建造方式和焊后熱處理要求，分析對比了適宜鋼制安全殼焊后熱處理的加熱方式，并通過應用證明了局部焊后熱處理的可行性。結合工程經驗，提出了推動厚度小于60 mm的SA-738 Gr.B鋼板免除焊后熱處理，或采用超聲波沖擊處理代替焊后熱處理的建議。

關鍵詞：鋼制安全殼;SA-738 Gr.B;局部焊后熱處理;免除焊后熱處理;超聲波沖擊處理

中圖分類號：TG441.8 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）04-0076-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.15

0 ? ?前言

鋼制安全殼是AP/CAP系列非能動壓水堆核電站的特有設備，既是防止放射性物質向外擴散的屏障，也是整個非能動安全殼冷卻系統的重要組成部分。鋼制安全殼為按照ASME鍋爐及壓力容器規范（簡稱“ ASME 規范 ”）第Ⅲ卷第1冊NE分卷設計制造的帶上下橢球形封頭的“ 自由站立式 ”圓柱形壓力容器，筒體上設置了大量電氣貫穿件和機械貫穿件實現殼體的內外連接。鋼制安全殼材質為低合金高強度SA-738 Gr.B調質鋼板[1]。

AP/CAP1000鋼制安全殼直徑39.6 m、高65.6 m，

封頭壁厚41.3 mm，筒體第1層鋼板厚47.6 mm，其余層鋼板厚44.5 mm，貫穿件補強板厚度分別為64 mm、90 mm和100 mm。CAP1400鋼制安全殼內徑43 m、高度73.6 m，筒體厚超過50 mm，貫穿件補強板厚度分別為80 mm、90 mm、110 mm和130 mm，補強板最大外直徑8 500 mm。按照設計要求，鋼制安全殼整體組焊完畢后，與理論形狀相比，向內向外偏差不能超過一個壁厚[2-6]。

根據設計規范的要求，當焊縫母材名義厚度超過44.5 mm時，焊接接頭應進行焊后熱處理。以CAP1400鋼制安全殼為例，需要進行焊后熱處理的焊接接頭長度累計超過2 500 m。焊后熱處理是鋼制安全殼建造中的關鍵工序。

1 焊后熱處理主要方法

焊后熱處理主要有爐內加熱整體焊后熱處理、爐內整體分段加熱焊后熱處理、容器內部加熱整體焊后熱處理和殼體整圈加熱帶局部熱處理4種方式。

爐內整體熱處理是將壓力容器或受壓元件整體放在封閉的加熱爐內進行熱處理，比較適用于中小型壓力容器或受壓元件的焊后熱處理。

容器內部加熱整體焊后熱處理是由容器本體構成加熱爐燃燒室，在容器內部設置加熱裝置，按規定控制升溫、恒溫、降溫的各個過程，此方法廣泛應用于大型球罐等產品的焊后熱處理。其最常用的加熱方法有電熱法和輕柴油內燃法兩種，電熱法受現場電力供應的限制而應用較少;輕柴油內燃法由于所用機具簡單、施工安全等優點而得到廣泛的應用。

整體焊后熱處理具有整體性和一次性的特點，不僅節省焊后熱處理時間，節省能源，還可以使壓力容器或受壓元件免受二次加熱引起局部殘余應力與殘余變形等不利影響[7]。條件允許時，應優選整體加熱焊后熱處理。

當承壓設備（如塔器等）不宜進行整體焊后熱處理時，可以采取整體分段焊后熱處理。分段熱處理時，各加熱分段之間應重復加熱。ASME規范第Ⅲ卷第1冊NE分卷要求重復加熱長度不小于2 m。加熱部分的操作應符合爐內整體熱處理的規定;非加熱部分應采取保溫措施，使溫度梯度不影響材料的組織和性能。

承壓設備的B、C、D類焊接接頭，球形封頭與圓筒相連的A類焊接接頭以及缺陷焊補部位等可采用局部熱處理。當采取局部焊后熱處理時，加熱過程應沿容器或物項的整個圓周形成一個環形加熱帶;確保容器或物項的溫度從受控加熱帶的邊緣向外逐漸減小，以避免產生有害的溫度梯度。

此外，借鑒成熟的經驗或相應的評價方法，綜合考慮溫度梯度以及焊后熱處理過程中產生的應力載荷等的影響，ASME規范第Ⅷ冊第Ⅰ分卷還允許采用其他形狀（如牛眼式）的焊后熱處理加熱方法[6]。

