钢制安全壳焊后热处理工程应用与建议

晏桂珍 王成才 王刚 马淋淋 李银 杨照东

摘要：根据钢制安全壳的结构尺寸、建造方式和焊后热处理要求，分析对比了适宜钢制安全壳焊后热处理的加热方式，并通过应用证明了局部焊后热处理的可行性。结合工程经验，提出了推动厚度小于60 mm的SA-738 Gr.B钢板免除焊后热处理，或采用超声波冲击处理代替焊后热处理的建议。

关键词：钢制安全壳;SA-738 Gr.B;局部焊后热处理;免除焊后热处理;超声波冲击处理

中图分类号：TG441.8      文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）04-0076-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.15

0    前言

钢制安全壳是AP/CAP系列非能动压水堆核电站的特有设备，既是防止放射性物质向外扩散的屏障，也是整个非能动安全壳冷却系统的重要组成部分。钢制安全壳为按照ASME锅炉及压力容器规范（简称“ ASME 规范 ”）第Ⅲ卷第1册NE分卷设计制造的带上下椭球形封头的“ 自由站立式 ”圆柱形压力容器，筒体上设置了大量电气贯穿件和机械贯穿件实现壳体的内外连接。钢制安全壳材质为低合金高强度SA-738 Gr.B调质钢板[1]。

AP/CAP1000钢制安全壳直径39.6 m、高65.6 m，

封头壁厚41.3 mm，筒体第1层钢板厚47.6 mm，其余层钢板厚44.5 mm，贯穿件补强板厚度分別为64 mm、90 mm和100 mm。CAP1400钢制安全壳内径43 m、高度73.6 m，筒体厚超过50 mm，贯穿件补强板厚度分别为80 mm、90 mm、110 mm和130 mm，补强板最大外直径8 500 mm。按照设计要求，钢制安全壳整体组焊完毕后，与理论形状相比，向内向外偏差不能超过一个壁厚[2-6]。

根据设计规范的要求，当焊缝母材名义厚度超过44.5 mm时，焊接接头应进行焊后热处理。以CAP1400钢制安全壳为例，需要进行焊后热处理的焊接接头长度累计超过2 500 m。焊后热处理是钢制安全壳建造中的关键工序。

1 焊后热处理主要方法

焊后热处理主要有炉内加热整体焊后热处理、炉内整体分段加热焊后热处理、容器内部加热整体焊后热处理和壳体整圈加热带局部热处理4种方式。

炉内整体热处理是将压力容器或受压元件整体放在封闭的加热炉内进行热处理，比较适用于中小型压力容器或受压元件的焊后热处理。

容器内部加热整体焊后热处理是由容器本体构成加热炉燃烧室，在容器内部设置加热装置，按规定控制升温、恒温、降温的各个过程，此方法广泛应用于大型球罐等产品的焊后热处理。其最常用的加热方法有电热法和轻柴油内燃法两种，电热法受现场电力供应的限制而应用较少;轻柴油内燃法由于所用机具简单、施工安全等优点而得到广泛的应用。

整体焊后热处理具有整体性和一次性的特点，不仅节省焊后热处理时间，节省能源，还可以使压力容器或受压元件免受二次加热引起局部残余应力与残余变形等不利影响[7]。条件允许时，应优选整体加热焊后热处理。

当承压设备（如塔器等）不宜进行整体焊后热处理时，可以采取整体分段焊后热处理。分段热处理时，各加热分段之间应重复加热。ASME规范第Ⅲ卷第1册NE分卷要求重复加热长度不小于2 m。加热部分的操作应符合炉内整体热处理的规定;非加热部分应采取保温措施，使温度梯度不影响材料的组织和性能。

承压设备的B、C、D类焊接接头，球形封头与圆筒相连的A类焊接接头以及缺陷焊补部位等可采用局部热处理。当采取局部焊后热处理时，加热过程应沿容器或物项的整个圆周形成一个环形加热带;确保容器或物项的温度从受控加热带的边缘向外逐渐减小，以避免产生有害的温度梯度。

此外，借鉴成熟的经验或相应的评价方法，综合考虑温度梯度以及焊后热处理过程中产生的应力载荷等的影响，ASME规范第Ⅷ册第Ⅰ分卷还允许采用其他形状（如牛眼式）的焊后热处理加热方法[6]。

