（國核示范電站有限責任公司，山東榮成 264312）

SA738Gr.B鋼焊縫裂紋產生原因分析及處理

劉 非

（國核示范電站有限責任公司，山東榮成 264312）

鋼制安全殼是核電站的第三道安全屏障，其作用是在事故工況下，阻止放射性物質向環(huán)境逸散。焊接是鋼制安全殼制作安裝階段的重要加工工藝方法，焊接裂紋缺陷的存在將影響鋼制安全殼的質量，對核電站的安全運行造成極大的安全隱患。針對國內某核電工程鋼制安全殼閘門插入板與筒體之間的焊縫產生了裂紋的實際情況，重點圍繞焊接過程質量控制，詳細分析了焊接熱裂紋、冷裂紋、層狀撕裂、應力腐蝕裂紋以及再熱裂紋產生的原因，通過分析確認SA738鋼Gr.B鋼焊縫裂紋為再熱裂紋，并結合工程實際提出了預防措施和裂紋缺陷處理方法，為后續(xù)工程焊接工藝制定提供了參考。

核電工程；鋼制安全殼；SA738Gr.B鋼；焊縫裂紋；再熱裂紋

0 前言

國內某核電工程鋼制安全殼的設備閘門插入板與鋼制安全殼筒體之間的焊縫，在焊后熱處理拆除保溫棉的過程中，發(fā)現(xiàn)靠近設備閘門插入板一側的焊縫熱影響區(qū)有可見裂紋，隨后采用超聲和著色檢測方法檢查整條焊縫，發(fā)現(xiàn)表面裂紋區(qū)域共3處，裂紋長度共計約5.6 m，均處于鋼制安全殼外側，內側未見缺陷；裂紋位置均處于插入板一側的焊縫熔合線處，裂紋最深處約10 mm，如圖1所示。

焊接裂紋缺陷的存在將影響鋼制安全殼的質量，給核電站的安全運行造成極大的安全隱患。分析焊縫裂紋產生原因，制定正確合理的處理方案，對確保鋼制安全殼的建造質量具有重要的意義。

圖1 焊縫裂紋位置示意

1 工程簡介

設備閘門位置中心方位角為127.5°，中心標高為4.5 m；設備閘門的套筒外徑φ6 100 mm，插入板外徑φ8 500 mm，總質量51 t，在熱處理時將插入板與筒體的焊縫分為三段，從鋼制安全殼筒體內側觀測順序依次為：上側（210°～330°）→左側（125°～210°）→右側（330°～65°），如圖 2 所示。

圖2 設備閘門插入板與筒體焊縫熱處理分段示意

1.1 母材及焊接材料

某核電工程鋼制安全殼的母材和設備閘門插入板主體材質為SA738Gr.B鋼，其鋼板厚度分別為55 mm、52 mm和130 mm，采購入廠后對其進行了性能驗收。55 mm的SA738Gr.B鋼驗收時的化學成分和力學性能分別如表1和表2所示。

工程實體焊接用的焊接材料牌號為E9018-GH4，規(guī)格φ3.2和φ4.0，焊接前對E9018-G-H4焊條進行驗收和復驗，焊條驗收、復驗的內容和結果應符合E9018-G-H4焊條采購技術文件的要求，E9018-G-H4的化學成分和力學性能分別見表3和表4。

表1 SA738Gr.B鋼板化學成分%

表2 SA738Gr.B鋼板力學性能

表3 E9018-G-H4焊條化學成分%

表4 E9018-G-H4焊條力學性能

1.2 焊接、熱處理工藝以及無損檢測要求

設備閘門插入板與鋼制安全殼筒體之間的焊接采用評定合格的焊條電弧焊工藝，焊工和無損檢測人員分別按照HA603和HF602要求取得了相應資格證書。

ASME規(guī)范第Ⅲ卷NE分卷規(guī)定[1]，鋼制安全殼（SA-738 Gr.B鋼）焊后不進行熱處理的允許最大壁厚為44.5 mm。設備閘門插入板與鋼制安全殼筒體連接處的鋼板厚度為55 mm和52 mm，熱處理溫度595℃～620℃；熱處理升/降溫時，425℃以上時應控制鋼板的升/降溫速率小于等于100℃/h，熱處理保溫時間為130 min。

