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        核電雙相不銹鋼S32101焊接工藝研究

        2019-03-27 03:33:36,,,,
        中國核電 2019年1期
        關鍵詞:雙相母材奧氏體

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        (1.國電投山東電力工程咨詢院有限公司,上海 200233;2.國核工程有限公司,上海 200233;3.西安理工大學材料科學與工程學院,陜西 西安 710048;4.中核二三公司東方公司,浙江 海鹽 314300)

        雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼相比,在強度、耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕性能有明顯提高,也是一類節(jié)鎳不銹鋼。

        2006年由奧托昆普公司(Outkupmu)研究開發(fā)的S32101雙相不銹鋼是一種鐵素體—奧氏體型雙相不銹鋼,鐵素體含量范圍40%~50%。S32101雙相不銹鋼的棒材、卷板及中厚板已納入美國ASTM標準,標準牌號S32101,廣泛應用在核電鋼結構、儲罐、橋梁、建筑等領域。S32101雙相不銹鋼有強度高、韌性好、韌脆轉變溫度低、耐晶間腐蝕、焊接冷裂紋和熱裂紋的敏感性小等優(yōu)良的綜合性能。

        AP1000核電站結構模塊安全殼內換料水貯存箱鋼制墻體模塊(CA03結構模塊)、蒸發(fā)器和換料水池模塊(CA01結構模塊)、輔助廠房區(qū)域5/6模塊(CA20結構模塊)的母材是雙相不銹鋼A240 S32101。雙相不銹鋼結構模塊在核電站事故工況下承受高溫高壓狀態(tài)的結構荷載。

        鋼結構在核電施工現(xiàn)場常規(guī)的焊接方法是焊條電弧焊。焊條電弧焊熔敷金屬的性能和焊接線能量的關系密切相關,在小規(guī)范線能量的條件下,熔敷金屬性能優(yōu)異,缺點是容易產(chǎn)生未焊透、夾渣等焊接缺陷,且生產(chǎn)效率低;大規(guī)范線能量的條件下,生產(chǎn)效率高,缺點是容易產(chǎn)生圓形氣孔等焊接缺陷,且熔敷金屬化學成分易不均勻;合適的焊接線能量下,焊接熔敷金屬性能、生產(chǎn)效率、無損檢測性能的整體效果優(yōu)良。

        1 試驗用材料

        1.1 母材

        試驗用母材是山西太鋼不銹鋼股份有限公司生產(chǎn)的S32101雙相不銹鋼,交貨狀態(tài)是固溶酸洗。S32101雙相不銹鋼的化學成分見表1,力學性能見表2。試驗用的S32101雙相不銹鋼對接試板尺寸(長×寬×高)為500 mm×250 mm×25.4 mm。

        表1 母材的化學成分(質量分數(shù)/%)Table 1 The chemical composition of the base metal(mass percentage/%)

        表2 S32101雙相不銹鋼的力學性能Table 2 The mechanical property of the duplex stainlesssteel 32101

        母材金相組織中奧氏體相是島狀分布的明亮相,沿著雙相不銹鋼的軋制方向以棒狀或條狀分布;灰色的基體組織是鐵素體相。白色的奧氏體相呈現(xiàn)方向性的拉長。采用定量金相法測定其中奧氏體含量是48%,余下是鐵素體相,呈現(xiàn)出典型的雙相不銹鋼組織。雙相不銹鋼組織特點是組織中鐵素體組織與奧氏體組織的比例接近1∶1[1]。

        1.2 焊材

        焊材選用與母材S32101相匹配的上海大西洋E2209-16焊條,規(guī)格φ3.2 mm,化學成分見表3,力學性能見表4。

        表3 焊條的化學成分(質量分數(shù)/%)