2 钢制安全壳焊后热处理要求

2.1 保温温度

按ASME规范的材料分类，钢制安全壳材质SA

-738 Gr.B钢板属于P-No.1材料。根据ASME规范第Ⅲ卷第1册NE分卷NE-4622.4的描述，P-No.1材料的焊后热处理保温温度为595～675 ℃。SA-738 Gr.B为调质钢板，其最低回火温度为635 ℃。为保证材料性能，焊后热处理期间的最高保温温度应低于回火温度15 ℃。综上考虑，钢制安全壳焊后热处理保温温度为595～620 ℃。相比于非调质钢板，调质钢板的焊后热处理对温度均匀性提出了更高的要求。

2.2 保温范围与保温时间

当采取局部焊后热处理时，最小保温宽度为焊缝最大宽度两侧各加1倍焊缝名义厚度或50 mm的较小值。为便于操作，AP/CAP1000和CAP1400钢制安全壳筒体对接接头需要进行焊后热处理时，保温宽度为焊缝最大宽度两侧及其50 mm范围内。

ASME规范第Ⅲ卷第1册NE分卷规定，当焊缝名义厚度小于50 mm时，最短保温时间为焊缝名义厚度×2 min/mm，且不低于30 min;当焊缝名义厚度大于等于50 mm时，最短保温时间为2 h+（焊缝名义厚度-50）×0.5 min/mm。保温时间的计算是从同一次焊后热处理有效保温范围内最后一个测温点达到595 ℃开始，至第一个测温点温度开始低于595 ℃为止。

采用分段焊后热处理的重复加热部位或因其他原因造成多次焊后热处理部位，有效热处理时间应累计，且不宜超过材料模拟焊后热处理时间的1.25倍。SA-738 Gr.B材料的模拟焊后热处理时间为10 h，钢制安全壳同一部位累计焊后热处理时间不宜超过12.5 h。

2.3 升降温速率

在425 ℃以上，加热速率和冷却速率应不超过220 ℃/h除以热处理最大焊缝名义厚度的倍数，范围为56～220 ℃/h。在加热和冷却过程中，在任何5 m焊缝长度间隔内，温度变化应不大于139 ℃。

3 焊后热处理加热方法适宜性分析

3.1 筒体对接接头的焊后热处理加热方法

3.1.1 整体焊后热处理

为了缩短设备建造周期，钢制安全壳采用上下2个椭球形封头和多个筒体环模块段的模块化建造方式，各模块段拼焊完毕后，再依次整体吊装到核岛就位形成完整的容器[8]。当钢制安全壳模块段核岛就位形成封闭容器后，内部已安装反应堆压力容器和蒸汽发生器等大量主系统与设备，为规避焊后热处理对内部主系统与设备的影响，不能采用“ 自身炉膛 ”内部加热的方式进行整体热处理[7]。由于钢制安全壳直径大、高度高，以及钢制安全壳组焊完毕后周围空间的限制，也不能采用从外部整体加热的方式进行整体焊后热处理。

3.1.2 整体分段焊后热处理

筒体环模块段组焊完毕后，是一个直径达40 m、两端开口、厚度与直径比达到1/800，且最大质量达到1 450 t的薄壁圆筒。若对筒体环模块段采取整体焊后热处理，则需要建设大型专用热处理炉。一方面，相应热处理炉的建设成本很高;另一方面，筒体环模块段进出热处理炉不方便。当筒体环模块段采取整体移入移出，则需配备重型吊装设备，且要求操作定位准确，避免模块段与加热炉发生碰撞。当在加热炉内组焊筒体环模块段或筒体環模块段组焊完毕后再堆砌加热炉，会给钢制安全壳的建造周期带来不利影响。甚者，厚度与直径比达到1/800的两端开口薄壁筒体，整体焊后热处理后，对整体形状的变形影响的不确定性太大。故筒体环模块段不宜采用整体焊后热处理。

筒体环模块段采取立式拼装，组焊完毕后，直径40 m的薄壁圆筒不宜翻转。若筒体环模块段采取整体分段焊后热处理，则每处理一段，需对加热装置进行相应的升降移位，导致加热装置结构复杂，增加加热装置的建造成本。根据工程经验，立式整体分段焊后热处理变形虽然小于筒体环模块段整体焊后热处理，但出现超过设计要求的变形风险非常大。故筒体环模块段也不宜采用整体分段焊后热处理。

