核电站设备用主要金属材料落锤试验中焊接材料及焊接工艺的确定

2013-01-26陈增芳

中国重型装备 2013年1期

陈增芳郭平汪垠

(1.中国核电工程有限公司，北京 100080;2.中核能源科技有限公司，北京 100193)

核电站主要设备，例如核岛部分的压力容器、蒸汽发生器、稳压器和主管道等主要承压设备的壳体部分，是由核级锻件或钢板组焊而成，在使用中要承受高温高压。因此，对锻件和钢板的拉伸、冲击和弯曲等力学性能要求都很高，另外，一般还要进行无塑性转变温度TNDT(nil ductility transition temperature)的测试，即要进行落锤试验。落锤试验通常采用的试验标准有:GB/T6803、ASTM E208、RCC-M MC1320。其中，RCC-M MC1320 试验方法是引用的ASTM E208，区别只是焊道焊接时要从两边向中间进行焊接。这三个标准虽然分别由三个国家所制定，但在试验步骤和方法上基本相同。

无塑性转变温度测试的主要目的是确定材料发生无塑性，即脆性断裂的最高温度。该温度是确定核电站设备的低温使用工况、水压试验温度的重要依据。

在核电站设备主要锻件和钢板的采购技术规格书中，设计方一般都规定了落锤试验所依据的标准和具体考核指标要求。根据设计所依据的规范，一般都是选择以上三种标准中的一种或两种。

对于锻件和钢板的参考无塑性转变温度一般规定是不大于-15℃(国标或ASME)或-12℃(RCC-M)。对于试验不能满足技术要求的材料，技术规格书一般规定只能重新进行热处理，这和拉伸、冲击试验不合格允许加倍复试是不一样的。

为了使设备满足技术要求，除了制造厂制订并严格执行合理的工艺外，在按标准进行的试验中还有一些特殊规定需要注意采用，这样能更好的提高试验成功率。

1 标准中关于焊道焊接焊材和工艺的规定

试验的试样主要有P1、P2 和P3 三种型式。设计方一般根据材料的厚度等因素选择相应的试样类型。核电站设备一般选择P3 型试样。

试验的关键是在试样上堆焊一条具有一定长度、宽度和厚度的单道焊道，然后在焊道上开一条长度小于1.5 mm 的引导槽，它的主要作用是在试验时在试样上形成一个小的物理断裂缺陷。选用合适的堆焊材料，采用正确的堆焊工艺方法是确保落锤试验时脆性焊道缺口底部开裂，使试验成功的关键步骤。

1.1 ASTM E208 标准对焊材和焊接工艺的要求

ASTM E208 标准7.7 条中对于堆焊焊条的选择在注释3 里推荐了4 个厂家的焊条，其中，3个厂家有焊条直径说明，分别是3/16 in、∅4 mm和∅5 mm，1 个厂家的焊条未说明焊条直径。并且在注释3 里规定对于落锤试验用的每批焊条应按照7.10 条的要求进行适用性检验［1］。

对于焊接规范在7.7 条里规定:已经证实，电流在(180～200)A、中等电弧长度和焊接速度能焊成余高中等的焊道是最合适的焊接规范。

7.10条里还规定了其他裂纹源焊缝用材料。本条明确规定，如果其他焊接材料也能在相对较高的试验温度下成功地产生劈裂裂纹，也可以考虑用作裂纹源焊道。但是，对于这类裂纹源焊接材料，要按照7.10.1、7.10.2 和7.10.3 条的要求进行试验，只有达到这几条的规定后，才可以用作裂纹源焊道用材料。这3 条里主要规定了以下试验内容:7.10.1 中规定，加工3 个P2 型试样，分别在100℉(55℃)或在高于材料NDT 温度下进行三次落锤试验。7.10.2 中规定，如果三次试验都证明焊缝缺口经常是在试样受拉侧表面的弯曲变形量达到适当的跕座挡块所允许的最大变形量时开裂，则应批准采用为其他裂纹源焊缝。7.10.3中规定，7.7 条范围以外的焊接工艺和裂纹源焊道尺寸，如果能在相对较高的试验温度下，当试样表面的纤维达到或接近屈服时刻产生劈裂裂纹，就应认为可作为裂纹源。并且，还要按7.10.1进行三次试验，并能取得7.10.2 规定的试验结果，则可以用作P1、P2 和P3 型试样的裂纹源焊道。