焊接完成后、熱處理前對設備閘門插入板與鋼制安全殼筒體之間的焊縫進行100%目視（VT）、著色（PT）和射線（RT）檢測；熱處理后進行100%目視和15%RT抽檢；另外在發(fā)現(xiàn)閘門插入板與筒體之間焊縫裂紋后，對所有的貫穿件、閘門的插入板與筒體之間的焊縫進行100%UT復查，鋼制安全殼筒體的環(huán)焊縫和縱焊縫進行10%復查。

2 焊縫裂紋產生原因分析及預防措施

2.1 過程質量控制排查

設備閘門插入板與鋼制安全殼筒體之間焊縫的焊接過程質量控制中的人（焊工、無損檢測、熱處理等相關工作人員資格以及4名參與焊接人員僅半年時間的焊接一次合格率均為100%）、機（焊接和熱處理設備在適用過程中狀態(tài)良好且都在標定的有效期內）、料（母材、焊材都嚴格按照采購技術條件進行采購，且入場驗收均為合格；焊材的存儲、烘干、發(fā)放、回收都滿足要求）、法（焊接和熱處理方案以及焊接和熱處理工藝、規(guī)程都是經過審批可用，相關人員嚴格按照批復的文件執(zhí)行，過程記錄與批復的文件一致）、環(huán)（焊接、熱處理時施工環(huán)境、焊接預熱溫度、層間溫度、后熱溫度以及坡口清理等符合要求）、測（焊接前、焊接過程中以及焊接后的無損檢測過程控制）6個方面進行排查，排查結果滿足質量過程控制要求。通過排查排除了焊接、熱處理過程中人為因素導致焊接裂紋產生。

2.2 焊接裂紋產生原因分析及排查

焊縫焊接完成后約一周時間開始對插入板與筒體之間的焊縫進行100%PT和RT檢驗,檢查過程中未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，通過分析設備閘門插入板與筒體之間焊縫焊接完工時間、無損檢測時間、無損檢測的結果及熱處理完工時間可知，設備閘門插入板與筒體板之間的焊縫在熱處理前未發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋是在拆除保溫棉過程中發(fā)現(xiàn)的。

在焊接接頭中由于焊接所引起的各種裂紋，統(tǒng)稱焊接裂紋，按照裂紋產生的機理分為熱裂紋、冷裂紋、層狀撕裂、應力腐蝕裂紋和再熱裂紋5類[2]，下面分析這5類裂紋產生的原因。

2.2.1 焊接熱裂紋原因分析及排查

焊接熱裂紋是焊接過程中，焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)時所產生的焊接裂紋，焊接熱裂紋包括結晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋。

（1）結晶裂紋是在焊縫凝固過程后期形成的裂紋，只在焊縫中產生，多呈縱向分布于焊縫中心，也有呈弧形分布于焊縫中心線兩側。在焊接過程中，熱處理前后的PT和RT檢測都未發(fā)現(xiàn)鋼制安全殼筒體所有的環(huán)焊縫和縱焊縫、貫穿件和閘門的插入板與筒體之間的焊縫中心存在裂紋。另外本次閘門插入板與筒體之間的焊縫裂紋產生于靠近閘門插入板母材一側的熱影響區(qū)，所以本次產生裂紋不是結晶裂紋。

（2）液化裂紋是在焊接熱循環(huán)峰值溫度作用下，在近縫區(qū)或多層焊道的層間部位低熔共晶被重新熔化，在拉應力的作用下開裂，主要發(fā)生在鉻鎳高強度鋼、不銹鋼和耐熱合金鋼的焊件中，在母材和焊材中 S、P、Si、C 偏高時液化裂紋嚴重[3]。SA738Gr.B鋼為低合金高強度鋼，焊接性能較好，由于Cr、Mo等元素的存在，如果焊接工藝不恰當，焊接接頭的影響區(qū)存在脆化、熱應變脆化及產生焊接裂紋的危險，在焊接過程中需要進行焊前預熱，能夠防止裂紋產生[4]。由表1和表3可知，母材和焊接材料中的S、P、Si、C含量均較低；焊接人員在焊接過程中，嚴格按照批復的焊接工藝規(guī)程進行了焊前100℃～130℃預熱，能有效地控制液化裂紋的產生，熱處理前后的PT、RT檢測以及UT檢測復查均未發(fā)現(xiàn)焊縫層間部位存在內部缺陷，所以確定產生的裂紋不是液化裂紋。