3.1.3 局部焊后热处理

综上所述，从工程应用上，钢制安全壳筒体对接接头仅局部焊后热处理可供选择。局部焊后热处理主要有燃气加热、电加热和电磁感应加热等方式。燃气加热装置相对简单，成本较低，但很难将温度均匀性控制在25 ℃以内，且安全性相对较差，一般适用于对加热温度均匀性要求不高的场合;电磁感应加热装置与被加热体的外形尺寸匹配要求一致性高，当被加热体的形状结构发生变化时，加热装置宜相应进行更换，成本高，但温度均匀性控制精度高、安全性高，一般适用于批量化产品且要求加热温度均匀性较高的场合。电加热成本和温度均匀性介于前两者之间，且安全性有保障，可用于钢制安全壳局部焊后热处理的加热。

文献[9-11]规定，筒体局部焊后热处理时应沿容器整个圆周形成一个环形加热带。CAP1400钢制安全壳筒体上最大补强板外直径为8 500 mm，按照相关研究文献[12-16]的描述，计算焊接接头向外侧加热宽度为2 655 mm，圆周加热宽度为13 830 mm;钢制安全壳内直径43 m，壳体圆周135 m，圆周整圈加热面积为1 867 m2;电加热板单位功率为10 kW/0.22 m2，加热电能为84 878 kW。采用圆周整圈加热局部焊后热处理，电功率需求太高，施工操作性较差。需要参照ASME规范第Ⅷ册第Ⅰ分卷的描述，采用圆周分段、牛眼式或牛眼式圆周分段局部焊后热处理等加热方法。

上述局部焊后热处理由于缺乏成熟的借鉴经验，实施前需通过有限元模拟分析方法，对钢制安全壳焊后热处理全过程中的变形和应力进行迭代分析，选择合适的加热温度梯度和升降温速率，再通过相应的焊后热处理工艺验证，反向确定适宜的加热宽度、保温方式和升降温速率等工艺参数，确保钢制安全壳焊后热处理的效果。

3.2 补强板与贯穿件的焊后热处理加热方法

AP/CAP1000和CAP1400钢制安全壳上，存在部分贯穿件与补强板组件的连接焊缝需要进行焊后热处理。根据ASME规范第Ⅲ卷第1册NE分卷的要求，除免除强制性焊后热处理的情况外，所有门、接管、开孔框架和类似的焊接结构，应在焊接到壳体上之前对焊接组件进行焊后热处理。即贯穿件与补强板组件应先进行焊后热处理，然后再焊接到钢制安全壳筒体上。贯穿件与补强板组件最大外径为8.5 m，可采用整体炉内焊后热处理。

4 焊接工艺评定

根据ASME规范IX表QW-253的描述，焊后热处理是涉及焊接工艺评定的重要变素。工艺评定试样的PWHT应与焊缝在产品中受到的热处理基本上相当，在热处理温度下累计时间不得小于产品所用时间的80%。

工艺评定采用了与产品相同的SA-738Gr.B钢板，厚度40 mm（最大厚度可覆盖200 mm），焊接材料选用φ3.2+φ4.0的E9018-G-H4焊条。为验证大线能量下焊缝的性能，焊接位置为立向上，采用多层多道焊接。采用火焰加热预热，预热温度为95～133 ℃，层间温度为127～197 ℃，最大热输入量为42.9 kJ/cm，焊接速度5.106～7.607 cm/min （φ3.2），5.811～7.947 cm/min （φ4.0）。

焊后试块采用炉内整体焊后热处理，425 ℃以上升温速率100 ℃/h，降温速率60～100 ℃/h，保温范围595～620 ℃，保温10 h （产品焊缝焊后热处理覆盖最长累计12.5 h）。

对焊缝区和热影响区试样分别进行常温拉伸试验、高温拉伸试验、侧弯试验、-29 ℃冲击试验等相关验证，焊接接头能够满足产品技术要求。

按照ASME规范IX QW-407的描述，此焊接工艺可以覆盖产品的焊后热处理要求。

5 工程应用情况与效果

AP/CAP系列钢制安全壳各部位焊后热处理工程应用方法如表1所示。

贯穿件与补强板部件采用燃气炉整体炉内焊后热处理时，提前标定燃气炉工件放置区域的温度均匀性，将温差控制在20 ℃以内。热处理过程中，在工件上焊缝及其两侧各50 mm范围内设置测温热电偶，监控工件的实际温度。

