压水堆核电站主管道焊缝理化性能分析

马力川 李予卫 张雯 谢静

摘 要：压水堆核电站主管道是低碳奥氏体不锈钢大厚壁管道，在核电机组运行期间，承载着高温、高压、高放射性的冷却剂。目前，在国内主管道的焊接过程中，主要存在两种焊接工艺：钨极氩弧焊+焊条电弧焊（TIG+SMAW）和窄间隙自动焊（TOCE）。该文根据RCC-M焊接工艺评定和产品焊接见证件破坏性试验的相关规定，对比分析了上述两种焊接工艺下焊缝的理化性能。通过对比分析，发现窄间隙自动焊焊缝的理化性能与钨极氩弧焊+焊条电弧焊相比得到较大提升。

关键词：主管道 焊缝 理化性能

中图分类号：TG404 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-00-02

2007年10月，国务院发改委发布的《国家核电中长期发展规划》指出，到2020年，我国的核电运行装机容量应争取达到4000万kW，在建核电容量应保持在1800万kW。时至今日，我国已开工建设的核电机组数量达到了27台，在建机组数量居全世界第一。这意味着，我国核电建设工程已面临大量的安装任务。

目前，在我国核电建设过程中，主管道焊接主要采用以下两种工艺：钨极氩弧焊+焊条电弧焊（下简称TIG+SMAW）和窄间隙自动焊（下简称TOCE）。TIG+SMAW具有设备简单、价格便宜、适应性强的特点；但随着核电建设规模的不断扩大，主管道焊接工程量的不断增加，TIG+SMAW焊接效率低、劳动强度大、对焊工技能要求高的缺点已突显出来。

为适应核电建设规模不断扩大这一趋势，解决核电机组批量化建造过程中TIG+SMAW暴露出来的缺点，中广核工程有限公司研发出了一套适用于CPR1000压水堆核电站主管道焊接的TOCE技术，并在宁德核电1#机组采用该技术成功实施了国内首次主管道自动焊。比较两种焊接工艺下焊缝的理化性能，有助于提高对主管道自动焊工艺性能的认识，有利于主管道自动焊工艺的推广。

1 主管道焊接工艺概述

TIG+SMAW是一种组合焊接工艺：在根部焊道焊接时，采用直流正接钨极氩弧焊（TIG）进行打底；进入填充焊道后，采用焊条电弧焊（SMAW）进行填充。在主管道根部焊道焊接时，由于坡口钝边很薄（1.5±0.1 mm），采用TIG，可以确保钝边不被熔穿而产生缺陷。当TIG打底至一定厚度后，便进入填充焊道，此时采用SMAW，可以显著提高生产效率。由于SMAW有药皮保护，焊条一般较粗（Φ3.2 mm和Φ4.0 mm），因而焊缝坡口设计的比较宽大，熔敷金属填充亦较多。

TOCE是一种在主管道焊接全程采用直流脉冲钨极氩弧焊的焊接工艺。由于在焊接全程都有惰性气体保护（氦氩混合气体），能够有效隔绝熔池周围空气，加之自动焊焊丝本身不通过电流，避免了焊接过程中的飞溅产生，因此，采用该工艺焊接，可以得到优质的焊缝。焊机电源采用直流脉冲的供电方式，方便对焊接参数进行调节，产生的电弧稳定且能量集中。所用焊丝省去了药皮，一般较细（Φ0.8 mm和Φ1.0 mm），因而焊缝坡口设计的比较窄，熔敷金属填充量大为下降。

2 主管道焊缝试验性能对比分析

焊接工艺是否可靠，焊缝质量是否优异，最终要靠试验做出评判。根据RCC-M S3300（奥氏体或奥氏体-铁素体不锈钢的对接焊工艺评定）的规定，破坏性试验应包括力学性能试验、化学性能分析、δ铁素体含量的测定、金相试验、熔敷金属晶间腐蚀试验；同样根据RCC-M S7800（产品焊缝的破坏性试验：产品焊接见证件）的规定，破坏性试验应包括力学性能试验、化学性能分析、金相试验。通过分析对比TIG+SMAW和TOCE焊缝的理化试验数据，可对两种焊接工艺的性能有更为直观、清晰的认识。

2.1 焊缝熔敷金属化学成分分析

主管道焊缝熔敷金属所含化学元素、成分多种多样，主要包括了碳（C）、硫（S）、磷（P）、锰（Mn）、镍（Ni）、铬（Cr）、铁素体等多种元素和成分。通过分析其中典型元素的含量，比较二者的异同，我们能够分析出两种焊接工艺下主管道焊缝的部分物理化学性质。

（1）硫（S）元素。硫元素是熔敷金属中的有害杂质，与铁化合成FeS，FeS又与Fe形成低熔点的共晶体，分布在奥氏体的晶界上。在焊接过程中，如果硫元素控制不当，极易使焊缝强度降低，产生高温裂纹。与TIG+SMAW相比，TOCE对硫元素有着更为严格的要求，不得高于0.015%；从试验结果来看，二者的硫含量相同，都为0.012%，可见二者的含硫量都比较低，说明TOCE与TIG+SMAW具备相当的抗高温裂纹的能力。

