压水堆一回路耐蚀层SMAW焊接工艺评定及技术实践分析

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压水堆主设备除了承担核能与热能之间的转· 76·换外，同时也执行放射性物质包容的安全功能成了-回路压力边界，均是质保 1级、安全 1级、抗震 1类的承压容器 -物 焊 对 层第30卷第3期 压 力 容 器 总第244期- 回路压力边界的主要承压设备有反应堆压力容器、蒸汽发生器和稳压器等，其大部分材质均为低合金钢。随着制造技术的进步，反应堆压力容器用钢已由 C-Mn钢，发展为 Mn-Mo钢(如ASME SA-302B)，以及目前广泛使用的Mn-Ni- Mo钢(如 ASME SA-533 Grade B Clas 2，SA- 508 Grade 3 Class 1)，低合金钢也由最初的轧制钢板发展为锻件板。SA-508 Grade 3 Classl4 广泛用于反应堆压力容器简体区、封头区及冷热管嘴接头；SA-508 Grade 3 Class 2 用于蒸汽发生器-回路流体进出口管嘴和传热管管板 J，以及稳压器本体和波动管管嘴。Mn-Ni-Mo低合金钢，具有良好的力学性能和较高的韧性(高的力学性能可显著降低承压容器的壁厚，高的韧性可降低材质的脆性断裂)。

- 回路流体为高温硼酸溶液，会在低合金钢润湿表面发生腐蚀。腐蚀的产生，将使设备的承压强度显著降低，缩短了设备使用寿命，增加了运行期间的维护成本。

为了防止在核电厂运行期间-回路内产生大量的腐蚀产物，积聚大量的辐照活化腐蚀产物，同时也为了防止主设备壁厚减薄，减小返修或更换次数，延长承压设备的服役寿命，-般在低合金钢表面堆焊奥氏体不锈钢耐蚀层或镍基合金耐蚀层 。

耐蚀层堆焊方法主要有 SAW，GMAW，SMAW等。目前普遍使用的SAW和GMAW是反应堆压力容器、蒸汽发生器和稳压器等压力容器内壁堆焊不锈钢层使用最普遍的工艺方法，它具有堆焊效率高，表面成型优、耐蚀性能好和熔深比较浅等特点；而在某些 SAW和 GMAW无法堆焊的区域内，以及耐蚀层缺陷的返修等过程中，常采用SMAW方法进行堆焊。在用焊条堆焊时，应采用小参数、短虎匀速堆焊、不做横向摆动。焊道与焊道之间的搭接量为 1/2～1/3焊道宽度，每层堆焊厚度约2 mm，文中主要介绍 SMAW 的耐蚀层堆焊工艺和技术。

1 耐蚀层 SMAW焊接工艺评定耐蚀层堆焊工艺是-种与对接焊缝”焊接工艺、角焊缝焊接工艺完全不同的焊接工艺。全熔透坡El焊接和半熔透角焊缝的重要变素和试验件主要用于验证焊接接头的力学性能，而耐蚀层堆焊的重要变素和试验件主要是为了得到在焊接熔敷金属区与母材不同的性能，提高母材表面的抗腐蚀性能 。

2 耐蚀层 SMAW焊接技术实践核岛-回路容器，主要包括反应堆压力容器、蒸汽发生器和稳压器，在高温高压条件下长期运行，为了防止辐照腐蚀产物的形成，-般在与堆芯冷却剂相接触的低合金润湿表面需要堆焊奥氏体不锈钢材料和镍基合金材料。

在制造过程中，低合金钢的加工制造必须满足 ASME B&P规范 SectionⅡ-Part A 和 Sec。

tion m -NB 的要求；耐蚀层的堆焊必须满足ASME B&P规范 Section I-Part C 和 Sectionm-NB的要求；无损检验必须满足 ASME B&P规范 Section Vl 和 Section IlI-NB的要求。

2.1 奥氏体不锈钢堆焊技术压力容器的封头、筒体和接管的材质为SA-508 Grade 3 Class 1，在其内壁均需堆焊至少2层的耐蚀层堆焊层，其中第-层为打底过渡层，考虑到来自母材的稀释，保证打底层受到母材 15% ～20%的稀释后，打底过渡层的化学成分(除碳外)仍能接近其他各耐蚀层的特性，-般倾向于在打底层采用超低碳不锈钢焊条 E309L，面层和中间各层均采用超低碳不锈钢焊条 E308L。

在进行工艺评定时，填充金属应满足 ASMESectionⅢ NB-2400，NB-2600及 SectionⅡPartC SFA-5.01，SFA-5.4的要求。根据 SFA-5.O1中填充金属应为 C4级，其试验深度为 K级，每批填充金属应根据 NB-2430，NB-2432.2，NB- 2433规定的方法进行。

