核电站控氮不锈钢Z2CN19-10焊接技术

陈 磊，陈龙鹤，郭伟杰

（上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海 200090）

1 概 述

核电设备的工况复杂，长期处于高温高压、中子辐照、流体冲刷等恶劣的环境中，故对其构成材料性能提出了较高而又全面的要求。控氮不锈钢Z2CN19-10是随着核电发展而新研制的钢种，其研发的驱动力是为解决304不锈钢在沸水核反应堆运行中出现晶间应力腐蚀破裂事故，此外，也能为压水核反应堆提供更好的材料，提高反应堆安全运行的可靠性。控氮不锈钢Z2CN19-10属于超低碳奥氏体不锈钢，并含有一定量的氮元素，其特点是含碳量非常低，从而具有优良的抗晶间腐蚀能力，但较低的碳含量也制约着材料的强度，而在其中添加一定量的氮元素，通过氮元素的固溶强化作用，可以提高超低碳奥氏体不锈钢的强度［1］。因此，控氮不锈钢Z2CN19-10不仅具有超低碳奥氏体不锈钢优良的抗晶间腐蚀能力，同时还具有较高的强度，被广泛应用于核电站堆内构件、主管道、安注箱等重要设备中。

我公司承接制造的EPR安注箱和反应堆冷却剂疏水箱均为核电设备，该类设备主体材料采用了控氮不锈钢Z2CN19-10，其焊接工艺和焊接质量是保证设备整体质量的关键因素，因此，研究该类材料的焊接技术，并为设备制造提供技术支持具有重要意义。

2 控氮不锈钢的焊接特点

控氮不锈钢Z2CN19-10属于奥氏体不锈钢，具有奥氏体不锈钢的焊接特点。奥氏体不锈钢无固态相变，在高温和室温下均为奥氏体组织，无淬硬倾向，对氢也不敏感，焊接接头具有良好的综合力学性能，与其他类型不锈钢相比具有良好的焊接性，但当焊接工艺参数的选用不合理时，会产生热裂纹、晶间腐蚀、σ相脆化等缺陷［2，3］。

2.1 热裂纹

由于奥氏体焊缝本身的特点，即组织为方向性很强的柱状晶，有利于有害杂质的偏析，当焊缝中有害杂质含量较高时，就易在奥氏体柱状晶之间形成低熔点共晶。此外，奥氏体不锈钢具有低热导率，仅为碳钢的1／3，而线膨胀系数比碳钢高约50%。低热导率、高线膨胀系数的特点，决定了奥氏体不锈钢焊缝在凝固过程中会产生较大的收缩拉应力。因此，在较大的收缩拉应力和低熔点共晶的共同作用下，被低熔点共晶分割的晶界就会被拉开而形成焊接热裂纹。

2.2 晶间腐蚀

奥氏体不锈钢在450～850℃的敏化温度区间停留一定时间后，过饱和的碳向奥氏体晶界扩散，并与晶界的铬化合形成碳化铬（Cr23C6）。由于铬在奥氏体中扩散速度小于碳的扩散速度，使晶界的铬得不到及时补充，造成奥氏体晶界贫铬。当晶界的含Cr量低于12%时，就失去了抗腐蚀能力，在腐蚀介质作用下，即产生晶间腐蚀。在应力作用下，受到晶间腐蚀的不锈钢，即会沿晶界断裂，几乎完全丧失强度。

2.3 σ相脆化

如果奥氏体不锈钢焊缝在650～850℃温度区间停留时间过长，有可能析出一种脆硬的金属间化合物σ相，主要存在于柱状晶的晶界。当焊缝中δ铁素体含量超过12%时，δ向σ的转变非常显著，造成焊缝金属的明显脆化，从而降低焊缝的塑性、韧性和抗晶间腐蚀性能。

2.4 防止热裂纹、晶间腐蚀和σ相脆化的措施

（1）选用优质的母材和焊材，严格控制易形成低熔点共晶的S、P等杂质含量，从而降低热裂纹倾向。

（2）δ铁素体对S、P等元素溶解度较大，能防止这些元素的偏析和形成低熔点共晶，从而阻止热裂纹产生。另外δ铁素体可以有效切断奥氏体的柱状晶，细化晶粒，隔断奥氏体晶界连续网状碳化铬（Cr23C6）析出，从而防止晶间腐蚀。因此选用含适量δ铁素体促进元素（Cr、Mo、Si等）的焊材，使焊缝产生奥氏体＋δ铁素体双相组织，δ铁素体含量占4%～12%，能有效防止热裂纹和晶间腐蚀倾向。

（3）选用低含碳量的焊材，降低焊缝中碳与铬形成碳化铬（Cr23C6）的机率，从而降低晶间腐蚀倾向。

（4）采用小焊接热输入，小电流，快速焊，加快焊接区的冷却速度，缩短焊接接头在高温区停留的时间，避免在450～850℃区间长时间停留及此区间温度的焊后热处理，可以有效降低晶间腐蚀和σ相脆化倾向。