（2）磷（P）元素。磷元素是熔敷金属中的有害杂质，易使熔敷金属的偏析倾向加重，如果磷元素控制不当，会在组织中析出脆性很大的化合物FeP，而使钢的脆性增加，特别是在低温时，极易产生裂纹。TIG+SMAW熔敷金属的磷含量是0.014%，TOCE熔敷金属的磷含量是0.015%，仅仅提高了十万分之一，变化十分轻微，这一结果说明：TOCE与TIG+SMAW具备相当的抗低温裂纹的能力。

（3）锰（Mn）元素。熔敷金属中存在适量的锰元素，可以提高焊缝的物理化学性能。锰与硫化合成MnS，能减轻硫的有害作用。锰能大量溶解于铁素体当中，使铁素体强化，提高焊缝的硬度和强度。试验结果表明，TOCE的锰含量较TIG+SMAW有所提高，且在含量允许的范围内，对于提高焊缝性能是十分有益的。

（4）铁素体。熔敷金属中铁素体的存在，可以使焊缝具备较高的韧性。但焊缝中铁素体含量过高，会使焊缝的强度下降，这对焊缝是不利的。因此，在焊缝中，铁素体的含量一定要恰当。对于主管道焊缝而言，12%的铁素体含量可以使整个焊缝的性能达到最佳。TOCE熔敷金属铁素体的含量为11.7%，十分接近12%这一比例，可见焊缝同时具备了良好的韧性和强度。

综上所述，TOCE的熔敷金属在TIG+SMAW的基础上进行了深度的优化，并且精确控制了多种元素的含量，焊缝的强度、塑性、韧性得到均衡控制，整体性能较为优异。

2.2 焊缝的强度分析

强度反映了材料抵抗变形和断裂的能力，在力学性能试验中，我们最为关心的是屈服强度和抗拉强度。材料产生屈服现象时的应力称为屈服强度，它反映了材料从弹性到塑性的转变。材料在拉伸断裂前所能承受的最大拉应力称为抗拉强度，它反映了材料抵抗拉伸断裂的能力。主管道焊缝的强度试验主要包括三项内容：常温拉伸试验、高温拉伸试验、横向菱形拉伸试验。

在常温拉伸试验下（沿焊缝周向取样），TIG+SMAW焊缝的屈服强度和抗拉强度分别为500 MPa和675 MPa，TOCE焊缝的屈服强度和抗拉强度分别为491.5 MPa和629.5 MPa。与TIG+SMAW相比，TOCE的屈服强度和抗拉强度都有所降低，这是因为后者焊缝中的铁素体含量明显增加（提高2.2个百分点），焊缝的塑性和韧性得到加强，而在强度方面有所妥协。为了实现焊缝的强度、韧性、塑性的整体最优，TOCE工艺在充分保证焊缝的安全和质量的前提下，适当降低了焊缝强度。以高温拉伸试验为例，该实验是在350 ℃的情况下完成的，高于压水堆工作期间冷却剂的最高温度327 ℃。此时TIG+SMAW焊缝的屈服强度和抗拉强度分别为435 MPa和525 MPa，TOCE焊缝的屈服强度和抗拉强度分别为384.5 MPa和462.5 MPa。与TIG+SMAW相比，TOCE的强度下降了50 MPa左右，但此时冷却剂的工作压力只有15.5 MPa，根据可靠性设计原则：

S = ；

式中，S — 安全系数；

— 材料的屈服极限；

[] — 工作压力15.5 MPa；

由此，我们可以计算出TIG+SMAW和TOCE的安全系数，分别为28和24.8，根据可靠性设计原则，10以上的安全系数已经能够保证设备十分安全可靠的运行，主管道焊缝的安全系数达到了20以上，所以是安全的。实际上，主管道焊缝用来连接管段和设备，横向菱形拉伸试验正是用以验证这种连接的效果。从表4我们发现，在该项试验中，TOCE的抗拉强度为595 MPa，甚至还要高于TIG+SMAW的575.6 MPa，由此可见，TOCE焊缝的强度还是十分可靠的。

2.3 焊缝的塑性分析

材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。一般用伸长率δ和断面收缩率ψ表示：

δ=×100%

ψ=×100%

式中，—试棒的原始标记长度（mm）；

—试棒拉断后的标距长度（mm）；

—试棒原始截面面积（mm2）；

—试棒断口处截面面积（mm2）；

主管道焊缝分别在常温条件下和高温条件下进行了塑性试验，测试了伸长率和断面收缩率，详见下表。

由于熔敷金属中铁素体的含量大为增加，使得焊缝的塑性大为改善。在常温条件下，TOCE焊缝的伸长率和断面收缩率分别为37%和62.7%，数值较TIG+SMAW大为增加；在高温条件下，TOCE焊缝的伸长率和断面收缩率比TIG+SMAW高出1倍还多。焊缝塑性的增加，反映了焊缝在超载情况下抗断裂能力的提高，这对于提高主管道焊缝的安全系数，防止事故状态下冷却剂泄漏（LOCA），具有极其重大的意义。综上所述，与TIG+SMAW相比，TOCE焊缝的理化性能有极大提升，焊接工艺具备显著的安全性和可靠性。

3 结语

随着核电建设规模的不断扩大，主管道窄间隙自动焊技术被逐渐推广到各个核电建设现场。与焊条电弧焊相比，窄间隙自动焊在焊接安全性和可靠性、焊缝理化性能、焊接经济性和全寿命性等方面具备显著优势。正因为此，窄间隙自动焊工艺正逐步取代传统的焊条电弧焊工艺，成为核电建设中主管道焊接的“主力军”。