AP1000核岛主设备不锈钢堆焊层首层铁素体含量研究

（哈电集团（秦皇岛）重型装备有限公司，河北 秦皇岛 066206）

0 概述

在某核电厂用AP1000核岛主设备堆芯补水箱产品制造过程中，按照设计要求，补水箱内表面均需堆焊不锈钢材料（首层堆焊EQ309L，其余层采用EQ308L材料），由于奥氏体不锈钢堆焊容易产生焊接热裂纹，通常会在焊缝中添加一定数量的铁素体，使得焊缝成为奥氏体+少量铁素体组织[1]。对于该产品，设计要求首层309L堆焊完成后，熔敷金属铁素体含量应为3～20 FN，试验方法按照ASME规范[2]。但在焊接试验过程中发现，首层铁素体含量远低于该要求。针对此问题，承制单位开展了大量的焊接试验和分析，制定了产品的处理措施，并为后续设计提出改进建议。

1 问题描述

AP1000堆芯补水箱主壳体材料为SA508Gr.3Cl.1锻件，最大壁厚234 mm，内径4 258 mm，内表面堆焊不锈钢材料，首层堆焊EQ309L，第二层堆焊EQ308L，堆焊层厚度约为7 mm。按照设计要求，堆焊层需含有一定量的铁素体：首层为3～20 FN，最终表面为5～20 FN。在实际焊接试验过程中发现，首层不锈钢堆焊后，无论采用化学法还是磁性法，铁素体含量均小于1 FN。

2 试验过程

2.1 原材料

堆焊试板材料为SA-508Gr3.Cl.1，锰镍钼合金钢，其高温强度和抗疲劳强度较高，抗低温冲击性能良好，中子辐照引起脆化的倾向小，广泛应用于核设备制造中[3-4]。

2.2 焊接材料

不锈钢EQ309L焊带及焊剂满足ASME规范，同时满足设计方不锈钢焊带焊剂技术条件的要求，熔敷金属成分如表1所示。

表1 熔敷金属化学成分 %

2.3 焊接设备及参数

采用平特性直流焊接电源ESAB LAF1250和等速送丝系统。焊接参数在常用规范[5-6]基础上进行扩展，采用焊接电压和焊接速度不变，改变焊接电流的方式（分别为：680A、710A、740A、770A、800A、830 A），仅堆焊一层309L。由于焊接电流过大或过小都可能造成堆焊层质量缺陷，因此根据实际焊接情况确定了堆焊电流的上下限值。

2.4 磁性法铁素体含量

磁性法是目前测定铁素体含量最简单快捷的方法。按照ASMEⅢNB-2433.1要求，依照AWSA4.2《测定奥氏体和奥氏体-铁素体双相不锈钢焊缝金属中δ相铁素体含量的方法和磁性测定仪的标定标准方法》对试验用仪器进行校准，使用CY-40型铁素体含量测定仪测得的不同焊接电流下的堆焊层首层表面铁素体数如表2所示。

表2 磁性法测量铁素体数

2.5 化学法铁素体含量

在首层堆焊层表面取金属屑进行化学分析，计算铬当量Creq和镍当量Nieq后，依据ASMEⅢNB-2433.1，采用WRC-92图（见图1）计算得出堆焊层中的铁素体含量，化学成分和铁素体数分别如表3和表4所示。

图1 WRC-92图计算铁素体数

表3 化学成分

表4 化学法计算铁素体数

可以看出，在其他条件不变的情况下，随着焊接电流的增加，堆焊层厚度增加，母材对不锈钢堆焊层的稀释率降低，因此堆焊层中Cr、Ni元素含量增加，但仍然远低于未稀释的熔敷金属含量。依据Fe-Cr-Ni三元相图（见图2），在熔融金属冷却过程中随Creq/Nieq的增加，虽然δ铁素体逐渐增加，但通过调整焊接电流，该数值均不超过1.5，因此δ铁素体含量很少，与试验结论吻合。

考虑到不同焊材制造商的不锈钢焊材在堆焊后可能会造成铁素体含量存在差异的情况，研究人员进行了多厂家、多批次的对比试验，并在满足堆焊层质量的情况下调整焊接速度、焊接电压等参数进行试验，铁素体数与上述结果相当。由于控制堆焊层中一定量的铁素体是为了避免产生结晶裂纹，而采用大量宏观试样进行分析均未发现裂纹等缺陷，由此可确认目前设备承制单位采用的不锈钢堆焊工艺可以避免铁素体含量不足而产生的焊接热裂纹。

图2 Fe-Cr-Ni平衡相图

3 结论

为避免堆焊层产生凝固裂纹，AP1000堆芯补水箱等核岛主设备要求不锈钢堆焊层首层铁素体数为3～20 FN。但由于在首层堆焊过程中，低合金钢母材对EQ309L不锈钢熔敷金属的稀释，导致实际制造过程中该技术指标始终难以满足要求。为保证堆焊层的焊接质量，设备承制单位严格控制了焊接材料的S、P等低熔点合金元素，并采用合适的焊接参数施焊，堆焊后各项性能检验和无损检测均满足设计要求，且未发生热裂纹。因此，在保证堆焊层质量、满足设备使用要求的前提下，建议针对核岛设备内表面不锈钢堆焊层首层的铁素体含量不做强制要求。多台设备的实际制造经验表明，设备承制单位采用稳定可靠的工艺参数和焊后严格的无损检测手段，可以确保不锈钢堆焊层质量，不会对核岛设备的功能和安全性产生任何影响。