李志杰

海南昌江多用途模塊式小型堆科技示范工程堆型采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的，滿足三代核能系統(tǒng)指標(biāo)的十萬千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組（ACP100）。模塊式小型反應(yīng)堆作為一種安全、經(jīng)濟(jì)的核電新堆型，是國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA） 鼓勵(lì)發(fā)展和利用的一個(gè)核能開發(fā)新方向，核電發(fā)達(dá)國(guó)家都在積極研發(fā)，而我國(guó)開發(fā)模塊式小型反應(yīng)堆可與世界先進(jìn)核電技術(shù)水平保持同步，占據(jù)核能技術(shù)的制高點(diǎn)，促進(jìn)核能技術(shù)發(fā)展。同時(shí)，模塊式小型反應(yīng)堆是能源發(fā)展的必要和補(bǔ)充，我國(guó)地域遼闊，可以大大解決資源分布和能源需求不均衡問題[1～3]。

在這個(gè)堆型的制造過程中，面臨眾多技術(shù)問題。尤其該小型堆泵殼與隔板焊縫是焊接難度最大的焊縫之一，其特點(diǎn)是空間受限、焊接厚度大、焊接長(zhǎng)度大，還要進(jìn)行無損質(zhì)量檢測(cè)，手工焊接無法勝任。因此，昌江小型堆主泵接管泵殼與隔板焊接技術(shù)對(duì)該堆型能否自主制造起著決定性作用。

1 產(chǎn)品及焊接結(jié)構(gòu)

本文的海南昌江多用途模塊式小型堆重點(diǎn)項(xiàng)目反應(yīng)堆壓力容器（以下簡(jiǎn)稱昌江小堆） 的主泵接管內(nèi)徑為?600 mm，隔板厚度為80 mm，寬度為544 mm，安裝于主泵接管中心，主泵接管與隔板組焊焊縫長(zhǎng)度1 085 mm，焊縫距離接管側(cè)壁最大距離25 mm，焊縫高度方向距離接管內(nèi)壁最大距離僅94 mm，由于空間狹小，觀察困難，焊接操作嚴(yán)重受限，焊接難度極大，屬于典型的受限空間焊接（見圖1）。

圖1 主泵接管與隔板組焊焊縫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 焊接技術(shù)開發(fā)

2.1 焊接方法的選擇

由于主泵接管與隔板焊接的空間結(jié)構(gòu)受限，且焊接量大，無法用手工電弧焊或手工TIG 焊接完成，只能采用自動(dòng)焊接方式。另外，在焊接裝備中，自動(dòng)化TIG 結(jié)構(gòu)多樣，可實(shí)現(xiàn)緊湊空間焊接，可控性強(qiáng)，焊接質(zhì)量好。因此，筆者用自動(dòng)化TIG焊接方式進(jìn)行主泵接管與隔板的焊接。

2.2 坡口結(jié)構(gòu)

筆者根據(jù)主泵接管結(jié)構(gòu)，綜合考慮加工難度，采用在主泵接管內(nèi)壁堆焊凸臺(tái)后加工單V 坡口，在隔板寬度兩側(cè)加工單V 坡口，裝配后組成不對(duì)稱V 型坡口，隔板側(cè)坡口稍大一些（見圖2）。

圖2 主泵接管與隔板組焊坡口結(jié)構(gòu)圖

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

由于主泵接管與隔板的焊接空間無法采用常規(guī)設(shè)備焊接，筆者開發(fā)出適于主泵接管與隔板焊接的專用焊機(jī)（見表1）。

表1 主泵接管與隔板焊接專機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

為了獲得良好的焊接質(zhì)量，尤其在打底焊接時(shí)能夠獲得良好的單面焊雙面成形效果，筆者開發(fā)專用背面氣體保護(hù)裝置；為了工程實(shí)施方便快捷，設(shè)計(jì)制作了支撐架、行走臺(tái)架、調(diào)整機(jī)構(gòu)等輔助裝置（見圖3）。