（3）多邊化裂紋是焊接時在金屬多邊化晶界上形成的熱裂紋，多發(fā)生在純金屬或單相奧氏體焊縫中，SA738Gr.B鋼和焊縫熱處理后的金相組織都為貝氏體回火組織+少量鐵素體，如圖3所示。熱處理前后的PT、RT檢測以及UT檢測復查都未發(fā)現(xiàn)焊縫層間部位的內部缺陷，所以確定本次產生的裂紋不是多邊化裂紋。

2.2.2 焊接冷裂紋原因分析及排查

焊接接頭冷卻到Ms點以下產生的焊接裂紋統(tǒng)稱為冷裂紋。冷裂紋通常出現(xiàn)在中、高碳鋼，低合金高強度鋼，某些超高強度鋼，工具鋼，鈦合金及鑄鐵等材料的焊接過程中，可能在焊后立即出現(xiàn)，也可能要很長時間才能出現(xiàn)，開始時出現(xiàn)少量裂紋，隨著時間增長逐漸增多和擴展。根據焊接生產中使用的鋼種、焊接材料、結構類型剛度以及施工條件不同，可出現(xiàn)不同形態(tài)的冷裂紋。焊接冷裂紋大致分為淬硬脆化裂紋、低塑性脆化裂紋和延遲裂紋。

圖3 SA738Gr.B鋼和焊縫的微觀金相

（1）淬硬脆化裂紋發(fā)生在脆硬傾向很大的鋼種焊接過程中，如含碳量較高的Ni-Cr-Mo鋼、馬氏體鋼、工具鋼以及異種鋼等，原因是冷卻時焊縫中發(fā)生了馬氏體相變而脆化，與氫氣關系不大，焊后通常立即出現(xiàn)在熱影響區(qū)和焊縫上。文獻[5]指出，SA738Gr.B鋼焊接接頭的焊縫和熱影響區(qū)的微觀組織為貝氏體+少量鐵素體，無裂紋及因淬火而產生的非正常組織，所以可以確定產生的裂紋不是淬硬脆化裂紋。

（2）低塑性脆化裂紋發(fā)生在某些塑性較低的材料焊后冷卻至低溫時，由于收縮而引起的應變超過了材料本身的塑性儲備或材質變脆而產生的裂紋，如鑄鐵補焊，硬質合金堆焊和高鉻合金焊接時就容易出現(xiàn)該類裂紋，通常是焊后立即產生，無延遲現(xiàn)象。

由表2可知，SA738Gr.B鋼在常溫、150℃高溫下具有良好的拉伸性能，在-45℃時具有良好的低溫沖擊性能。另外唐識等人研究結果表明[5]：SA738Gr.B鋼的焊接接頭在-29℃時具有很好的沖擊韌性。所以SA738Gr.B鋼焊接時不會產生低塑性脆化裂紋，所以可以確定本次產生的裂紋不是低塑性脆化裂紋。

（3）延遲裂紋是冷裂紋最常見的一種缺陷，它不在焊接后立即產生而是在焊后幾小時、幾天或更長的時間出現(xiàn)。該類裂紋主要發(fā)生在低合金高強度鋼焊接中，審查實踐和理論研究證明，鋼材的淬硬傾向、焊接接頭中的氫含量及分布、焊接接頭的拘束應力狀態(tài)是形成延遲裂紋的三大要素。

對于確定成分的母材和焊縫金屬，產生延遲裂紋的孕育期長短取決于焊縫金屬中擴散氫和焊接接頭所處的應力狀態(tài)。存在一個臨界含氫量與臨界應力值決定延遲裂紋是否產生，當氫含量低于臨界含氫量，只要拉應力低于強度極限，孕育期將無限長，實際不會產生延遲裂紋。