2 鋼制安全殼焊后熱處理要求

2.1 保溫溫度

按ASME規范的材料分類，鋼制安全殼材質SA

-738 Gr.B鋼板屬于P-No.1材料。根據ASME規范第Ⅲ卷第1冊NE分卷NE-4622.4的描述，P-No.1材料的焊后熱處理保溫溫度為595～675 ℃。SA-738 Gr.B為調質鋼板，其最低回火溫度為635 ℃。為保證材料性能，焊后熱處理期間的最高保溫溫度應低于回火溫度15 ℃。綜上考慮，鋼制安全殼焊后熱處理保溫溫度為595～620 ℃。相比于非調質鋼板，調質鋼板的焊后熱處理對溫度均勻性提出了更高的要求。

2.2 保溫范圍與保溫時間

當采取局部焊后熱處理時，最小保溫寬度為焊縫最大寬度兩側各加1倍焊縫名義厚度或50 mm的較小值。為便于操作，AP/CAP1000和CAP1400鋼制安全殼筒體對接接頭需要進行焊后熱處理時，保溫寬度為焊縫最大寬度兩側及其50 mm范圍內。

ASME規范第Ⅲ卷第1冊NE分卷規定，當焊縫名義厚度小于50 mm時，最短保溫時間為焊縫名義厚度×2 min/mm，且不低于30 min;當焊縫名義厚度大于等于50 mm時，最短保溫時間為2 h+（焊縫名義厚度-50）×0.5 min/mm。保溫時間的計算是從同一次焊后熱處理有效保溫范圍內最后一個測溫點達到595 ℃開始，至第一個測溫點溫度開始低于595 ℃為止。

采用分段焊后熱處理的重復加熱部位或因其他原因造成多次焊后熱處理部位，有效熱處理時間應累計，且不宜超過材料模擬焊后熱處理時間的1.25倍。SA-738 Gr.B材料的模擬焊后熱處理時間為10 h，鋼制安全殼同一部位累計焊后熱處理時間不宜超過12.5 h。

2.3 升降溫速率

在425 ℃以上，加熱速率和冷卻速率應不超過220 ℃/h除以熱處理最大焊縫名義厚度的倍數，范圍為56～220 ℃/h。在加熱和冷卻過程中，在任何5 m焊縫長度間隔內，溫度變化應不大于139 ℃。

3 焊后熱處理加熱方法適宜性分析

3.1 筒體對接接頭的焊后熱處理加熱方法

3.1.1 整體焊后熱處理

為了縮短設備建造周期，鋼制安全殼采用上下2個橢球形封頭和多個筒體環模塊段的模塊化建造方式，各模塊段拼焊完畢后，再依次整體吊裝到核島就位形成完整的容器[8]。當鋼制安全殼模塊段核島就位形成封閉容器后，內部已安裝反應堆壓力容器和蒸汽發生器等大量主系統與設備，為規避焊后熱處理對內部主系統與設備的影響，不能采用“ 自身爐膛 ”內部加熱的方式進行整體熱處理[7]。由于鋼制安全殼直徑大、高度高，以及鋼制安全殼組焊完畢后周圍空間的限制，也不能采用從外部整體加熱的方式進行整體焊后熱處理。

3.1.2 整體分段焊后熱處理

筒體環模塊段組焊完畢后，是一個直徑達40 m、兩端開口、厚度與直徑比達到1/800，且最大質量達到1 450 t的薄壁圓筒。若對筒體環模塊段采取整體焊后熱處理，則需要建設大型專用熱處理爐。一方面，相應熱處理爐的建設成本很高;另一方面，筒體環模塊段進出熱處理爐不方便。當筒體環模塊段采取整體移入移出，則需配備重型吊裝設備，且要求操作定位準確，避免模塊段與加熱爐發生碰撞。當在加熱爐內組焊筒體環模塊段或筒體環模塊段組焊完畢后再堆砌加熱爐，會給鋼制安全殼的建造周期帶來不利影響。甚者，厚度與直徑比達到1/800的兩端開口薄壁筒體，整體焊后熱處理后，對整體形狀的變形影響的不確定性太大。故筒體環模塊段不宜采用整體焊后熱處理。

筒體環模塊段采取立式拼裝，組焊完畢后，直徑40 m的薄壁圓筒不宜翻轉。若筒體環模塊段采取整體分段焊后熱處理，則每處理一段，需對加熱裝置進行相應的升降移位，導致加熱裝置結構復雜，增加加熱裝置的建造成本。根據工程經驗，立式整體分段焊后熱處理變形雖然小于筒體環模塊段整體焊后熱處理，但出現超過設計要求的變形風險非常大。故筒體環模塊段也不宜采用整體分段焊后熱處理。

