白日亮，原 瑜

（青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司,山東青島 266000）

“華龍一號(hào)”是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代核電技術(shù)，應(yīng)用于先進(jìn)的百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電，采用了RCC-M 2007版標(biāo)準(zhǔn)制造，該版標(biāo)準(zhǔn)的焊接部分改動(dòng)很大。儀表罐設(shè)備的安全等級(jí)為核二級(jí)，儀表罐均安裝于差壓式變送器的測(cè)量管線，其主要作用是冷卻管線中的水汽，避免水汽在儀表管線中冷凝積累，或者收集管線中的冷凝水，避免其在儀表管線中積累。儀表罐的外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 儀表罐產(chǎn)品的典型外形結(jié)構(gòu)及尺寸Fig.1 The typical structure and size of instrument tank

1 儀表罐用材料

由某制造廠承制的儀表罐，主體材料是奧氏體不銹鋼Z2CND18-12（控氮）。此種奧氏體不銹鋼屬超低碳奧氏體不銹鋼［1］，其含碳量低且具有優(yōu)良的抗晶間腐蝕能力，但較低的碳含量制約了材料的強(qiáng)度，其中一定量氮元素的固溶強(qiáng)化作用，可以提高超低碳奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度［2］，還可以增加鋼的耐腐蝕性，抑制點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕的效果更明顯。該制造廠對(duì)于Z2CND17-12不銹鋼有成熟的焊接經(jīng)驗(yàn)，但采用Z2CND18-12（控氮）不銹鋼焊接尚屬首次。通過(guò)對(duì)Z2CND18-12（控氮）和Z2CND17-12材料的化學(xué)成分和性能進(jìn)行綜合比較，以判斷Z2CND18-12（控氮）不銹鋼的焊接性，確定其焊接工藝。

依據(jù)法標(biāo)RCC-M 的規(guī)定，表l 和表2 給出了Z2CND18-12（控氮）不銹鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能要求，與具有成熟制造工藝的Z2CND17-12 材料進(jìn)行了對(duì)比。

表1 母材化學(xué)成分（單位：質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition of base metal

表2 母材的力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of base metal

通過(guò)與Z2CND17-12 材料的對(duì)比可以看出，Z2CND18-12（控氮）不銹鋼中氮元素的含量增加，氮是有效的固溶強(qiáng)化元素，氮元素常用于提高奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度。由此可見(jiàn)，儀表罐的殼體選用Z2CND18-12（控氮）不銹鋼制造，不僅考慮到了其耐蝕性，還有力學(xué)性能。

2 焊接材料

焊接材料選用牌號(hào)為ER316L 的氬弧焊絲，規(guī)格為Φ2.0 mm，Φ1.6 mm，Φ1.0 mm，按照RCCM 2007 版中S2915 等要求進(jìn)行采購(gòu)。焊接材料根據(jù)S2000 的要求進(jìn)行了驗(yàn)收，并按照RCC-M S5000的要求進(jìn)行了焊接材料評(píng)定。

3 焊接工藝評(píng)定

焊接工藝評(píng)定按照2007 版的RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)，此版較老版標(biāo)準(zhǔn)在焊接工藝評(píng)定部分做了大量的修改，2007 版RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)以EN ISO15614-1為基礎(chǔ)，在S篇中增加補(bǔ)充要求。

3.1 對(duì)接焊縫的焊接工藝評(píng)定

焊接工藝評(píng)定試件材料選用與產(chǎn)品一致的Z2CND18-12（控氮）不銹鋼鋼管，鋼管尺寸為Φ88.9×11.13 mm，采用手工鎢極氬弧焊和自動(dòng)脈沖TIG 焊分別焊接一對(duì)試件，試件坡口型式如圖2所示。

圖2 環(huán)縫焊接工藝評(píng)定坡口Fig.2 PQR groove of Cir.weld

分別采用手工鎢極氬弧焊和自動(dòng)脈沖TIG焊進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，掌握了最佳的焊接工藝參數(shù)，解決了氬弧焊封底時(shí)易出現(xiàn)的燒穿、未焊透以及施焊時(shí)易出現(xiàn)的層間未熔合、側(cè)壁未熔合、氣孔、夾鎢等問(wèn)題［3］。

