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        核電站屏蔽廠房用Q420NC鋼的免除后熱消氫處理工藝分析

        2023-01-03 05:03:48都婧婧修延飛李娟樊祥博王剛
        金屬加工(熱加工) 2022年12期
        關(guān)鍵詞:坡口屏蔽廠房

        都婧婧,修延飛,李娟,樊祥博,王剛

        1.山東核電設(shè)備制造有限公司 山東海陽(yáng) 265118

        2.煙臺(tái)市核電設(shè)備工程技術(shù)研究中心 山東海陽(yáng) 265118

        1 序言

        為提高核電站反應(yīng)堆廠房抗飛機(jī)撞擊的能力,首次在國(guó)內(nèi)采用鋼板混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屏蔽廠房,其預(yù)制、拼裝、安裝施工過(guò)程工藝復(fù)雜且精度要求高,在國(guó)內(nèi)核電站建設(shè)中無(wú)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn),因此提高屏蔽廠房的制造工藝水平有著重要的意義。

        屏蔽廠房SC結(jié)構(gòu)起始位置為電廠設(shè)計(jì)西向(未被輔助廠房包圍的區(qū)域)從±0.0m標(biāo)高起,被輔助廠房包圍的區(qū)域從輔助廠房頂標(biāo)高起,如圖1所示[1],頂部為進(jìn)氣口、屋頂和水箱等。屏蔽廠房進(jìn)氣口區(qū)域?qū)?qiáng)度要求較高,因此采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q420NC(以下簡(jiǎn)稱Q420NC鋼),鋼板厚度38mm。在實(shí)際生產(chǎn)中,對(duì)厚度為38mm的Q420NC鋼全熔透焊縫需進(jìn)行焊前預(yù)熱、后熱消氫處理。

        圖1 屏蔽廠房位置示意

        由于屏蔽廠房子模塊體積較大,無(wú)法進(jìn)行整體熱處理,因此只能采用局部分段熱處理的方式進(jìn)行后熱消氫,局部熱處理方式施工過(guò)程復(fù)雜,溫度控制、加熱冷卻過(guò)程中的變形控制困難,會(huì)給屏蔽廠房制造質(zhì)量帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)。

        2 試驗(yàn)方法

        通過(guò)斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn),驗(yàn)證38mm厚Q420NC鋼焊接熱影響區(qū)及焊縫金屬產(chǎn)生冷裂紋的傾向性,確定焊接Q420NC鋼時(shí)的合理預(yù)熱溫度,并通過(guò)后熱消氫與焊態(tài)的對(duì)比試驗(yàn)來(lái)考察后熱消氫處理對(duì)接頭力學(xué)性能的影響?;谠囼?yàn)結(jié)果評(píng)估38mm厚Q420NC鋼的氣體保護(hù)焊對(duì)接焊縫后熱消氫處理的必要性,為免除后熱消氫處理提供依據(jù)。

        3 試驗(yàn)過(guò)程

        3.1 焊接裂紋試驗(yàn)

        焊接裂紋試驗(yàn)(又稱小鐵研試驗(yàn))是一種拘束程度較苛刻的冷裂紋試驗(yàn)方法。根據(jù)CB/T 4364—2013《斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》來(lái)驗(yàn)證Q420NC鋼焊接熱影響區(qū)及焊縫金屬產(chǎn)生冷裂紋的傾向性,可以得到能夠防止冷裂紋的臨界預(yù)熱溫度,作為判定冷裂敏感性的指標(biāo)。試驗(yàn)分別選取預(yù)熱溫度為室溫、50℃、100℃[2],在3種預(yù)熱溫度下采用熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)施焊,焊接材料均采用上海大西洋焊接材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的牌號(hào)為ER80S-G、φ1.2mm的焊絲,保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2,試樣形式如圖2所示[3],試驗(yàn)焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

        圖2 焊接裂紋試驗(yàn)試樣形式

        表1 焊接裂紋試驗(yàn)焊接參數(shù)

        試驗(yàn)項(xiàng)目包括表面裂紋、根部裂紋、斷面裂紋。表面裂紋采用磁粉檢測(cè);根部裂紋采用滲透液先對(duì)試樣焊縫根部著色,然后將試樣拉斷或彎斷后再檢測(cè);斷面裂紋采用對(duì)橫截面進(jìn)行研磨腐蝕,腐蝕劑采用5%硝酸酒精,然后采用放大20~30倍的顯微鏡來(lái)檢測(cè)。按照CB/T 4364—2013標(biāo)準(zhǔn)[3]的方法計(jì)算裂紋率。試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

        表2 試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)

