核電站控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)Canopy焊縫組織和性能研究

沈天闊，邵善家，鄒小平，郭寶超，孫廣，蔣恩，卜佳煒，施譽(yù)，衛(wèi)曉春，黃文惠，陳寶洪

1.中廣核工程有限公司 廣東深圳 518124

2.上海第一機(jī)床廠有限公司 上海 200120

3.深圳中廣核工程設(shè)計有限公司 廣東深圳 518000

1 序言

近年來，隨著國家能源轉(zhuǎn)型的需要，核能作為一種清潔能源，日益受到關(guān)注[1]。核電的發(fā)展在穩(wěn)步推進(jìn)，根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，核電的發(fā)展呈現(xiàn)一種持續(xù)向好趨勢。控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)作為核島主設(shè)備之一，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接難度大等一直是困擾制造廠的關(guān)鍵問題[2]。其中，Canopy焊縫是控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)耐壓殼部件與管座連接的主要焊縫[3]。

傳統(tǒng)方法一直采用進(jìn)口拉拔Y形環(huán)進(jìn)行Canopy焊縫焊接，但進(jìn)口拉拔Y形環(huán)價格昂貴，焊環(huán)成本高。以華龍1號控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)為例，根據(jù)每臺機(jī)組使用需求，加上核電站現(xiàn)場焊接試驗的需求，單個機(jī)組實(shí)際使用Y形環(huán)數(shù)量達(dá)200個，甚至更多。另外，當(dāng)控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)更換維修時，也需要使用Y形環(huán)，這關(guān)系到核電站全壽命周期內(nèi)能否安全服役[4]。

為打破國外市場封鎖，滿足核電市場需求，研制國產(chǎn)Y形環(huán)替代國外Y形環(huán)勢在必行。Y形環(huán)尺寸要求高，制造難度大，本文首次采用機(jī)械加工Y形環(huán)進(jìn)行焊接試驗，為核電站控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)Canopy焊縫用機(jī)械加工Y形環(huán)提供了寶貴經(jīng)驗。

2 試驗條件及方法

2.1 母材與焊接材料的選擇

試件所用母材為022Cr19Ni10N不銹鋼，兩側(cè)母材近似管狀，焊接坡口處外徑163.57mm，壁厚1.9mm。焊接材料為Y形環(huán)，材質(zhì)為308L不銹鋼，焊環(huán)規(guī)格φ167.5mm×φ159.5mm，截面近似Y形，主要化學(xué)成分見表1。

表1 試驗用材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

從表1可看出，試驗用母材與焊接材料化學(xué)成分相近，均為奧氏體不銹鋼材料。其中，308L不銹鋼碳含量低，且含有適量的鐵素體。

2.2 焊接參數(shù)及檢測

焊前對試件用酒精進(jìn)行清洗，去除油污，然后用PC300型Canopy專用焊機(jī)進(jìn)行Canopy焊縫焊接，填充材料為機(jī)械加工Y形環(huán)。自動TIG焊焊接參數(shù)見表2，保護(hù)氣為Ar，純度為99.999%。

表2 自動TIG焊焊接參數(shù)

焊接完成后需對Canopy焊縫做外觀檢測、水壓滲漏試驗、金相及硬度試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 焊縫宏觀形貌

用目視及光學(xué)顯微鏡對Canopy焊縫宏觀形貌進(jìn)行觀察，Canopy焊縫宏觀形貌如圖1所示。

圖1 Canopy焊縫宏觀形貌

由圖1a、b可看出，Canopy焊縫正面成形良好，打磨清理后魚鱗紋均布，焊縫寬度為7～8mm。由圖1c、d可看出，Canopy焊縫背面成形良好，焊縫寬度為3～5mm，焊縫背面接頭處呈藍(lán)黑色，這是由于接頭處焊縫重熔，熱量較大所致。

Canopy焊縫截面形貌如圖2所示。

圖2 Canopy焊縫截面形貌

由圖2可看出，Canopy焊縫截面成形良好，焊縫與母材熔合線清晰，冶金結(jié)合良好，焊縫中心區(qū)域有明顯的分界線[5]。

3.2 焊縫微觀組織

用光學(xué)顯微鏡對Canopy焊縫截面組織進(jìn)行觀察，如圖3所示。

圖3 Canopy焊縫截面微觀組織

由圖3a可看出，熱影響區(qū)組織主要由柱狀奧氏體和骨架狀鐵素體組成，母材組織含有不規(guī)則多邊形狀奧氏體，且熱影響區(qū)含有細(xì)小晶粒。這是由于在熔池形成過程中，熔合線附近因散熱快而形成的過冷組織[6]。由圖3b可看出，在焊縫中心至邊緣過渡區(qū)，柱狀奧氏體組織生長具有明顯的方向性。圖3c中的焊縫中心區(qū)域組織，柱狀奧氏體組織和骨架狀奧氏體組織交錯在一起，沒有明顯的方向性。由圖3可看出，焊接接頭組織呈現(xiàn)典型的快速凝固組織，柱狀奧氏體組織由焊縫邊緣向焊縫中心生長[7]。