(1)化学成分要求熔敷金属的化学成分应满足 SFA-5.4的要求，如表 1所示。

考虑到在堆焊时某些成分可能从焊剂向熔池过渡，所以要求进-步降低填充材料中的c，S，P，N，co含量。目前，E309L中的 C含量已控制在0.025%以下，而 E308L中的 C含量则控制在0.020%之内，同时2种填充金属中的 S，P含量均控制在 0.01%以内，N含量控制在 0.07%以内，co在0.05%以内。为了提高抗晶间腐蚀性能，堆压水堆-回路耐蚀层 SMAW焊接工艺评定及技术实践分析 Vo130.No3 2013焊金属中的 cr含量要求保持在 19%以上。

在低合金钢表面堆焊耐蚀层后，距离母材熔合界面 3.0 mm处熔敷金属稀释区的主要元素含量如表 2所示。

表 1 SFA-5.4未经稀释的材质成分 %焊条型号 C Cr Ni Mo Mn si P S CuE308L ≤0.04 18.0～21.0 9.0-l1.0 ≤O.75 O.5～2.5 ≤1.oo ≤0.04 ≤0.03 ≤0.75E309L ≤0.04 22.0～25.0 12.0-14.0 ≤0.75 0.5～2.5 ≤1.0o ≤0.04 ≤0.03 ≤0.75表 2 距离母材熔合界面 3.0 mm处熔敷金属稀释区的材质成分 %元素 C Cr Ni Mn Si P S Co3.0 mm ≤0.O65 18.0～24.0 8.0～12.0 ≤3.0 ≤1.0O ≤0.04 ≤O.03 ≤0.05(2)铁素体含量在低合金钢上堆焊不锈钢必须要保证在稀释后堆焊层中的铁素体含量控制在-定的范围之内，而且在最终热处理后堆焊层与金属基体的结合力强，防止熔合区开裂，且具有良好的耐晶间腐蚀能力。通过实践经验，熔敷金属中的铁素体对降低焊缝金属中的裂纹和微裂纹是有利的，铁素体含量的增加可提高堆焊金属的抗裂性，但过量的铁素体在-定条件下会转化成 盯相而造成脆化，铁素体含量的检测采用磁性测量法或化学测量法，其 WRC FN应控制在5% -20%之间。

(3)力学性能堆焊前需将管板预热 100～150℃，层间温度不宜超过 150℃。第-层堆焊后在 300～350℃范围内进行去氢处理，保温2～4 h。

焊后热处理条件为：在 595-62t℃内保温48 h，在425 oC温度以上时的升温和降温速率应控制在35C/h，填充金属焊的力学性能见表 3。

表 3 奥氏体不锈钢填充金属的力学性能拉伸强度 屈服强度(0.2%) 最小伸长量 填充金属/MPa /MPa /%E308L ≥515 ≥341 35E309L ≥515 ≥341 30(4)焊接工艺及检测应严格遵照评定合格的WPS进行焊接，确保在焊接过程中，依然能满足上述焊接试验件的试验参数。

焊层进行表面 检测，并用 uT来检查耐蚀堆焊层与低合金钢母材的结合完整性。

2.2 镍基合金堆焊技术在蒸汽发生器-回路流体进出口管嘴和传热管管板，其材质为SA-508 Grade 3 Class 2。Ni-cr-Fe镍基合金有很好的抗腐蚀性能和传热性能，为了使管板堆焊层材料与传热管材料相匹配，以获得同种材料的焊接接头，所以管板堆焊层也相应改用 Inconel 690镍基合金焊接材料。在蒸汽发生器传热管管板及进出口封头处的内覆层材质为镍基合金焊条ENiCrFe-7，使其具有更好的抗均匀腐蚀和局部腐蚀的能力。在其内壁均需堆焊至少 2层的耐蚀层堆焊层，其打底过渡层、中间层和面层的堆焊均采用 Inconel 690合金 ENiCrFe- 7，为了减少母材稀释的影响，打底过渡层厚度应控制在 3 mm左右。在内覆层表面进行机加工时，不能破坏打底层。

进行工艺评定时，填充金属应满足 ASMESection 11 NB-2400，NB-26O0及 Section 1 PartC SFA-5.01，SFA-5.11的要求。根据 SFA-5.O1填充金属应为 C5级，试验深度为 F级别，每批填充金属应根据 NB-2420，NB-2431，NB-2432规定的方法来进行。

(1)化学成分要求熔敷金属的化学成分应满足 SFA-5.11的要求，如表 4所示。

与奥氏体不锈钢耐蚀堆焊层-样，考虑到在堆焊时某些成分可能从焊剂向熔池过渡，所以要求进-步降低填充材料中的V，N，w，co含量。s含量应控制在 0.01%以内，Co含量应控制在第 3O卷第 3期 压 力 容 器 总第 244期0.05%以内，其他添加元素的总含量不应超过 格控制。