對于淬硬傾向低的鋼材，其塑性儲備高，對應力集中不敏感，誘發(fā)裂紋所需的臨界含氫量與臨界應力值都很高，所以延遲裂紋的孕育期長，裂紋傾向低。鋼材的淬硬傾向越大或馬氏體數(shù)量越多，越容易產生冷裂紋，經大量試驗獲得各種組織對冷裂紋的敏感性由小到大的排序為[2]：鐵素體（F）→珠光體（P）→下貝氏體（B1）→低碳馬氏體（ML）→上貝氏體（Bu）→粒狀貝氏體（Bg）→島狀M-A組元→高碳孿晶馬氏體（Mu）。SA738Gr.B鋼和焊縫具有良好的機械性能，母材和焊縫熱處理后的金相組織都為貝氏體回火組織+少量鐵素體，所以SA738Gr.B鋼的淬硬傾向較小。

另外鋼種的碳元素是引起淬硬組織的關鍵合金元素，可根據鋼材的化學成分與焊接熱影響區(qū)淬硬性的關系，鋼中的合金元素含量按其作用換算成碳的相當量作為粗略地評價鋼材冷裂傾向的參考指標，按照國際焊接學會推薦的碳當量計算公式

SA738Gr.B鋼的碳當量為：CEIIW=0.11+1.4/6+（0.1+0.16）/5+（0.3+0.4）/15=0.11+0.23+0.052+0.047=0.439%，CEIIW值為0.4%～0.6%，SA738Gr.B 鋼具有一定的淬硬傾向，但是通過焊接工藝評定試驗表明，該鋼種在焊接前進行100℃～130℃預熱溫度下不會產生延遲裂紋。

焊接SA738Gr.B所用的E9018-G-H4焊條屬于是低氫焊條，焊接前焊條烘干、坡口范圍內鐵銹油污清理、預熱溫度以及焊后緩冷等都符合工藝要求，因擴散氫發(fā)生延遲裂紋的可能性較小。另外現(xiàn)場焊縫無損檢測都是在焊后至少一周后進行，有的焊縫無損檢測在焊后超過一個月才進行，焊縫無損檢測未發(fā)現(xiàn)延遲裂紋，綜上所述，可以確定產生的焊縫裂紋不是焊接延遲裂紋。

2.2.3 層狀撕裂和應力腐蝕裂紋原因分析及排查

在焊接大型厚壁結構時，如果在鋼板厚度方向受到較大的拉應力，在鋼板內部就有可能出現(xiàn)沿鋼板軋制方向發(fā)展的具有階梯狀的層狀撕裂裂紋，該種裂紋常出現(xiàn)在T形接頭、角接接頭和十字形接頭中，很少出現(xiàn)在對接接頭中。

應力腐蝕裂紋是金屬材料在一定溫度下受腐蝕介質和拉伸應力共同作用而產生的裂紋。

從層狀撕裂和應力腐蝕裂紋產生機理及特點可知，可以確定產生的裂紋肯定不是層狀撕裂裂紋和應力腐蝕裂紋。

2.2.4 焊接再熱裂紋原因分析及排查

再熱裂紋是焊件在焊后一定溫度范圍內再次加熱（消除熱應力熱處理或其他加熱過程）產生的裂紋，產生機理是由于高溫及殘余應力的共同作用導致晶界優(yōu)先滑動，使粗晶區(qū)應力集中部位的變形量超過該部位的塑性變形能力，結果造成裂紋的發(fā)生和擴展，裂紋通常發(fā)生在熔合線附近的粗晶區(qū)，從形態(tài)、發(fā)生部位和發(fā)生條件等方面看，再熱裂紋具有如下特點：

（1）再熱裂紋僅在含有一定的Cr、Mo、V等沉淀強化元素的金屬焊件中產生，一般的低碳鋼和固溶強化類的低合金強度鋼均無再熱裂紋傾向，SA738Gr.B鋼在常溫和150℃的高溫條件下具有很高的強度，且鋼中含有Cr、Mo、V等沉淀強化元素。