圖3 背面氣體保護(hù)裝置

3 試驗(yàn)材料與方法

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑榈秃辖痄?6MND5，母材微觀組織為粒狀貝氏體，焊接材料采用?0.9 mm 的E309L和E308L 兩種焊絲。利用直讀光譜儀測(cè)得試驗(yàn)?zāi)覆呐c焊絲化學(xué)成分（見表2）。焊接保護(hù)氣、背面氣體保護(hù)均采用純度為99.999%Ar，采用機(jī)械手自動(dòng)焊接。整個(gè)試驗(yàn)件組焊完成后，從堆焊層、焊縫組織分別截取力學(xué)試樣、金相試樣、化學(xué)試樣、晶間腐蝕等試樣，其中金相組織、晶間腐蝕等試樣件經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡觀察微觀組織[4～6]（見表3）。

表2 ER308L、ER309L 焊絲化學(xué)成分表(wt.%)

表3 主泵接管與隔板焊接工藝參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方法

（1）拉伸試驗(yàn)

筆者分別在沿焊縫縱向、橫向方向分別在焊縫表層、T/2、根部切取棒拉試驗(yàn)件，按照RCC-M 2007 SI100 標(biāo)準(zhǔn)加工試驗(yàn)件，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)（HS-1） 與電子引伸機(jī)（HS-156） 進(jìn)行室溫、高溫拉伸試驗(yàn)。為保證焊接接頭性能，在接頭全厚度切取30 mm×37 mm×450 mm 試驗(yàn)件進(jìn)行室溫板拉試驗(yàn)。

（2）夏比沖擊試驗(yàn)

測(cè)定金屬材料抗缺口敏感性(韌性) 試驗(yàn)按照RCC-M 2007 SI312/MC1221 標(biāo)準(zhǔn)加工10 mm×10 mm×55 mm 試驗(yàn)件，采用落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)（HS-113） 與夏比沖擊試驗(yàn)降溫儀（HS-129） 進(jìn)行不同溫度下主泵側(cè)隔離層、焊縫、主泵側(cè)熱區(qū)、隔板側(cè)熱區(qū)的表層、T/3，以及根部的夏比沖擊試驗(yàn)。

（3）顯微硬度檢測(cè)

采用維氏硬度儀（HS-240），根據(jù)RCC-M 2007 SI500/MC1280 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，試樣尺寸10 mm×60 mm×220 mm，在焊接接頭的橫截面上測(cè)量硬度，測(cè)點(diǎn)位置分別在焊接接頭厚度的1/4 和1/2 處，在低合金鋼側(cè)熱影響區(qū)每隔0.5 mm 測(cè)一個(gè)點(diǎn)，共取5 個(gè)點(diǎn)，在母材熔敷金屬上每隔1 mm 測(cè)一個(gè)點(diǎn)，共取3 點(diǎn)。

（4）晶間腐蝕

晶間腐蝕試驗(yàn)按照RCC-M SI600/MC1320 標(biāo)準(zhǔn)E 法進(jìn)行，試樣狀態(tài)為敏化態(tài)（保溫700 ℃±10 ℃×0.5 h），試樣尺寸為4 mm×10 mm×70 mm。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 焊縫宏觀形貌與無損檢測(cè)

筆者根據(jù)主泵接管和隔板裝配后空間狹小，觀察困難的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)備情況，制定合適的裝配與焊接工藝。經(jīng)過試驗(yàn)件的調(diào)試和驗(yàn)證，可滿足主泵接管-隔板坡口形式焊接，首層背透效果良好，整條焊縫成形質(zhì)量良好（見圖4）。焊后經(jīng)PT，UT檢測(cè)全部合格，滿足產(chǎn)品無損檢測(cè)要求。

圖4 主泵接管與隔板焊縫宏觀形貌

4.2 焊縫微觀組織

采用倒置式金相顯微鏡（HS-135），對(duì)母材、熱影響區(qū)、隔離層、焊縫的金相組織進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果顯示：母材16MND5 為典型的核電用鎳錳鉬低合金鋼，組織為回火貝氏體組織（見圖5（a））；隔離層、焊縫為奧氏體+鐵素體組織（見圖5（b），（c））；熱影響區(qū)為貝氏體組織（見圖5（d））。試樣均未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋和影響接頭性能的沉淀物，滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求。

