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        焊接電流對(duì)蒸汽發(fā)生器水室封頭堆焊層的影響

        2022-06-21 03:41:40范海平
        化工裝備技術(shù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:晶區(qū)水室低合金鋼

        范海平* 涂 強(qiáng)

        (上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司)

        0 引言

        蒸汽發(fā)生器是核電站核島的關(guān)鍵設(shè)備,也是核電站第二道放射性防護(hù)屏障的重要組成部分。蒸汽發(fā)生器的水室封頭屬于核電站一回路承壓邊界,其內(nèi)表面直接和高溫、高壓、高放射性的冷卻劑接觸,因此需要具備較高的強(qiáng)度和耐腐蝕性。蒸汽發(fā)生器水室封頭采用低合金鋼SA-508M Gr.3 Cl.2 材料,并在其內(nèi)壁堆焊不銹鋼,這樣既可以滿足強(qiáng)度的要求,又大大提高了其耐腐蝕性能,并使設(shè)計(jì)壽命達(dá)到了要求。

        考慮到低合金鋼母材熔化后進(jìn)入熔敷金屬,對(duì)不銹鋼合金元素有一定的稀釋作用,蒸汽發(fā)生器水室封頭內(nèi)壁采用組合堆焊,第一層堆焊合金元素含量相對(duì)較高的309L 不銹鋼。后續(xù)層堆焊合金元素含量相對(duì)較低的308L 不銹鋼,為了滿足堆焊厚度設(shè)計(jì)要求,及抗腐蝕性能要求,一般需要堆焊2~3 層308L 不銹鋼。為了提高效率,蒸汽發(fā)生器制造廠水室封頭內(nèi)壁大面積堆焊大都采用埋弧焊(SAW)工藝,由于拐角處和接管的圓弧段形狀不規(guī)則,不方便采用自動(dòng)焊,則采用手工電弧焊(SMAW)進(jìn)行堆焊。

        國內(nèi)某蒸汽發(fā)生器制造廠采用埋弧焊堆焊完第一層EQ309L 后,在堆焊第二層EQ308L 堆焊層的第11 道焊縫時(shí),由于焊機(jī)反饋信號(hào)出現(xiàn)故障,電流突然增大為1 250~1 350 A,焊接工藝評(píng)定(PQR)和焊接工藝規(guī)程(WPS)的電流范圍是700~800 A,電焊機(jī)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過PQR 和WPS 要求的范圍,導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器水室封頭內(nèi)壁堆焊層的強(qiáng)度和耐腐蝕性能變得不可靠。為了確定電流突然增大對(duì)堆焊層和母材的影響,即確定EQ308L 堆焊層是否熔敷到母材和母材熱影響區(qū)中過熱粗晶區(qū),該制造廠對(duì)堆焊過程進(jìn)行了模擬,即選取合適尺寸的SA-508M Gr.3 Cl.2 低合金鋼母材,嚴(yán)格按照PQR 和WPS 中的參數(shù)進(jìn)行EQ309L 和EQ308L 堆焊,但在EQ308L 堆焊層的第11 道,采用1 250~1 350 A 的焊接電流堆焊。然后在電流增大的位置取樣,進(jìn)行硬度檢測和金相試驗(yàn),研究電流增大對(duì)蒸汽發(fā)生器水室封頭堆焊層的影響,確定了過熱粗晶區(qū)的范圍及EQ309L 堆焊層的厚度。

        1 焊接電流增大對(duì)焊縫外觀的影響

        蒸汽發(fā)生器水室封頭內(nèi)壁電流增大后形成的堆焊層如圖1 所示,該成形不良焊縫搭接側(cè)邊緣距離90°~270°軸線約90 mm,其余均焊縫正常。從圖1可以看出,成形不良焊縫與正常焊縫相比較寬;通過對(duì)焊縫高度進(jìn)行測量后可知,成形不良的焊縫焊高要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常焊縫,約為正常焊縫高度的兩倍;且由于焊接電流增大,焊縫之間的搭接量也更大。

        圖1 成形不良焊縫與正常焊縫的外觀

        成形不良焊縫與正常焊縫的寬度、焊高與搭接量對(duì)比情況可見表1。

        表1 成形不良的焊縫與正常焊縫的焊縫寬度、焊高與搭接量對(duì)比

        2 熱影響區(qū)的過熱粗晶區(qū)深度

        對(duì)蒸汽發(fā)生器水室封頭進(jìn)行不銹鋼埋弧堆焊時(shí),在焊接熱輸入的作用下,低合金鋼母材會(huì)形成熱影響區(qū),熱影響區(qū)的過熱粗晶區(qū)奧氏體晶粒嚴(yán)重長大,冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織,塑性和韌度明顯下降,影響整個(gè)水室封頭的強(qiáng)度和耐腐蝕性能。為了確定電流增大后焊縫的過熱粗晶區(qū)的深度,從而確定后續(xù)返修時(shí)的打磨去除低合金鋼母材的深度,該蒸汽發(fā)生器制造廠在模擬件上取樣后進(jìn)行了HV10 硬度檢測。