試件經(jīng)射線檢測(cè)合格后，分別進(jìn)行了理化性能檢測(cè)，自動(dòng)脈沖TIG焊試件焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為628 MPa，斷后伸長(zhǎng)率平均值為37.5%，表面焊縫區(qū)室溫沖擊試驗(yàn)平均值為186 J，近表面/根部距熔合線1 mm處熱影響區(qū)室溫沖擊試驗(yàn)平均值為265 J，面背彎試驗(yàn)和晶間腐蝕的試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。手工鎢極氬弧焊試件焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為589 MPa，斷后伸長(zhǎng)率平均值為46%，表面焊縫區(qū)室溫沖擊試驗(yàn)平均值為120 J，近表面/根部距熔合線1 mm 處熱影響區(qū)室溫沖擊試驗(yàn)平均值為140 J，面背彎試驗(yàn)和晶間腐蝕的試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 小尺寸支管接頭（BOSS頭）的焊接工藝評(píng)定

考慮到焊材填充量以及接管直線度的要求，坡口角度普遍在25°-35°之間，焊工施焊難度較大，如采用手工焊條焊接，不利于焊工施焊以及焊渣的清理，焊縫內(nèi)部易出現(xiàn)大量夾渣，而且如果焊工運(yùn)條不當(dāng)，也易于坡口或?qū)娱g未熔合的產(chǎn)生［4］。

綜合考慮上述BOSS頭焊縫產(chǎn)生缺陷的諸多要素，采用手工鎢極氬弧焊對(duì)此類接頭施焊，坡口角度25°-30°，焊絲直徑Φ2.0 mm。母材選用Z2CND18-12（控氮），焊材為ER316L，規(guī)格：主管Φ60×11 mm，管座Φ40×12 mm。焊接過(guò)程中采用多層多道焊接，單道焊道厚度保證2-3 mm，避免單道過(guò)厚造成側(cè)壁未熔合。施焊中對(duì)打底焊道進(jìn)行100%PT 檢驗(yàn)，層間進(jìn)行100%PT 檢驗(yàn)，蓋面進(jìn)行100%VT、100%PT、100%RT 檢驗(yàn)，內(nèi)孔機(jī)加工鉆通后對(duì)焊縫根部采用內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢驗(yàn)，最終對(duì)評(píng)定試件解剖進(jìn)行宏觀金相和微觀組織檢驗(yàn)，結(jié)果顯示沒(méi)有未焊透、焊瘤、氣孔、未熔合等焊接缺陷。

圖3 管座與筒體的焊接接頭詳圖Fig.3 Welded joint detail of tube socket to shell

3.3 插套焊縫的焊接工藝評(píng)定

針對(duì)插套型式角焊縫焊接試驗(yàn)中出現(xiàn)的焊縫根部未焊透、表面咬邊、焊塌問(wèn)題，該制造廠的焊接工藝人員開(kāi)展了焊接工藝評(píng)定。焊接方法為手工鎢極氬弧焊，焊絲牌號(hào)為ER316L，焊絲直徑Φ2.0 mm。焊接過(guò)程中，根據(jù)焊縫尺寸要求確定焊道的層次和焊道數(shù)，并注意道間清理，道間溫度控制在100℃以下。在保證熔透的前提下盡量采用較小熱輸入、低壓短弧施焊、縮短高溫停留時(shí)間、減小冷卻速度，避免產(chǎn)生焊接缺陷。注意焊前裝配時(shí)根部間隙為1.5-2.5 mm。

圖4 管子與套管的焊接接頭詳圖Fig.4 Welded joint detail of pipe to casing pipe

焊后進(jìn)行了外觀尺寸、逐層100%PT、宏觀金相和微觀組織檢驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)焊縫出現(xiàn)未焊透或外觀成形不良等缺陷。最終對(duì)試樣解剖后進(jìn)行宏觀金相和微觀金相檢驗(yàn)，結(jié)果均未出現(xiàn)未焊透、焊瘤、層間夾渣、氣孔、未熔合等焊接缺陷，根部間隙尺寸為1.5 mm，較焊接前收縮1 mm。

