核岛钢衬里埋弧焊接头组织和性能研究

黄清辉 项杰波

摘要：通过对P265GH钢衬里板进行较低热输入埋弧焊（SAW）双面焊模拟预制拼接试验，重点研究了接头的化学成分、显微组织和力学性能。试验结果表明，钢衬里板较低热输入SAW双面焊工艺稳定，焊接接头性能满足规范要求，论证了钢衬里板较低热输入SAW双面焊接工艺的可行性。针对钢衬里工程预制拼接施工经验，总结了钢衬里板SAW焊接施工注意事项，为后续钢衬里拼装施工质量控制提供借鉴。

关键词：核电站;P265GH钢衬里板;埋弧双面焊;显微组织;力学性能

0 前言

核岛钢衬里[1-2]是核电站第三道安全屏障的重要组成部分，主要由P265GH钢衬里板、背部L型钢及锚栓等组成。钢衬里板预制拼装通常采用传统焊条电弧焊（SMAW）双面焊工艺，具有焊接施工效率低、打底焊缝质量差、焊缝成形较差等缺点[3]，直接影响钢衬里板预制拼接质量。此外，传统SMAW双面焊接工艺需进行焊缝背面清根及检验，增加了钢衬里板预制拼装施工的繁琐程度，影响了钢衬里预制拼装施工进度。

埋弧焊（SAW）是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，具有焊接质量稳定、焊接生产效率高、劳动条件好等优点。SAW焊接工艺普遍应用于核电站碳钢及不锈钢压力容器的制造[4-5]。近年来，逐步开展了SAW焊接工艺在核岛安全壳施工中的应用研究，如CAP1400钢制安全壳厚板SAW横焊工艺[6]和CPR1000安全壳钢衬里陶瓷衬垫SAW自动焊工艺[7]。钢衬里SAW焊接工艺逐渐成为了当前安全壳施工研究热点之一。

传统SAW焊接热输入大、大范围返修难度大，且核岛钢衬里拼装焊缝质量要求高（RCC-M 01级）。为了有效降低焊接热输入并保证焊接成形及稳定性，文中通过对P265GH钢衬里板进行了较低热输入SAW双面焊模拟拼接試验，重点研究焊接接头的连续性、化学成分、显微组织和力学性能，有效论证了钢衬里板SAW焊接工艺的稳定性及接头性能，并总结了钢衬里板SAW焊接施工注意事项。

1 试验材料与方法

为确保一致性，试验材料选用P265GH板，尺寸6 mm×150 mm×800 mm，化学成分和力学性能如表1所示。埋弧焊焊丝型号H08MnHR（规格φ2.4 mm），焊剂型号SJ14HR，熔敷金属化学成分如表2所示。焊接设备为LINCOLN ELECTRIC。结合焊材卡片推荐和相关工艺试验，焊接试验参数如表3所示。为了有效降低焊接热输入及保证焊缝成形，采用SAW双面焊工艺[8]，I型坡口，焊接位置均为平焊（PA）位置，坡口及焊道示意如图1所示。SAW双面焊接工艺流程为：坡口加工→打磨氧化膜→固定、组对→正面焊接→翻身、固定→背面焊接→焊后修磨。

焊接模拟试验完成后，依据RCC-G 86[9]、RCC-M 2007[10]和设计规范开展了目视检验（VT）、泄漏检验（LT）、液体渗透检验（PT）、射线检验（RT）。根据标准ISO 15614-1（2004）[11]和RCC-M 2007[10]制备了化学成分、宏观/微观金相、拉伸、弯曲、冲击和硬度试样，接头性能试验取样位置示意如图2所示。

2 试验结果与分析

2.1 接头宏观形貌

P265GH模拟试板组对确认后，采用表3所示的焊接工艺参数进行埋弧焊模拟试验。SAW焊缝接头正面表观形貌和横截面宏观形貌分别如图3、图4所示。由图3、图4可知，焊缝接头成形良好，表面纹路均匀美观，试样表面及截面内部未发现未焊透、未熔合、裂纹、气孔、夹渣等低倍焊接缺陷，接头熔合过渡区及焊道之间熔合良好。

2.2 接头无损检验

接头进行100%VT检验、100%LT检验、100% PT检验、100%RT检验，均未发现可记录显示，结果合格（符合RCC-M 2007一级焊缝验收标准[10]）。