3.1.3 局部焊后熱處理

綜上所述，從工程應用上，鋼制安全殼筒體對接接頭僅局部焊后熱處理可供選擇。局部焊后熱處理主要有燃氣加熱、電加熱和電磁感應加熱等方式。燃氣加熱裝置相對簡單，成本較低，但很難將溫度均勻性控制在25 ℃以內，且安全性相對較差，一般適用于對加熱溫度均勻性要求不高的場合;電磁感應加熱裝置與被加熱體的外形尺寸匹配要求一致性高，當被加熱體的形狀結構發生變化時，加熱裝置宜相應進行更換，成本高，但溫度均勻性控制精度高、安全性高，一般適用于批量化產品且要求加熱溫度均勻性較高的場合。電加熱成本和溫度均勻性介于前兩者之間，且安全性有保障，可用于鋼制安全殼局部焊后熱處理的加熱。

文獻[9-11]規定，筒體局部焊后熱處理時應沿容器整個圓周形成一個環形加熱帶。CAP1400鋼制安全殼筒體上最大補強板外直徑為8 500 mm，按照相關研究文獻[12-16]的描述，計算焊接接頭向外側加熱寬度為2 655 mm，圓周加熱寬度為13 830 mm;鋼制安全殼內直徑43 m，殼體圓周135 m，圓周整圈加熱面積為1 867 m2;電加熱板單位功率為10 kW/0.22 m2，加熱電能為84 878 kW。采用圓周整圈加熱局部焊后熱處理，電功率需求太高，施工操作性較差。需要參照ASME規范第Ⅷ冊第Ⅰ分卷的描述，采用圓周分段、牛眼式或牛眼式圓周分段局部焊后熱處理等加熱方法。

上述局部焊后熱處理由于缺乏成熟的借鑒經驗，實施前需通過有限元模擬分析方法，對鋼制安全殼焊后熱處理全過程中的變形和應力進行迭代分析，選擇合適的加熱溫度梯度和升降溫速率，再通過相應的焊后熱處理工藝驗證，反向確定適宜的加熱寬度、保溫方式和升降溫速率等工藝參數，確保鋼制安全殼焊后熱處理的效果。

3.2 補強板與貫穿件的焊后熱處理加熱方法

AP/CAP1000和CAP1400鋼制安全殼上，存在部分貫穿件與補強板組件的連接焊縫需要進行焊后熱處理。根據ASME規范第Ⅲ卷第1冊NE分卷的要求，除免除強制性焊后熱處理的情況外，所有門、接管、開孔框架和類似的焊接結構，應在焊接到殼體上之前對焊接組件進行焊后熱處理。即貫穿件與補強板組件應先進行焊后熱處理，然后再焊接到鋼制安全殼筒體上。貫穿件與補強板組件最大外徑為8.5 m，可采用整體爐內焊后熱處理。

4 焊接工藝評定

根據ASME規范IX表QW-253的描述，焊后熱處理是涉及焊接工藝評定的重要變素。工藝評定試樣的PWHT應與焊縫在產品中受到的熱處理基本上相當，在熱處理溫度下累計時間不得小于產品所用時間的80%。

工藝評定采用了與產品相同的SA-738Gr.B鋼板，厚度40 mm（最大厚度可覆蓋200 mm），焊接材料選用φ3.2+φ4.0的E9018-G-H4焊條。為驗證大線能量下焊縫的性能，焊接位置為立向上，采用多層多道焊接。采用火焰加熱預熱，預熱溫度為95～133 ℃，層間溫度為127～197 ℃，最大熱輸入量為42.9 kJ/cm，焊接速度5.106～7.607 cm/min （φ3.2），5.811～7.947 cm/min （φ4.0）。

焊后試塊采用爐內整體焊后熱處理，425 ℃以上升溫速率100 ℃/h，降溫速率60～100 ℃/h，保溫范圍595～620 ℃，保溫10 h （產品焊縫焊后熱處理覆蓋最長累計12.5 h）。

對焊縫區和熱影響區試樣分別進行常溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗、側彎試驗、-29 ℃沖擊試驗等相關驗證，焊接接頭能夠滿足產品技術要求。

按照ASME規范IX QW-407的描述，此焊接工藝可以覆蓋產品的焊后熱處理要求。

5 工程應用情況與效果

AP/CAP系列鋼制安全殼各部位焊后熱處理工程應用方法如表1所示。

貫穿件與補強板部件采用燃氣爐整體爐內焊后熱處理時，提前標定燃氣爐工件放置區域的溫度均勻性，將溫差控制在20 ℃以內。熱處理過程中，在工件上焊縫及其兩側各50 mm范圍內設置測溫熱電偶，監控工件的實際溫度。