3 焊接工艺试验

3.1 试验母材

试验母材为控氮不锈钢Z2CN19-10，为了对焊条电弧焊和埋弧焊的焊接工艺进行较全面的试验研究，共准备20mm和50mm两种厚度的母材，将焊接20mm焊条电弧焊试板、20mm埋弧焊试板、50 mm焊条电弧焊试板、50mm埋弧焊试板，共4副试板。

表1 母材化学成分 （%）

母材的化学成分和力学性能分别见表1和表2，表1和表2中分别列出按标准RCC－M要求的标准值和母材的实际值。对比标准值可知，母材的各化学元素含量均满足标准要求，两种厚度母材的力学性能均明显高于标准值。

表2 母材力学性能

3.2 焊接材料

在选择控氮不锈钢的焊接材料时，既要保证焊缝金属的力学性能不低于母材力学性能的标准值，还要保证焊缝金属具有良好的抗晶间腐蚀能力。根据这一原则以及RCC－M S2000相关标准，焊条电弧焊选用E308L－16作为焊接材料，埋弧焊选用HR308L焊丝配SJ601H焊剂作为焊接材料。

3.3 焊接工艺

在控氮不锈钢焊接时，为了防止晶间腐蚀、热裂纹等焊接缺陷的产生，工艺上，采用低线能量，即小电流、快速焊，并严格控制道间温度。操作上，采用窄焊道、多焊道，并在焊接过程中严格进行层间清理。焊接采用双面焊，20mm试板坡口加工成V型，50mm试板坡口加工成X型，各试板坡口尺寸及焊接顺序，见图1所示，焊前对待焊坡口进行渗透检验，焊完第1、2层后，对试板进行清根并进行渗透检验，检验后继续焊完第3层，焊后对焊缝进行渗透检验和射线检验。

图1 试板坡口尺寸及焊接顺序

焊条电弧焊和埋弧焊的工艺参数见表3所示。

表3 焊接工艺参数

4 试验结果

4.1 无损检测

焊接完毕后，对4副试板进行外观检查，焊缝表面成形良好，无任何缺陷。分别按RCC－M S7714.1和RCC－M S7714.3对焊缝进行渗透检验和射线检验，检验结果均合格。

4.2 破坏性试验

无损检验合格后，分别对4副试板进行熔敷金属化学成分分析，见表4所示。成分中的C、S、P含量均较低，符合优质焊材的要求。同表1中母材的化学含量成分比较，4副试板的熔敷金属化学成分基本与母材化学成分一致。

表4 熔敷金属化学成分 （%）

再对4副试板焊缝组织进行金相分析，均为奥氏体＋δ铁素体双相组织。奥氏体不锈钢焊缝中含有一定量δ铁素体，可有效防止晶间腐蚀、热裂纹等缺陷，RCC－M标准中要求奥氏体不锈钢焊缝中δ铁素体含量为5%～15%。通过计算并结合DELONG图得出各试板焊缝中δ铁素体含量，具体数据见表5所示，可以看出各个试板焊缝中δ铁素体含量均满足标准要求。

表5 δ铁素体含量

根据RCC－M附录SI600晶间腐蚀试验要求，对4副试板焊缝进行晶间腐蚀试验，结果表明，4副试板焊缝均无晶间腐蚀，具有良好的抗晶间腐蚀能力。

根据RCC－M标准列出了力学性能考核项目及合格要求，见表6所示。将考核接头拉伸、弯曲、冲击性能，焊缝金属常温和高温拉伸性能，以及热影响区冲击性能，其中50mm试板要求从焊缝表面和根部分别取样进行冲击试验。

按照表6要求，对4副试板分别进行力学性能试验，具体数据见表7～表10。从表7～表10中可见，控氮不锈钢Z2CN19－10采用焊条电弧焊和埋弧焊，焊接接头均具有良好的综合力学性能，与表6中RCC－M要求的标准值比较，4副试板的力学性能均远远高于标准值，完全满足母材的力学性能要求。

表6 力学性能考核项目及合格要求

表7 20mm焊条电弧焊试板力学性能

表8 20mm埋弧焊试板力学性能

表9 50mm焊条电弧焊试板力学性能

表10 50mm埋弧焊试板力学性能

5 结 语

通过对控氮不锈钢Z2CN19－10焊接特点的分析，并进行了焊接试验，采用合理的焊接材料、坡口型式和焊接工艺参数，焊缝的成形良好，焊接接头具有良好的综合力学性能和抗晶间腐蚀能力，完全符合母材的性能要求。控氮不锈钢Z2CN19－10焊条电弧焊和埋弧焊工艺的试验成功，为相关核电产品的焊接制造提供了可借鉴的经验。

［1］文燕，等.国产304NG控氮不锈钢应用性能研究［J］.核动力工程，2007，5.

［2］陈炜.奥氏体不锈钢焊接的缺陷分析及解决办法［J］.山西焦煤科技，2003，6.

［3］徐文晓，徐文慧.奥氏体不锈钢容器的焊接［J］.焊接技术，2006，10.