2.3 接头成分分析

依据GB/T 223相关要求，对SAW接头非稀释区熔敷金属进行化学成分分析，如表4所示。经对比测定值与规定值可知，SAW接头非稀释区熔敷金属化学成分测定值均在规定值范围内，满足要求。

2.4 接头金相组织

根据GB/T 226[12]和GB/T 13298[13]相关规定，对SAW接头PA试件实施微观金相组织分析。SAW接头微观金相组织形貌如图5所示。

由图5可知，SAW接头焊缝区组织为铁素体+珠光体+贝氏体，未发现显微裂纹及异常组织。SAW焊缝区晶粒尺寸约为20 μm，与SMAW接头焊缝区组织晶粒尺寸相当[14]。熔合区和热影响区组织均为铁素体+珠光体，且均未发现显微裂纹及异常组织。SAW接头热影响区部分晶粒尺寸略有长大（约为30 μm），与SMAW接头热影响区晶粒尺寸[14]相当，且轧制流线型组织仍有一定保留。

2.5 接头力学性能

焊接接头的力学性能是接头性能的重要评价指标[15]。依据RCC-M 2007[10]，分析SAW接头的拉伸、冲击、弯曲和硬度等力学性能，如表5所示。

与SMAW接头[14]抗拉强度（Rm）对比，SAW接头Rm均值为436 MPa，断口均在母材区域，与SMAW接头相当，满足规定要求（≥410 MPa）。

针对SAW接头热影响区试样，分别进行180°面弯及背弯（各2组试样）试验，试件均未出现明显开裂等缺陷，满足相关要求。

对SAW接头焊缝区及热影响区试样分别进行冲击试验（各3组试样）。SAW接头焊缝区冲击功均值为74 J（最低值62 J），满足规定值要求。SAW接头热影响区冲击功均值为102 J（最低值90 J），满足规定值要求。

通过硬度试验可知，SAW接头焊缝区、熔合区及热影响区硬度值在125～168 HV10范围内，略低于SMAW接头硬度[14]，满足规定值≤380 HV10的要求。

综上可知，SAW接头力学性能与SMAW接头力学性能相当，满足RCC-M 2007及相关规范要求。

3 注意事项

基于钢衬里工程预制拼接施工经验，针对核岛钢衬里预制拼装SAW焊接施工过程的质量管控和注意事项汇总如下：

（1）SAW焊丝偏移对焊缝质量有较大影响[16-17]，若焊接过程中存在焊丝偏移问题，易出现大面积未焊透、未熔合等缺陷。为了有效避免焊丝偏移问题，施焊前应进行焊接机头空走调整，施焊过程中应及时检查纠偏。

（2）某核电站钢衬里SAW焊接过程中曾大面积出现气孔或链孔等焊接缺陷，导致钢衬里拼接缝的割缝与重焊。经排查分析，焊接过程中电弧电流/电压波动是导致焊缝气孔或链孔缺陷大量出现的主要原因。通过调整焊接用电时段和焊接行走轨道的平整度，全面确保了焊接电流/电压的稳定性，有效控制了大面积气孔或链孔焊接缺陷。此外，也应关注焊接气孔类缺陷产生的其他原因，如焊接电流过小、焊接速度过快、焊剂吸潮、焊剂覆盖不足、待焊表面清洁度不满足、车间湿度超标等。

（3）SAW自动焊接工艺参数控制对于焊缝成形质量具有较大影响[18]。施焊时应严格按照经评定的工艺参数执行，确保焊缝成形质量。

（4）针对SAW自动焊缺陷及返修难度情况，应及时开展焊缝无损检验及焊接质量趋势分析，以进行施工过程中的风险识别和及时纠偏。

4 结论

针对核岛钢衬里P265GH钢板SAW双面焊模拟试验，经外观检验、无损检验、化学成分、金相组织和力学性能分析可知，SAW接头性能满足RCC-M 2007及相关规范要求。核岛钢衬里预制拼接SAW双面焊工艺稳定，焊缝接头质量可控，可有效解决钢衬里预制拼接施工质量和进度难题。

基于核岛钢衬里板SAW焊接施工常见缺陷，结合工程经验总结了核岛钢衬里SAW焊接相关施工过程质量管控措施和注意事项，如焊接前空走、稳定弧压、过程纠偏、及时开展无损检验及质量趋势分析等管控措施，为后续钢衬里焊接施工质量控制提供了借鉴。

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