        由表2可知,隨著預(yù)熱溫度的升高,裂紋累計(jì)長(zhǎng)度及裂紋率逐漸降低。初步分析其原因是預(yù)熱溫度的升高改善了焊接熱循環(huán),降低了在外部拘束條件下焊接引起的應(yīng)力,且焊前預(yù)熱可使氫在焊接接頭中的擴(kuò)散速度加快,焊接接頭冷卻速度減慢,預(yù)熱溫度越高,冷卻越緩慢,擴(kuò)散氫逸出時(shí)間越長(zhǎng),裂紋率就會(huì)顯著降低[4]。斜Y形坡口對(duì)接試驗(yàn)接頭拘束度大,且根部尖角應(yīng)力集中,試驗(yàn)條件比較嚴(yán)苛,對(duì)于低合金鋼,一般認(rèn)為,若表面裂紋率<20%且無(wú)根部裂紋,則用于生產(chǎn)是安全的[5]。本試驗(yàn)組中的3個(gè)預(yù)熱溫度下均未出現(xiàn)表面裂紋,同時(shí)隨著預(yù)熱溫度升高,根部裂紋率逐漸降低,分別為49%、25%、0,當(dāng)預(yù)熱達(dá)到100℃時(shí),表面和根部均無(wú)裂紋產(chǎn)生。因此,對(duì)于38mm厚的Q420NC鋼,預(yù)熱溫度>100℃時(shí)可有效防止焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋。

        3.2 后熱消氫與焊態(tài)焊接性能對(duì)比

        為進(jìn)一步驗(yàn)證Q420NC鋼在后熱消氫處理態(tài)和焊態(tài)下的焊接性能,對(duì)兩組試件進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)。采用上海大西洋焊接材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的牌號(hào)為ER80S-G、φ1.2mm焊絲,保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2,試件坡口形式為雙面對(duì)稱X形坡口(見(jiàn)圖3),預(yù)熱溫度采用斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)中確定的最低預(yù)熱溫度,即100℃。

        圖3 試件坡口形式

        第1組試件采用后熱消氫處理,后熱消氫處理溫度為250~350℃,保溫時(shí)間≥1h,達(dá)到保溫時(shí)間后緩冷至常溫;第2組試件為焊態(tài)。兩組試件的焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

        表3 后熱消氫與焊態(tài)試件的焊接參數(shù)

        對(duì)焊接完成的試件按照AWS D1.1:2010《Structural Welding Code—Steel》[6]的要求進(jìn)行超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè),均合格。然后進(jìn)行常溫拉伸、彎曲、0℃夏比(V型缺口)沖擊的力學(xué)性能測(cè)試。

        (1)縮減斷面拉伸試驗(yàn) 常溫拉伸試驗(yàn)按照ASTM A370—2017《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》規(guī)定進(jìn)行,試驗(yàn)結(jié)果均大于GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中Q420NC鋼的最低抗拉強(qiáng)度(520MPa),且均塑斷于母材,見(jiàn)表4。

        表4 常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

        (2)彎曲試驗(yàn) 彎曲試驗(yàn)按照AWS D1.1:2010《Structural Welding Code—Steel》[6]的要求進(jìn)行,彎曲直徑為50.8mm,試驗(yàn)結(jié)果均合格:焊縫及熱影響區(qū)無(wú)可見(jiàn)裂紋及不可接受的缺陷,見(jiàn)表5。

        表5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

        (3)夏比V型缺口沖擊試驗(yàn) 沖擊試驗(yàn)按照ASTM A370—2017規(guī)定進(jìn)行,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知,試驗(yàn)結(jié)果均遠(yuǎn)高于GB/T 1591—2018中Q420NC鋼在0℃的縱向沖擊吸收能量最小值(34J),其中兩組試件焊縫、熱影響區(qū)及母材的沖擊吸收能量相當(dāng),無(wú)明顯差異。

        表6 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

        4 結(jié)束語(yǔ)

        1)通過(guò)斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn),38mm厚Q420NC鋼的預(yù)熱溫度>100℃時(shí),焊接接頭中未產(chǎn)生冷裂紋,因此可有效控制38mm厚Q420NC鋼焊接冷裂紋的產(chǎn)生。

        2)后熱消氫與焊態(tài)兩組試驗(yàn)均采用斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)中確定的最小預(yù)熱溫度100℃時(shí),兩組試驗(yàn)的所有項(xiàng)目及結(jié)果(射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn))均滿足AWS D1.1:2010[6]標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。相比焊態(tài),經(jīng)后熱消氫處理的試件,其抗拉強(qiáng)度有所下降,但仍高于驗(yàn)收要求。兩組試件的其余力學(xué)性能項(xiàng)目(彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn))的結(jié)果相當(dāng),均遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)和規(guī)范的技術(shù)要求,說(shuō)明后熱消氫對(duì)Q420NC鋼的焊接接頭性能無(wú)明顯影響。

        3)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證和分析,實(shí)際生產(chǎn)時(shí)采用以下工藝措施,可有效保證Q420NC鋼焊縫的性能:①采用擴(kuò)散氫含量很低的ER80S-G焊絲。②嚴(yán)格控制焊接熱輸入(不宜>31.8kJ/cm)。③嚴(yán)格執(zhí)行焊前預(yù)熱溫度>100℃。④加強(qiáng)對(duì)焊后試件的無(wú)損檢測(cè)。以上措施為工程施工過(guò)程免除后熱消氫提供了可行性。目前,已在某三代核電站屏蔽廠房產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)免除后熱消氫的應(yīng)用,有效降低了現(xiàn)場(chǎng)后熱消氫帶來(lái)的施工難度、成本和質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn),對(duì)其他項(xiàng)目工程實(shí)踐具有一定的借鑒作用。

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