李志杰

海南昌江多用途模塊式小型堆科技示范工程堆型采用具有自主知識產權的，滿足三代核能系統指標的十萬千瓦級壓水堆核電機組（ACP100）。模塊式小型反應堆作為一種安全、經濟的核電新堆型，是國際原子能機構（IAEA） 鼓勵發(fā)展和利用的一個核能開發(fā)新方向，核電發(fā)達國家都在積極研發(fā)，而我國開發(fā)模塊式小型反應堆可與世界先進核電技術水平保持同步，占據核能技術的制高點，促進核能技術發(fā)展。同時，模塊式小型反應堆是能源發(fā)展的必要和補充，我國地域遼闊，可以大大解決資源分布和能源需求不均衡問題[1～3]。

在這個堆型的制造過程中，面臨眾多技術問題。尤其該小型堆泵殼與隔板焊縫是焊接難度最大的焊縫之一，其特點是空間受限、焊接厚度大、焊接長度大，還要進行無損質量檢測，手工焊接無法勝任。因此，昌江小型堆主泵接管泵殼與隔板焊接技術對該堆型能否自主制造起著決定性作用。

1 產品及焊接結構

本文的海南昌江多用途模塊式小型堆重點項目反應堆壓力容器（以下簡稱昌江小堆） 的主泵接管內徑為?600 mm，隔板厚度為80 mm，寬度為544 mm，安裝于主泵接管中心，主泵接管與隔板組焊焊縫長度1 085 mm，焊縫距離接管側壁最大距離25 mm，焊縫高度方向距離接管內壁最大距離僅94 mm，由于空間狹小，觀察困難，焊接操作嚴重受限，焊接難度極大，屬于典型的受限空間焊接（見圖1）。

圖1 主泵接管與隔板組焊焊縫結構簡圖

2 焊接技術開發(fā)

2.1 焊接方法的選擇

由于主泵接管與隔板焊接的空間結構受限，且焊接量大，無法用手工電弧焊或手工TIG 焊接完成，只能采用自動焊接方式。另外，在焊接裝備中，自動化TIG 結構多樣，可實現緊湊空間焊接，可控性強，焊接質量好。因此，筆者用自動化TIG焊接方式進行主泵接管與隔板的焊接。

2.2 坡口結構

筆者根據主泵接管結構，綜合考慮加工難度，采用在主泵接管內壁堆焊凸臺后加工單V 坡口，在隔板寬度兩側加工單V 坡口，裝配后組成不對稱V 型坡口，隔板側坡口稍大一些（見圖2）。

圖2 主泵接管與隔板組焊坡口結構圖

2.3 試驗設備

由于主泵接管與隔板的焊接空間無法采用常規(guī)設備焊接，筆者開發(fā)出適于主泵接管與隔板焊接的專用焊機（見表1）。

表1 主泵接管與隔板焊接專機主要技術參數

為了獲得良好的焊接質量，尤其在打底焊接時能夠獲得良好的單面焊雙面成形效果，筆者開發(fā)專用背面氣體保護裝置；為了工程實施方便快捷，設計制作了支撐架、行走臺架、調整機構等輔助裝置（見圖3）。

圖3 背面氣體保護裝置

3 試驗材料與方法

3.1 試驗材料

試驗母材為低合金鋼16MND5，母材微觀組織為粒狀貝氏體，焊接材料采用?0.9 mm 的E309L和E308L 兩種焊絲。利用直讀光譜儀測得試驗母材與焊絲化學成分（見表2）。焊接保護氣、背面氣體保護均采用純度為99.999%Ar，采用機械手自動焊接。整個試驗件組焊完成后，從堆焊層、焊縫組織分別截取力學試樣、金相試樣、化學試樣、晶間腐蝕等試樣，其中金相組織、晶間腐蝕等試樣件經打磨、拋光、腐蝕后，采用光學顯微鏡觀察微觀組織[4～6]（見表3）。

表2 ER308L、ER309L 焊絲化學成分表(wt.%)

表3 主泵接管與隔板焊接工藝參數

3.2 試驗方法

（1）拉伸試驗

筆者分別在沿焊縫縱向、橫向方向分別在焊縫表層、T/2、根部切取棒拉試驗件，按照RCC-M 2007 SI100 標準加工試驗件，采用電子萬能試驗機（HS-1） 與電子引伸機（HS-156） 進行室溫、高溫拉伸試驗。為保證焊接接頭性能，在接頭全厚度切取30 mm×37 mm×450 mm 試驗件進行室溫板拉試驗。

