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(shè)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(yīng)堆，并在此基礎(chǔ)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(lǐng)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(yīng)堆壓力容器是海洋核動力平臺的核心設(shè)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(fēng)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(yīng)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(yīng)力腐蝕裂紋和性能降低。本文從海洋核動力平臺反應(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(fù)雜的熱循環(huán)會引起較高的焊接殘余應(yīng)力和低韌性組織，在設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)成分見表1。

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

4 焊接工藝

海洋核動力平臺反應(yīng)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(yù)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(yù)熱溫度121℃，最高層間溫度250℃；其余層最低預(yù)熱溫度10℃，最高層間溫度177℃。

2）焊接設(shè)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(yù)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(yù)防弧坑裂紋等焊接缺陷。

2）焊接設(shè)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(yù)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(yù)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(yīng)堆壓力容器設(shè)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(yīng)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(xué)成分符合設(shè)備技術(shù)文件要求，性能全部滿足設(shè)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(shè)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(yīng)堆壓力容器接管與安全端，保證了反應(yīng)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。