0.50%，剩下的应全部为 Ni元素，c含量必须严表 4 SFA-5.11未经稀释的材质成分 %焊条型号 C Mn Fe P S Si Cu A1 Ti Cr CbTa NoENiCrFe-7 ≤0.05 ≤5.O 7.0～l2.0 ≤O.03 ≤0.015 ≤0.75 ≤0.50 ≤0.50 ≤0.50 28.O～31.5 1.0～2.5 ≤0.5镍基合金堆焊层较易产生热裂纹，主要是由于-些低熔点元素与 Ni在晶界上形成低熔点共晶(如 Ni-S，Ni-si，Ni-P，Ni-Pb等)所致，ENiCrFe-7通过控制较低的c，si，S，P等元素的含量，并确保 Nb，Mn的含量恰当，有利于避免裂纹的产生。

在镍基合金堆焊时要严格控制堆焊材料中的有害元素含量，加强焊前清理，确保有较高的清洁度，以防止工件及焊带表面玷污的物质，如油脂、涂料、锈蚀等带来二次污染元素Pb，P，S等，造成堆焊层热裂纹和气孔等缺陷。堆焊前须用丙酮或酒精擦洗工件和焊带表面，使之呈金属光泽。堆焊过程中须去除每道焊缝的焊渣和焊缝表面的氧化膜。

在低合金钢表面堆焊耐蚀层后，距离母材熔合界面3.0，4.2 mm处的主要元素含量见表5。

表5 距离母材熔合界面 3.0，4.2 mm处熔敷金属稀释区的材质成分对比 %元素 C Mn Fe P S Si Cu Al Cr Cb ra MO3.0 mm 0.05 4.06 10.02 0.002 0.010 0.50 0.02 0.19 0.12 29.30 1.75 0.014.2 mm 0.05 4.02 10.7l 0.003 0.014 0.71 0.03 0.21 0.15 29.71 1.92 0.02(2)力学性能蒸汽发生器管板为 Mn-Ni-Mo钢锻件，厚约 500～600 mm，有-定冷裂倾向。因此堆焊前须将管板预热，预热温度不宜过高，-般为 100～150 oC，层间温度不宜超过 150 ，这样可使熔池在高温下停留时间减少，采用低电弧电压和低焊接热输人量，以抑制晶体粗化，防止热裂纹产生，提高堆焊层的力学性能和耐蚀性能。第-层堆焊后在300～350℃范围内进行去氢处理，保温2-4 h。

进行工艺评定时，需要制作横向拉伸试验件，且需进行焊后热处理：在 595～621 oC内保温 48h，在425 oC温度以上时的升温和降温速率应控制在35℃/h，填充金属焊的力学性能见表 6。

表6 镍基填充金属的力学性能拉伸强度 屈服强度 最小伸长量 填充金属/MPa /MPa /%ENiCrFe-7 ≥550 ≥3l0 30(3)焊接工艺及检测应严格遵照评定合格的WPS进行焊接，确保在焊接过程中，依然能满足上述焊接试验件的试验参数。

在完成堆焊和焊后热处理后，需要在堆焊层进行表面 检测，用 NB-5350来进行验收；采用uT检测时，应使用70。折射纵波，采用平行和垂直于焊缝熔敷的方向进行检测，用 Section V T- 534的方法进行标定后，来检查耐蚀堆焊层与低合金钢母材的结合完整性时，用 N-5350来进行验收，确保无焊接缺陷。

3 结论(1)核岛-回路容器主要包括反应堆压力容器、蒸汽发生器和稳压器，主要材质为低合金钢，在高温高压条件下长期运行，为了能有效降低腐蚀辐照活化产物的形成，-般在与堆芯冷却剂相接触的低合金表面需要堆焊奥氏体不锈钢和镍基合金材料，同时也能防止主设备壁厚减薄，减小返· 79 ·CPVT 压水堆-回路耐蚀层 SMAW焊接工艺评定及技术实践分析 Vo130.No3 2013修或更换次数，延长承压设备的服役寿命。

(2)根据 ASME B&PV Section IX中有关耐蚀堆焊层焊接工艺要求，对影响焊条电桓 SMAW的耐蚀层堆焊工艺评定的重要变素进行了分析，堆焊层厚度、金属基体材质类别及厚度范围、焊条类别、焊接位置、焊接预热、焊接层间温度、焊后热处理、电极特性、电流大邪堆焊层数等，均对焊接工艺有显著影响。在实际堆焊过程中，应严格根据已评定的焊剂工艺参数进行施工，以确保高的焊接质量。

(3)根据 ASME B&PV Section lI，1I和V， 从化学成分、铁素体含量、力学性能、焊接工艺及检测等方面，对压水堆-回路中的 SMAW耐蚀层焊接技术实践进行了探讨，为核电压水堆承压设备的耐蚀层 SMAW焊接技术的提高提供参考。