4 儀表罐的焊接

4.1 筒體與封頭環(huán)縫的焊接

筒體與封頭焊縫的焊接采用單面V 型坡口，焊接方法為自動(dòng)脈沖TIG焊。其焊中及焊后的焊縫外觀如圖5所示。

圖5 自動(dòng)脈沖TIG焊焊中及焊后焊縫外觀Fig.5 Weld appearance of automatic pulse TIG during and after welding

自動(dòng)脈沖TIG焊焊中及焊后的焊縫表面成形穩(wěn)定，光潔均勻無(wú)表面缺陷，焊道呈現(xiàn)出規(guī)則的魚(yú)鱗紋狀，焊縫表面呈銀白色，說(shuō)明該焊接方法穩(wěn)定性較好，焊接工藝參數(shù)及焊接質(zhì)量可控［5，6］。

圖6 小尺寸支管接頭（BOSS頭）焊中焊縫外觀Fig.6 Weld appearance of small-sized branch connection（BOSS connection）during welding

4.2 管座與筒體的BOSS接頭的焊接

BOSS 接頭主要用于母管和支管的連接。除了焊接過(guò)程中要注意采用多層多道焊，避免單道焊道過(guò)厚造成側(cè)壁未熔合外，無(wú)損檢測(cè)也是確保焊縫質(zhì)量的重要方法。BOSS 接頭的規(guī)格為Φ40×12 mm，按照RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫只要求進(jìn)行目視和PT檢測(cè)，但業(yè)主要求進(jìn)行輔助體積探傷，判定標(biāo)準(zhǔn)由制造廠自行確定。在實(shí)際操作過(guò)程中，PT 檢驗(yàn)不適宜檢查BOSS 接頭的焊縫內(nèi)表面質(zhì)量；不進(jìn)行體積檢測(cè)，也無(wú)法檢測(cè)出隱藏缺陷。為保證焊接質(zhì)量，增加了過(guò)程中檢測(cè)，在打底焊道、層間（每3層或每1層）增加PT%檢測(cè)，內(nèi)孔加工后對(duì)焊道根部進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，焊后在焊縫表面100%PT 基礎(chǔ)上增加了焊縫輔助RT 抽樣檢查，減少了帶缺陷的BOSS 接頭焊縫進(jìn)入安裝和調(diào)試運(yùn)行等階段。

4.3 插套焊縫的焊接

焊接時(shí)，首先進(jìn)行試件的點(diǎn)焊裝配定位，滿足1.5-2.5 mm插套焊接間隙要求后，采用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行橫角焊位置的焊接。由于部分接管壁厚較薄，最薄至δ1.65 mm，推薦此類薄壁接管的焊縫焊槍鎢極傾斜角位置如圖7所示。對(duì)于此類角焊縫的焊接，首先是要有成熟可靠的焊接工藝作為支撐，以避免焊接過(guò)程中未焊透、咬邊等缺陷的出現(xiàn)，保證焊縫的質(zhì)量和性能，其次需要嚴(yán)格按照RCC-M S7740中射線探傷檢測(cè)的要求執(zhí)行無(wú)損檢測(cè)，為焊接質(zhì)量提供可靠保證。

圖7 焊槍鎢極傾斜角位置示意圖Fig.7 Sketch for inclination angle of tungsten electrode of welding torch

由于產(chǎn)品接管壁較薄，此類焊縫易出現(xiàn)外觀成形不良、咬邊，焊縫根部位置易出現(xiàn)未完全熔透等現(xiàn)象［7］。外觀成形不良的主要表現(xiàn)為焊縫咬邊及焊塌，出現(xiàn)在填充焊過(guò)程。焊趾邊沿呈現(xiàn)出斷續(xù)、由淺至深的咬邊。咬邊缺陷會(huì)造成焊趾部位的應(yīng)力集中，增加裂紋生成的風(fēng)險(xiǎn)。大的熱輸入量也易出現(xiàn)咬邊。此外，由于橫角焊這種焊接位置的特殊性，在蓋面時(shí)也易造成咬邊。未焊透是一種典型的面積缺陷，該類缺陷使焊接接頭存在力學(xué)性能降低的風(fēng)險(xiǎn)，邊緣位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成缺陷擴(kuò)展從而產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂的嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。