        表4 焊條的力學性能Table 4 The mechanical properties of the welding rod

        2 焊接工藝

        2.1 組對

        圖1 焊接試板Fig.1 Welding plate

        試板V型坡口采用機械加工方法,加工粗糙度Ra≤6.3 μm。待焊坡口表面及坡口鄰近兩側母材表面13mm范圍內采用機械方法打磨至露出金屬光澤,去除氧化物、油、金屬屑等影響焊接質量的異物或缺欠(見圖1)。組對采用點焊組對的方式,起弧端的組對間隙比收弧端的間隙略小,以降低焊接收縮帶來的影響。在焊接前,清理待焊區(qū)域,保證待焊部位清潔度。

        2.2 焊接工藝參數(shù)

        為評定合理的焊接工藝參數(shù),選擇三種線能量執(zhí)行三組工藝試板焊條電弧焊(SMAW)[2]焊接。

        (1)小規(guī)范焊接工藝參數(shù)(XU1)

        焊接位置1 G。直流反接的焊接電流60~100 A;電弧電壓7~30 V;焊接速度5~20 cm/min;道間溫度不高于175 ℃。

        (2)中等規(guī)范焊接工藝參數(shù)(XU2)

        焊接位置1 G。直流反接的焊接電流70~130 A;電弧電壓17~30 V;焊接速度5~20 cm/min;道間溫度不高于100 ℃。

        (3)大規(guī)范焊接工藝參數(shù)(XU3)

        焊接位置1 G。直流反接的焊接電流80~180 A;電弧電壓18~30 V;焊接速度5~20 cm/min;道間溫度200~320 ℃。

        3 焊接接頭性能分析

        3.1 宏觀金相

        焊接接頭采用電解腐蝕法,電解腐蝕液是KOH溶液。宏觀金相照片見圖2。

        圖2 宏觀金相Fig.2 Macroscopic metallography

        三種焊接工藝下各接頭試樣焊接變形量均較小,焊縫外觀成形好,在腐蝕表面未發(fā)現(xiàn)未熔合、夾渣等常見焊接缺陷。

        3.2 微觀金相組織

        焊接接頭熱影響區(qū)(HAZ)顯微組織見圖3,灰色部分是鐵素體組織,灰白色部分奧氏體組織。

        圖3 母材與焊接接頭熱影響區(qū)微觀組織形貌Fig.3 Microstructure of heat affected zone of the base metal and the welded joint

        焊縫區(qū)域從上部到根部,隨著位置的變化,奧氏體數(shù)量呈逐漸遞增趨勢,且焊縫根部微觀組織中的奧氏體晶粒明顯粗大,根部位置晶粒尺寸出現(xiàn)細化的傾向。

        3.3 拉伸和彎曲試驗

        熔敷金屬常溫拉伸試驗、彎曲試驗的結果見表5。拉伸試樣(見圖4)均在母材處斷裂,表明焊接接頭強度高于母材,證明焊接試樣拉伸性能滿足焊縫熔敷金屬的力學性能指標;彎曲試驗(見圖5)的焊接接頭的表面均未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋,表明焊接接頭的質量均能滿足運用性能要求。

        表5 拉伸和彎曲試驗結果Table 5 The tensile and bend test results

        圖4 常溫拉伸試樣Fig.4 Tensile sample at normal atmospheric temperature

        圖5 彎曲試樣Fig.5 Bend sample

        3.4 沖擊試驗

        常溫下母材的沖擊吸收功是130 J,焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功見表6。XU2的沖擊試樣見圖6,熔敷金屬沖擊試樣斷口掃描見圖7。斷口掃描照片中韌窩明顯,且可見均勻分布的韌窩脆斷點。