凝固模式與Cr-Ni偽二元相圖的關(guān)系如圖4所示。

圖4 凝固模式與Cr-Ni偽二元相圖的關(guān)系[4]

奧氏體不銹鋼鉻鎳當(dāng)量的計算公式為

Creq＝Cr＋1.37Mo＋1.5Si＋2Nb＋3Ti

Nieq＝Ni＋0.31Mn＋22C+14.2N＋Cu

由圖4及鉻鎳當(dāng)量計算公式可知，022Cr19Ni10N奧氏體不銹鋼的Creq/Nieq＝1.76，而熔化環(huán)308L不銹鋼的Creq/Nieq＝1.83，焊縫金屬的凝固模式對應(yīng)FA區(qū)段模式，即熔池凝固過程中呈現(xiàn)出鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的趨勢，最終形成板條狀或骨架狀鐵素體組織分布于奧氏體組織晶界[8]。在熔池凝固過程中，當(dāng)冷卻速度較快時，形成具有一定方向性的板條狀鐵素體，對應(yīng)焊縫熱影響區(qū)、過渡區(qū)晶粒組織（見圖3a、b）；當(dāng)冷卻速度較慢時，形成無方向性的骨架狀鐵素體，對應(yīng)焊縫中心區(qū)域（見圖3c）[9]。

3.3 水壓滲漏試驗

對Canopy焊縫進(jìn)行水壓滲漏試驗，試驗參數(shù)如下：環(huán)境溫度20.4℃，試驗介質(zhì)A級水，介質(zhì)溫度20℃，先升到12MPa，保持壓力5min；再升到23.1～23.3MPa，保持壓力20min；最后降壓至12MPa，保持壓力5min后，減小壓力至常壓。

水壓滲漏試驗實(shí)物如圖5所示。兩邊紅色裝置為C形夾，防止水壓過程工裝脫落。水壓滲漏試驗壓力隨時間變化曲線如圖6所示。由圖6可知，水壓試驗保壓過程無明顯波動，水壓試驗結(jié)果合格。經(jīng)23.1～23.3MPa水壓試驗后，Canopy焊縫表面無滲漏，無可見變形。這說明Canopy焊縫成形良好，焊縫與母材結(jié)合良好，焊縫可以承受23.1～23.3MPa水壓試驗。

圖5 水壓滲漏試驗實(shí)物

圖6 水壓滲漏試驗壓力隨時間變化曲線

3.4 硬度試驗

對Canopy焊縫截面進(jìn)行維氏硬度檢測，維氏硬度檢測點(diǎn)分布如圖7所示。維氏硬度檢測點(diǎn)區(qū)域包含母材-熱影響區(qū)-過渡區(qū)-焊縫中心區(qū)-過渡區(qū)-熱影響區(qū)-母材。圖8所示為Canopy焊縫維氏硬度曲線。由圖8可看出，焊縫與母材硬度在200HV10左右，焊縫過渡區(qū)與焊縫中心區(qū)域硬度無明顯差別，焊縫硬度均勻。另外，注意到熔合線處硬度偏高，達(dá)到250HV10左右，這是由于熔合線處冷卻速度快，過冷造成細(xì)晶強(qiáng)化，使得熱影響區(qū)硬度偏高[10]。

圖7 Canopy焊縫維氏硬度檢測點(diǎn)示意

圖8 Canopy焊縫維氏硬度曲線

4 結(jié)束語

通過控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部Canopy焊縫焊接工藝研究，得出如下結(jié)論。

1）采用PC300型Canopy焊縫專用焊機(jī)、機(jī)械加工Y形環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)Canopy焊縫單道一次成形，焊縫成形良好，寬度適中，無明顯缺陷；水壓試驗結(jié)果合格。

2）焊縫組織主要由板條狀或骨架狀鐵素體與快速凝固的柱狀奧氏體組成。

3）焊縫硬度試驗表明，焊縫硬度均勻。