5 應(yīng)用RCC-M 2007版標(biāo)準(zhǔn)S冊(cè)的心得

RCC-M標(biāo)準(zhǔn)S冊(cè)詳述了焊材驗(yàn)收、焊接材料評(píng)定、焊接工藝評(píng)定、焊工技能評(píng)定、制造車間技術(shù)評(píng)定，產(chǎn)品焊接等與焊接相關(guān)的要求，制造廠可以快速轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容用于指導(dǎo)生產(chǎn)?？傮w上講，RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)被普遍認(rèn)為規(guī)定具體且系統(tǒng)性強(qiáng)，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍會(huì)有理解和使用上的困難［8］。在設(shè)備焊接方面運(yùn)用Ⅳ卷時(shí)［9］，RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)中的許多內(nèi)容描述較為簡(jiǎn)單，無(wú)相應(yīng)的圖示或舉例，視角不同的人對(duì)同一內(nèi)容會(huì)有不同的理解，執(zhí)行起來(lái)存在困難［10］。RCC-M 2007 版全面采用了ENISO15614-1 標(biāo)準(zhǔn)，相較于2000 版S3000 部分在格式和內(nèi)容等方面有了較大變化。例如，RCC-M 2007 版中焊接工藝評(píng)定的覆蓋范圍擴(kuò)大了，取樣個(gè)數(shù)整體相對(duì)減少了，增加了焊接線能量等要求，RCC-M 2007 版標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于斜接管焊縫有了明確的規(guī)定。之前舊版中只對(duì)管道焊縫有要求。按照RCC-M 2007 版標(biāo)準(zhǔn)，要求對(duì)于傾斜角度小于60°的管插板焊縫和管插管焊縫，除了要做對(duì)接試件外，新增加了模擬試件的焊接要求。對(duì)于傾斜角度、主支管的管徑比值均明確了覆蓋范圍。

按RCC-M 2007 版標(biāo)準(zhǔn)的要求，焊接工藝評(píng)定試件厚度在3-50 mm之間時(shí)，兩相焊接件的母材可適用厚度均應(yīng)滿足0.5-1.2 t 范圍內(nèi)。為了滿足焊接工藝評(píng)定的覆蓋范圍，需要焊接厚度為50 mm 以上的試板或者選擇焊接多塊厚度不同的試件以滿足厚度覆蓋范圍，這加大了焊接工藝評(píng)定的工作難度。

6 結(jié)論

（1）Z2CND18-12（控氮）不銹鋼材料的焊接性能優(yōu)良，管管對(duì)接評(píng)定試件、小尺寸支管接頭（BOSS 頭）評(píng)定試件以及插套焊評(píng)定試件使用常規(guī)的不銹鋼焊絲及焊接工藝，力學(xué)性能、面背彎、晶間腐蝕試驗(yàn)和金相檢測(cè)結(jié)果均可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）經(jīng)過(guò)一系列的焊接性試驗(yàn)，探索解決了儀表罐產(chǎn)品焊接的諸多難題。筒體與封頭環(huán)縫的焊接采用自動(dòng)脈沖TIG焊，表面成形穩(wěn)定均勻，筒體與管座BOSS接頭的焊接從過(guò)程控制和輔助體積探傷等方面保證質(zhì)量，插套焊縫的焊接則通過(guò)控制焊槍鎢極傾斜角等方面避免出現(xiàn)根部未焊透、焊瘤、層間夾渣、氣孔、未熔合等缺陷。

（3）RCC-M 2007 較2000 版標(biāo)準(zhǔn)更加完善。新版RCC-M（2007 版）的主要變化體現(xiàn)在適應(yīng)新的法規(guī)要求、引用標(biāo)準(zhǔn)的更新以及經(jīng)驗(yàn)反饋、新技術(shù)應(yīng)用等?？傮w來(lái)講，新版RCC-M（2007 版）相較于舊版RCC-M（2000+2002 補(bǔ)遺版）沒(méi)有根本性的變化，而且體現(xiàn)了法國(guó)核島設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則協(xié)會(huì)（AFCEN）持續(xù)改進(jìn)的思想。