        表6 焊縫的沖擊試驗值Table 6 Impact test values of the weld seam

        圖6 XU2沖擊試樣Fig.6 XU2 impact sample

        圖7 XU2熔敷金屬沖擊斷口掃描Fig.7 XU2 impact fracture scanning of the deposited metal

        -20 ℃和-40 ℃溫度下,S32101雙相不銹鋼在XUT2焊接工藝下焊縫和熱影響區(qū)以及母材的低溫沖擊功分別是55 J、89 J、96 J;46 J、58 J、76 J。ASME A923-2014規(guī)定了雙相不銹鋼(示例中未包括S32101)-40℃條件下,沒有析出物(金屬間化合物)的沖擊功最低要求,焊縫熔敷金屬34 J、母材和熱影響區(qū)54J;XUT2的試驗結果滿足標準A923的規(guī)定。S32101的沖擊功要求值雖然未在ASME A923-2014中明確,在鋼材采購技術規(guī)格書、焊接工藝評定的技術要求中,卻可參照執(zhí)行標準規(guī)定。

        3.5 高溫拉伸試驗

        當拉伸溫度在25 ℃時,母材和焊縫的抗拉強度710 MPa、775 MPa;當拉伸溫度在150 ℃時,母材和焊縫的抗拉強度605 MPa、665 MPa;當拉伸溫度在200 ℃時,母材和焊縫的抗拉強度595 MPa、645 MPa;當拉伸溫度在250 ℃時,母材和焊縫的抗拉強度635 MPa、635 MPa;當拉伸溫度在300 ℃時,母材和焊縫的抗拉強度680 MPa、650 MPa。母材和焊縫的抗拉強度的溫度曲線見圖8。

        圖8 母材和焊縫的抗拉強度的溫度曲線圖Fig.8 The temperature curve of the tensile strength of the base metal and the weld seam

        焊縫和母材抗拉強度隨溫度變化的曲線的相似之處是在25~300 ℃范圍內,母材與焊縫的抗拉強度變化趨勢均時先降低后略微增加,區(qū)別在于母材的最低抗拉強度在200 ℃時595 MPa,而焊縫的最低抗拉強度是在250 ℃時635 MPa;溫度低于250 ℃時,焊縫的抗拉強度一直高于母材的抗拉強度,當溫度高于250 ℃時,母材強度高于焊縫強度;最后,當溫度在250~300 ℃范圍內時,母材和焊縫的抗拉強度均呈增加趨勢,但是母材增加的幅度略大。

        圖9 非能動堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS)Fig.9 Passive core cooling system

        AP1000堆型核電站的非能動安全系統(tǒng)在堆芯保護初始信號發(fā)出后72 h[3]內無需操縱員手動操作,是內陸核電堆型的首選。在壓力邊界泄漏等失水事故或堆芯熔毀事故,甚至在壓力容器燒穿的事故工況的高溫高壓蒸汽環(huán)境下,非能動堆芯冷卻系統(tǒng)(見圖9)的持續(xù)冷卻能力慢慢降低,安全殼內部溫度逐步上升。雙相不銹鋼S32101的抗拉強度隨溫度升高先降后升,提高了極限事故工況下鋼結構模塊的耐受溫度,保障安全殼內事故工況下安全殼內部結構的完整性。

        4 結 論

        1)雙相不銹鋼S32101的焊接規(guī)范范圍比較寬,即在小規(guī)范、大規(guī)范的焊接參數(shù)下,均可以獲得良好的無損檢測性能。

        2)在中等規(guī)范的焊接電參數(shù)條件下,可以獲得良好的抗拉強度的熔敷金屬,且延伸率、沖擊功較小規(guī)范、大規(guī)范電參數(shù)條件下的優(yōu)越。

        3)在中等規(guī)范條件下,熔敷金屬-40℃條件下的沖擊大于34J,滿足ASTM A923-2014中雙相不銹鋼熔敷金屬低溫沖擊功值的規(guī)定。

        4)在核電應急事故條件下,結構鋼S32101在溫度達到200~250 ℃時抗拉強度出現(xiàn)向上的拐點,是保證核島內部結構完整的有力支撐,為核安全事故應急措施的執(zhí)行贏得了寶貴時間。

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