局部焊后热处理采用双侧对称布置电加热片进行加热。在工件上焊缝中间及其两侧各50 mm区域设置测温热电偶，在热电偶上设置控温热电偶。将各个电加热片加热功率设置为单独调控，根据测温热电偶的温度实时调整相应区域加热片的加热功率，使工件上热处理区域的温度控制在595～620 ℃。

筒体纵缝和环缝对接接头，采用矩形加热片。纵缝对接接头的中心线与加热片中心线重合;对环缝对接接头，加热片的中心线距离焊缝中心线向下适当偏移;筒体与补强板对接接头采用扇环形加热片，加热片的中心线与焊缝中心线重合。当焊接接头两侧钢板厚度不一致时，可通过在厚板侧增加辅助加热片的方式进行补偿加热，提高厚板一侧部位升温速率，控制温度均匀性。

根据模拟分析，为了使不等厚对接接头两侧薄厚板区域焊后热处理过程中变形趋于协调一致，降低焊缝表面开裂几率，采取垂直焊缝内外侧设置加劲板的柔性调控方式，将原焊接接头两侧的不均匀变形区域转移到远离焊接接头的加热区域。

采取上述方式成功完成了4台AP1000钢制安全壳的焊后热处理和1台CAP1400钢制安全壳主要焊缝的焊后热处理，整体效果达到预期要求。

6 改进建议

焊后热处理可以消除组装与焊接时产生的残余应力，防止产生应力腐蚀，改善焊接接头和热影响区的组织和性能，达到降低硬度、提高塑性和韧性的目的，进一步释放焊缝中的有害气体，具有防止焊缝的氢脆和裂纹的产生，稳定设备的几何尺寸、提高设备的使用寿命等作用[17]。其效果与材质的成分、组织、加热温度和保温时间等多种因素综合相关。但由于焊后热处理效果检验、检测方法的局限性，目前工程上暂无对其效果的验收评价准则与方法。

钢制安全壳的制造周期长，筒体对接接头焊接完毕后到核电站冷试，时间一般为1～4年，具有相应的时间进行焊接残余应力的自由释放。钢制安全壳材质SA-738 Gr.B调质钢板，可焊性好，且配套焊材为低氢焊材。根据近10年的产品制造经验，暂未发现检验合格的焊缝未经其他操作（如焊后热处理等）后续发生表面裂纹的情况。

文献[18-20]研究表明，SA-738Gr.B焊后热处理态与焊态相比，拉伸性能有所下降，焊后热处理未能改善焊缝和热影响区的冲击性能。这是因为焊后热处理使焊缝和热影响区碳化物数量明显增多，使焊缝金属晶粒长大，导致焊后热处理态焊缝和热影响区冲击性能下降。2019年10月，美国核管会（NRC）批准了ASME 规范案例N-841，当 SA 738 Gr.B母材厚度小于 60 mm 时，在焊接工艺满足一定条件的前提下，可免除焊接接头的焊后热处理[21]。考虑到焊后热处理给钢制安全壳形状控制带来的挑战，以及对建造周期和成本费用增加的影响，建议行业共同推动母材厚度小于60 mm的SA-738 Gr.B对接接头免除焊后热处理。

已有研究表明[22-23]，SA-738 Gr.B对接接头表面采用超声波冲击处理，可以有效地消除接头表面的残余拉应力，强化表面硬度。超声波冲击处理有利于控制产品形状变形风险，且可以与其他工作并行施工，有利于规避焊后热处理对制造周期和成本费用的影响，已广泛应用于母材不宜进行加热的焊接残余应力消除场合，可以作为一种替代钢制安全壳焊后热处理的应用方案。

7 结论

（1）根据钢制安全壳的结构尺寸和建造特点，筒体区域对接接头采用局部电加热的焊后热处理方式是可行的。

（2）根据SA-738 Gr.B钢板的特殊性，焊后热处理降低了对接接头及热影响区的抗拉强度和冲击韧性，建议推动厚度小于60 mm SA-738 Gr.B钢板免除焊后热处理，或者采用超声波冲击处理代替焊后热处理。

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收稿日期：2020-10-09

基金项目：国家科技重大专项資助项目（2018ZX06002002）

作者简介：晏桂珍（1982—），男，学士，高级工程师，主要从事核电设备与模块的制造技术研究。E-mail：yanguizhen@mail.snpemc.com。