        HV10 硬度檢測分別在焊縫、熱影響區(qū)和母材進(jìn)行。在模擬件厚度方向,共選取6 個(gè)檢測點(diǎn),在EQ309L 與母材的熔合線取第一個(gè)點(diǎn),熔合線以下的熱影響區(qū)取兩個(gè)點(diǎn),熔合線以上的焊縫取三個(gè)點(diǎn),母材取三個(gè)點(diǎn),且這些點(diǎn)在模擬件厚度方向均勻分布,相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間的距離為1 mm。在模擬件水平方向,三條硬度測量線間距為30 mm,且第2 條線位于兩個(gè)焊道搭接區(qū)。HV10 硬度檢測的結(jié)果可見表2。從表2 中的硬度數(shù)據(jù)可以看出,焊縫的HV 硬度最低,其次是母材,熱影響區(qū)的HV 硬度比母材和焊縫都高。熱影響區(qū)第一個(gè)點(diǎn)在EQ309L 與母材的熔合線處,其余兩個(gè)硬度測量點(diǎn)分別距離該熔合線往下1 mm 和2 mm。從表2 還可以看出,熔合線處硬度最高,離熔合線位置越遠(yuǎn),硬度值越低。熔合線到熔合線以下2 mm 區(qū)域內(nèi)硬度值相對(duì)較高。因此,在后續(xù)的返修過程中,打磨去除成形不良焊縫的深度為熔合線以下2 mm。

        表2 模擬成形不良的焊縫HV10硬度試驗(yàn)結(jié)果

        3 宏觀和微觀金相試驗(yàn)

        由于EQ308L 與EQ309L 材料的化學(xué)成分不同,EQ309L 作為過渡層,其合金元素含量較高,這是由于母材進(jìn)入熔敷金屬,對(duì)EQ309L 堆焊層有一定的稀釋作用,一般EQ308L 堆焊層不能直接與母材接觸。為了確保EQ308L 堆焊層未熔敷至母材,需要確定成形不良的焊縫中EQ309L 堆焊層的厚度,從模擬件中取樣制作了宏觀和微觀金相試樣。圖2 所示為模擬件的宏觀金相照片,采用10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)草酸水溶液及4%硝酸酒精溶液腐蝕,并放大6.5 倍。從圖2 可以清晰地看到母材和EQ309L 的熔合線及EQ309L 與EQ308L 的熔合線。通過測量,EQ309L 熔敷金屬剩余堆焊層厚度(即EQ309L 與母材SA-508 Gr.3 Cl.2 低合金鋼熔合線和EQ309L 與EQ308L 的熔合線的最小距離)為1.2 mm, EQ308L 未熔敷至母材。

        圖2 模擬件的宏觀金相照片

        微觀金相試樣采用4%的硝酸酒精溶液浸蝕,放大200 倍觀察,分別選取了熔合線附近,距離熔合線1、2、3 mm,共4 個(gè)視場觀察(如圖3 ~圖6 所示)。EQ309L 與母材SA-508 Gr.3 Cl.2 低合金鋼熔合線在圖3 中清晰可見。圖3、圖4 和圖5 中均可以發(fā)現(xiàn)相對(duì)較為粗大的晶粒,而圖6 中的晶粒則相對(duì)較細(xì)小,這說明粗晶區(qū)出現(xiàn)在熔合線以下2 mm 左右,這與硬度試驗(yàn)得到的結(jié)論吻合,晶粒較為粗大的組織,其硬度也較高。

        圖3 熔合線附近微觀金相照片

        圖4 距離熔合線1 mm處微觀金相照片

        圖5 距離熔合線2 mm處微觀金相照片

        圖6 距離熔合線3 mm處微觀金相照片

        4 結(jié)論

        對(duì)蒸汽發(fā)生器水室封頭堆焊層EQ309L 和EQ308L 堆焊層的焊接電流增大過程進(jìn)行了模擬,在模擬件上取樣進(jìn)行硬度測試、宏觀金相和微觀金相試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,可以得出以下結(jié)論:

        (1)EQ309L 與母材SA-508 Gr.3 Cl.2 低合金鋼熔合線到熔合線以下2 mm 左右的區(qū)域硬度值較高,熔合線處的硬度值最高;

        (2)EQ309L 熔敷金屬剩余堆焊層最小厚度(即EQ309L 與母材SA-508 Gr.3 Cl.2 低合金鋼熔合線和EQ309L 與EQ308L 的熔合線的最小距離)為1.2 mm,EQ308L 未熔敷至母材;

        (3)微觀金相試驗(yàn)結(jié)果表明EQ309L 與母材SA-508 Gr.3 Cl.2 低合金鋼熔合線以下2 mm 左右的區(qū)域晶粒較為粗大,而距離熔合線3 mm 左右晶粒則相對(duì)較細(xì),這說明過熱粗晶區(qū)在熔合線以下2 mm 左右。

        (4)在對(duì)蒸汽發(fā)生器水室封頭堆焊電流增大區(qū)域進(jìn)行返修時(shí),母材去除深度應(yīng)為EQ309L 與母材SA-508 Gr.3 Cl.2 低合金鋼熔合線以下2 mm 左右。

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