（2）對于一般的低合金鋼，再熱裂紋產生的溫度區(qū)間為500℃～700℃，SA738Gr.B鋼熱處理溫度范圍為593℃～620℃。

（3）再熱裂紋都發(fā)生在焊接熱影響區(qū)的粗晶部位，裂紋走向是沿熔合線母材側的奧氏體粗晶晶界擴展，呈晶間開裂，裂紋不一定連續(xù)，有時候會斷續(xù)出現(xiàn)，遇到細晶就停止擴展。本次裂紋產生的部位在閘門插入板與筒體之間靠近插入板母材一側的焊接熱影響區(qū)上，產生缺陷的3個部位的焊接最大熱輸入量27.6 kJ/cm，均大于未產生裂紋部位的焊接輸入量。

（4）再熱裂紋產生區(qū)域存在殘余應力和不同程度的應力集中。通過對設備閘門插入板與筒體之間的焊縫外觀質量進行排查，發(fā)現(xiàn)三處焊縫裂紋靠近插入板一側的熔合區(qū)，焊縫余高均高于母材且未圓滑過渡，相鄰焊縫余高差較大，造成插入板一側焊縫焊趾部位形成較尖銳的凹槽，導致焊縫應力集中，如圖4所示。

圖4 焊縫外觀質量

另外，焊接前對閘門周圍筒體進行了加固處理，但在焊縫進行熱處理前拆除了此加固工裝，導致焊縫處熱處理前后所產生的拘束力不同。

通過分析裂紋焊縫鋼板母材和焊條的化學成分和審核焊接、熱處理、無損檢測等工序的原始記錄以及分析上述各種缺陷產生的原因可知，本次閘門插入板與筒體之間的焊縫裂紋為焊后熱處理形成的再熱裂紋。

2.3 再熱裂紋預防措施

影響再熱裂紋的因素包括冶金因素和工藝因素兩個方面，冶金因素主要是鋼中 C、Cr、Mo、V、Nb、Ti含量及鋼中雜質（Sb）、晶粒度等對再熱裂紋的影響；工藝因素包括焊接線能量、預熱及后熱溫度、殘余應力及應力集中等對再熱裂紋的影響。

在母材和焊材材料不變的情況下，為了預防再熱裂紋產生，只有從工藝措施方面入手，在焊接方法選定時，在保證焊接質量的前提下盡可能采用較小的焊接熱輸入量，減小熱影響區(qū)的過熱粗晶區(qū)；另外應嚴格按照焊接工藝規(guī)程要求進行焊前預熱和后熱；焊縫表面應平滑過渡，防止應力集中產生。

3 裂紋處理及要求

發(fā)現(xiàn)裂紋后對物項進行了隔離，開啟了不符合項，制定了焊縫裂紋返修處理方案，返修方案重點對人、機、料、法、環(huán)、測6個方面提出要求，確保焊縫返修工作順利開展和質量保證工作，下面介紹焊縫返修中的關鍵點。

3.1 閘門插入板與筒體焊縫的加固

由于設備閘門和插入板的總質量為51t，為了防止焊縫裂紋缺陷挖出過程中裂紋繼續(xù)擴展，保證焊接過程中的結構穩(wěn)定和變形量滿足設計要求，在焊縫裂紋缺陷開挖前應對閘門插入板與筒體之間的焊縫進行加固，通過計算可知，在距離裂紋端部約80 mm處焊接馬板（共計6塊，馬板材質SA738Gr.B，板厚20 mm），馬板與閘門的內表面應接觸良好，接觸長度約為150 mm，馬板焊接應滿足臨時附件的焊接要求，焊接所用的工藝、人員資格、焊材應與正式焊縫一致，馬板布置如圖5所示。

圖5 焊縫加固板布置示意

3.2 缺陷定位及挖出

參與缺陷定位和挖出的無損檢測人員、焊接人員必須具有資格證且經驗豐富，裂紋缺陷定位采用UT和PT相結合的方法，缺陷定位、挖出過程中相關人員應全程參與確認。

焊縫裂紋缺陷采用機械打磨方式進行清除，打磨時，先進行止裂孔內部打磨，再將止裂孔打磨，兩邊打磨應圓滑過渡。缺陷清除達到判定深度時，應仔細清理，若還有缺陷，繼續(xù)打磨，每層打磨控制量約為0.5 mm，采用PT檢測并確認所有缺陷徹底清除，必須將全部焊縫區(qū)域清除干凈并打磨出合適的坡口，滿足焊接工藝要求，缺陷清除后應及時記錄實際打磨深度、寬度和長度。