1.2 GB/T6803 标准对焊材和焊接工艺的要求

GB/T6803 标准［2］中对焊材和焊接工艺是在5.4 条和5.5 条里具体规定的。5.4 条主要规定了裂纹源焊道焊材应采用GB/T984 堆焊焊条标准中的焊条。直径为∅4 mm～∅5 mm，焊接电流为180 A～200 A，中等电弧长度，焊接速度能够保证得到合适高度的焊道高度。5.5 条里规定了其他裂纹源焊道。对于其他焊接材料用于堆焊裂纹源焊道，需要将3 个P2 型试样在高于材料NDT温度55℃或以上温度下按本标准进行试验。三次试验的堆焊缺口都开裂，则认为该焊条可以用于裂纹源焊道的焊接。

1.3 ASTM E208 标准和GB/T 6803 标准对焊材和焊接工艺要求的对比

对比这两个标准可以发现，ASTM E208 标准和GB/T6803 标准在对其他堆焊裂纹源焊道的焊材选用方法是基本相同的，都是要求用3 个P2 型试样在规定温度下进行试验，如果缺口都开裂，则可以选用该焊接材料。而在焊接工艺方面，ASTM E208 标准和GB/T6803 标准是不同的。ASTM E208 标准在7.10.3 条里明确规定可以采用其他焊接工艺，只要满足3 个P2 型试样在规定温度下试验缺口都能开裂的条件，则该工艺就可以采用。而GB/T6803 标准没有对焊接工艺方面的规定。

2 实际试验中焊材和工艺的选取

史巨元在《钢的动态力学性能及应用》一书中对钢铁材料的TNDT影响因素分析中指出，材料的晶粒尺寸和显微组织的变化对钢的TNDT有很大影响，而焊接热影响区对晶粒尺寸和显微组织有较大影响。此外，该书中还分析指出堆焊焊条的影响，由于焊条原因而使结果出现相差20℃的情况［3］。郭平、史鼎文等在《高温气冷堆核电站金属堆内构件锻件材料12Cr2Mo1 落锤试验研究》一文中对焊接热影响区对落锤试验的影响有较深入的研究，文中指出堆焊焊道时焊接热影响区对落锤试验的温度有重要影响［4］。

在进行核电设备的落锤试验中，试样的焊道如果采用∅4 mm 的焊条进行焊接，按照焊接试验和焊接工艺，采用(160～170)A 的焊接电流是最适宜的，焊接电流小，热输入少，相应的热影响区面积也小。如果采用(180～200)A 的焊接电流，热输入量大，相应的热影响区也大。如果采用∅5 mm 焊条、(180～200)A 的焊接电流，焊接热影响区也很大。制造厂对∅4 mm 的焊条和∅5 mm 的焊条分别采用在165 A 和190 A 的焊接电流下施焊，然后进行落锤试验，二者的结果相差5～10℃。

如果采购技术规格书规定采用GB/T6803 标准，则只能用∅4 mm、∅5 mm 的焊条，在不低于180 A 的焊接电流下施焊，但其试验结果有时不能满足要求。

对于采购技术规格书规定采用ASTM E208标准，制造厂可以先进行焊接工艺的试验，例如采用∅4 mm 焊条，在(160～170)A 焊接电流下进行焊道焊接，然后再进行3 个P2 型试样在规定温度的落锤试验，若满足开裂的要求，就可以固化该工艺，将其作为落锤试验焊道焊接的专用工艺。

国内某些核电站设备制造厂通过执行ASTM E208 标准规定的其他裂纹源焊道焊接工艺，已取得了比较满意的结果，也得到了设计方和业主的认可。