局部焊后熱處理采用雙側對稱布置電加熱片進行加熱。在工件上焊縫中間及其兩側各50 mm區域設置測溫熱電偶，在熱電偶上設置控溫熱電偶。將各個電加熱片加熱功率設置為單獨調控，根據測溫熱電偶的溫度實時調整相應區域加熱片的加熱功率，使工件上熱處理區域的溫度控制在595～620 ℃。

筒體縱縫和環縫對接接頭，采用矩形加熱片?？v縫對接接頭的中心線與加熱片中心線重合;對環縫對接接頭，加熱片的中心線距離焊縫中心線向下適當偏移;筒體與補強板對接接頭采用扇環形加熱片，加熱片的中心線與焊縫中心線重合。當焊接接頭兩側鋼板厚度不一致時，可通過在厚板側增加輔助加熱片的方式進行補償加熱，提高厚板一側部位升溫速率，控制溫度均勻性。

根據模擬分析，為了使不等厚對接接頭兩側薄厚板區域焊后熱處理過程中變形趨于協調一致，降低焊縫表面開裂幾率，采取垂直焊縫內外側設置加勁板的柔性調控方式，將原焊接接頭兩側的不均勻變形區域轉移到遠離焊接接頭的加熱區域。

采取上述方式成功完成了4臺AP1000鋼制安全殼的焊后熱處理和1臺CAP1400鋼制安全殼主要焊縫的焊后熱處理，整體效果達到預期要求。

6 改進建議

焊后熱處理可以消除組裝與焊接時產生的殘余應力，防止產生應力腐蝕，改善焊接接頭和熱影響區的組織和性能，達到降低硬度、提高塑性和韌性的目的，進一步釋放焊縫中的有害氣體，具有防止焊縫的氫脆和裂紋的產生，穩定設備的幾何尺寸、提高設備的使用壽命等作用[17]。其效果與材質的成分、組織、加熱溫度和保溫時間等多種因素綜合相關。但由于焊后熱處理效果檢驗、檢測方法的局限性，目前工程上暫無對其效果的驗收評價準則與方法。

鋼制安全殼的制造周期長，筒體對接接頭焊接完畢后到核電站冷試，時間一般為1～4年，具有相應的時間進行焊接殘余應力的自由釋放。鋼制安全殼材質SA-738 Gr.B調質鋼板，可焊性好，且配套焊材為低氫焊材。根據近10年的產品制造經驗，暫未發現檢驗合格的焊縫未經其他操作（如焊后熱處理等）后續發生表面裂紋的情況。

文獻[18-20]研究表明，SA-738Gr.B焊后熱處理態與焊態相比，拉伸性能有所下降，焊后熱處理未能改善焊縫和熱影響區的沖擊性能。這是因為焊后熱處理使焊縫和熱影響區碳化物數量明顯增多，使焊縫金屬晶粒長大，導致焊后熱處理態焊縫和熱影響區沖擊性能下降。2019年10月，美國核管會（NRC）批準了ASME 規范案例N-841，當 SA 738 Gr.B母材厚度小于 60 mm 時，在焊接工藝滿足一定條件的前提下，可免除焊接接頭的焊后熱處理[21]?？紤]到焊后熱處理給鋼制安全殼形狀控制帶來的挑戰，以及對建造周期和成本費用增加的影響，建議行業共同推動母材厚度小于60 mm的SA-738 Gr.B對接接頭免除焊后熱處理。

已有研究表明[22-23]，SA-738 Gr.B對接接頭表面采用超聲波沖擊處理，可以有效地消除接頭表面的殘余拉應力，強化表面硬度。超聲波沖擊處理有利于控制產品形狀變形風險，且可以與其他工作并行施工，有利于規避焊后熱處理對制造周期和成本費用的影響，已廣泛應用于母材不宜進行加熱的焊接殘余應力消除場合，可以作為一種替代鋼制安全殼焊后熱處理的應用方案。

7 結論

（1）根據鋼制安全殼的結構尺寸和建造特點，筒體區域對接接頭采用局部電加熱的焊后熱處理方式是可行的。

（2）根據SA-738 Gr.B鋼板的特殊性，焊后熱處理降低了對接接頭及熱影響區的抗拉強度和沖擊韌性，建議推動厚度小于60 mm SA-738 Gr.B鋼板免除焊后熱處理，或者采用超聲波沖擊處理代替焊后熱處理。

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收稿日期：2020-10-09

基金項目：國家科技重大專項資助項目（2018ZX06002002）

作者簡介：晏桂珍（1982—），男，學士，高級工程師，主要從事核電設備與模塊的制造技術研究。E-mail：yanguizhen@mail.snpemc.com。