3.3 預熱、焊接及后熱

缺陷去除后，焊縫補焊前采用加熱板在缺陷背面進行加熱，預熱操作嚴格按照批復的工作程序要求執(zhí)行，預熱溫度嚴格按照焊縫返修焊接工藝規(guī)程要求（預熱溫度不低于120℃）。

焊工返修時應根據現(xiàn)場實際打磨寬度選擇多層多道焊方式，最終的蓋面焊縫可根據現(xiàn)場實際情況增加焊道，采用修磨方式，保證最終焊縫平滑過渡。焊接時采用φ3.2 mm的焊條進行小電流、窄焊道焊接，焊接過程中應嚴格控制層間溫度和層間耀皮清理，保證每一道焊縫質量。

補焊完成后應采取后熱措施，采用加熱板對補焊焊縫進行加熱，后熱溫度維持在250℃～350℃，后熱時間大于等于30 min，后熱處理完成后，空冷至環(huán)境溫度。

3.4 返修后的熱處理及無損檢測

焊縫返修完成并進行后熱處理后，應對補焊焊縫進行100%的VT、PT和RT檢測，對于所有的返修焊縫，當焊縫修補后的大于ASME規(guī)范要求進行焊后熱處理的最低厚度44.5 mm時，應按照批復的熱處理方案和工藝要求進行，熱處理后需進行100%PT和RT檢測。

4 結論

本次閘門插入板與筒體之間的焊縫裂紋是因為焊后熱處理引起的再熱裂紋，在工程實施過程中，可采取焊前預熱、焊接過程中采用小電流焊接減小焊接熱輸入、后熱以及焊接完成后將焊縫修磨成平滑過渡，防止應力集中等措施，防止再熱裂紋的產生。

[1]ASME BPVC-III.核設施部件構造規(guī)則NE分卷[S].2004.

[2]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3]孫濤，石磊.16MnDR焊接再熱裂紋原因分析及預防措施[J].科技傳播，2014（6）：[頁碼不詳].

[4]唐識，張俊寶，朱躍德.核電站鋼制安全殼用SA738Gr.B鋼的焊接工藝評定[J].熱加工工藝，2016（23）：245-247.

[5]唐識，張俊寶，朱躍德，等.核電站鋼制安全殼SA-738 Gr.B的焊接工藝[J].電焊機，2016，46（7）：72-78.

Cause analysis and treatment of weld crack in SA738Gr.B steel

LIU Fei
（State Nuclear Power Demonstration Plant Co.，Ltd.，Rongcheng 264312，China）

The steel containment vessel is the third safety barrier of the plant，which is used to prevent the radioactive material from escaping to the environment under the accident condition.Welding is an important process method for the production and installation of steel safety shell，the existence of welding crack defects will affect the quality of the steel containment vessel，and the safety operation of the nuclear power plant will pose a great safety hazard.For a domestic nuclear power engineering steel containment gate insert plate weld produced between the shell and the actual situation of the crack，focusing on the quality control of welding process，the causes of welding hot cracks，cold cracks，lamellar tearing，stress corrosion cracks and reheat cracks are analyzed in detail.Confirm SA738 steel Gr.B steel weld crack for reheat crack，and puts forward prevention measures combined with engineering practice and crack defects processing requirements.This article provides reference for subsequent project SA738Gr.B steel welding process.

nuclear power project；steel containment vessel；SA738Gr.B steel；weld crack；reheating crack

TG457.11

B

1001-2303（2017）09-0062-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.13

本文參考文獻引用格式：劉非.SA738Gr.B鋼焊縫裂紋產生原因分析及處理[J].電焊機，2017，47（09）：62-68.

2017-03-14

劉 非（1976—），男，高級工程師，主要從事生產準備、技術設計、計劃與控制等管理工作。E-mail：7979 451@qq.com。