圖5 焊縫微觀組織形貌（X200）

4.3 力學(xué)性能

（1） 沖擊性能

從不同位置沖擊試驗(yàn)結(jié)果可以看到，焊縫表層、T/3、根部的沖擊吸收功依次減小，但差別不大?？傮w而言，焊縫內(nèi)部沖擊吸收功遠(yuǎn)高于主泵側(cè)隔離層與隔板側(cè)隔離層。焊縫、隔離層沖擊吸收功均遠(yuǎn)高于母材，說明焊接熱輸入控制合理，能夠保證焊縫內(nèi)部組織與沖擊性能（見表4）。

表4 沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

（2） 彎曲性能

彎曲試驗(yàn)主要用來檢測(cè)焊縫材料在經(jīng)受彎曲負(fù)載作用時(shí)的性能，評(píng)價(jià)焊縫金屬材料的彎曲強(qiáng)度和塑性變形的大小。試驗(yàn)按照RCC-M 2007 SI200/MC1260 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，試樣大小30 mm×35 mm×250 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明：室溫下焊縫表層、根部的面彎與側(cè)彎上均未發(fā)生明顯開裂；在全厚度側(cè)彎出現(xiàn)≤0.45 mm×0.07 mm 裂縫，滿足標(biāo)準(zhǔn)中“拉伸面上單個(gè)裂紋、氣孔和夾渣物等的長(zhǎng)度不得超過1.5 mm”的要求，故焊縫彎曲性能滿足要求。

（3） 拉伸性能

由試驗(yàn)結(jié)果可知，焊縫抗拉強(qiáng)度平均值為584 MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度（550 MPa） 的94%，焊縫屈服強(qiáng)度平均值為476 MPa，達(dá)到母材屈服強(qiáng)度（400 MPa） 的84%，斷后平均伸長(zhǎng)率為39%，斷裂位置均發(fā)生在焊縫位置（見表5）。

表5 焊縫接頭力學(xué)性能

4.4 晶間腐蝕

試樣經(jīng)腐蝕后，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)（HS-1）進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，然后將試樣放大10 倍觀察。觀察結(jié)果表明，對(duì)接焊縫表面縱向、主泵側(cè)隔離層表面縱向及隔板側(cè)隔離層表面縱向均沒有發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋及傾向，試驗(yàn)合格，滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求。

4.5 宏觀硬度

從焊接接頭硬度分布測(cè)試結(jié)果可以看到，不同位置的所有焊縫均是熔敷金屬硬度最低，由于熱影響區(qū)滲碳體析出較多，硬度較高，與母材硬度基本相同，隔離層硬度處于二者中間（見圖6）。由于熱影響區(qū)在每一次焊接過程中都相當(dāng)于進(jìn)行一次熱處理，晶粒長(zhǎng)大，導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度高于焊縫。總之，隔離層、焊縫及熱影響區(qū)的宏觀硬度都滿足產(chǎn)品技術(shù)條件。

圖6 焊接接頭硬度分布

5 結(jié) 語

（1） 針對(duì)海南昌江多用途模塊式小型堆主泵接管泵殼與隔板焊接空間受限、焊接厚度大、焊接長(zhǎng)度大等技術(shù)難點(diǎn)，開發(fā)出適用于主泵接管與隔板焊接的專用焊機(jī)。

（2） 試驗(yàn)結(jié)果表明，主泵接管和隔板焊接接頭焊縫抗拉強(qiáng)度平均值達(dá)到母材強(qiáng)度的94%，焊縫屈服強(qiáng)度平均值達(dá)到母材屈服強(qiáng)度的84%，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，僅焊接熱影響區(qū)及交界處力學(xué)性能較弱。

（3） 該主泵接管和隔板焊接接頭全部性能滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求，為同類產(chǎn)品的制造做好技術(shù)準(zhǔn)備。