（2）夏比沖擊試驗

測定金屬材料抗缺口敏感性(韌性) 試驗按照RCC-M 2007 SI312/MC1221 標準加工10 mm×10 mm×55 mm 試驗件，采用落錘式沖擊試驗機（HS-113） 與夏比沖擊試驗降溫儀（HS-129） 進行不同溫度下主泵側隔離層、焊縫、主泵側熱區(qū)、隔板側熱區(qū)的表層、T/3，以及根部的夏比沖擊試驗。

（3）顯微硬度檢測

采用維氏硬度儀（HS-240），根據RCC-M 2007 SI500/MC1280 標準執(zhí)行，試樣尺寸10 mm×60 mm×220 mm，在焊接接頭的橫截面上測量硬度，測點位置分別在焊接接頭厚度的1/4 和1/2 處，在低合金鋼側熱影響區(qū)每隔0.5 mm 測一個點，共取5 個點，在母材熔敷金屬上每隔1 mm 測一個點，共取3 點。

（4）晶間腐蝕

晶間腐蝕試驗按照RCC-M SI600/MC1320 標準E 法進行，試樣狀態(tài)為敏化態(tài)（保溫700 ℃±10 ℃×0.5 h），試樣尺寸為4 mm×10 mm×70 mm。

4 試驗結果與分析

4.1 焊縫宏觀形貌與無損檢測

筆者根據主泵接管和隔板裝配后空間狹小，觀察困難的結構特點及設備情況，制定合適的裝配與焊接工藝。經過試驗件的調試和驗證，可滿足主泵接管-隔板坡口形式焊接，首層背透效果良好，整條焊縫成形質量良好（見圖4）。焊后經PT，UT檢測全部合格，滿足產品無損檢測要求。

圖4 主泵接管與隔板焊縫宏觀形貌

4.2 焊縫微觀組織

采用倒置式金相顯微鏡（HS-135），對母材、熱影響區(qū)、隔離層、焊縫的金相組織進行檢測。結果顯示：母材16MND5 為典型的核電用鎳錳鉬低合金鋼，組織為回火貝氏體組織（見圖5（a））；隔離層、焊縫為奧氏體+鐵素體組織（見圖5（b），（c））；熱影響區(qū)為貝氏體組織（見圖5（d））。試樣均未發(fā)現顯微裂紋和影響接頭性能的沉淀物，滿足產品技術條件要求。

圖5 焊縫微觀組織形貌（X200）

4.3 力學性能

（1） 沖擊性能

從不同位置沖擊試驗結果可以看到，焊縫表層、T/3、根部的沖擊吸收功依次減小，但差別不大?？傮w而言，焊縫內部沖擊吸收功遠高于主泵側隔離層與隔板側隔離層。焊縫、隔離層沖擊吸收功均遠高于母材，說明焊接熱輸入控制合理，能夠保證焊縫內部組織與沖擊性能（見表4）。

表4 沖擊性能試驗結果

（2） 彎曲性能

彎曲試驗主要用來檢測焊縫材料在經受彎曲負載作用時的性能，評價焊縫金屬材料的彎曲強度和塑性變形的大小。試驗按照RCC-M 2007 SI200/MC1260 標準執(zhí)行，試樣大小30 mm×35 mm×250 mm。試驗結果表明：室溫下焊縫表層、根部的面彎與側彎上均未發(fā)生明顯開裂；在全厚度側彎出現≤0.45 mm×0.07 mm 裂縫，滿足標準中“拉伸面上單個裂紋、氣孔和夾渣物等的長度不得超過1.5 mm”的要求，故焊縫彎曲性能滿足要求。

（3） 拉伸性能

由試驗結果可知，焊縫抗拉強度平均值為584 MPa，達到母材強度（550 MPa） 的94%，焊縫屈服強度平均值為476 MPa，達到母材屈服強度（400 MPa） 的84%，斷后平均伸長率為39%，斷裂位置均發(fā)生在焊縫位置（見表5）。

表5 焊縫接頭力學性能

4.4 晶間腐蝕

試樣經腐蝕后，采用電子萬能試驗機（HS-1）進行彎曲試驗，然后將試樣放大10 倍觀察。觀察結果表明，對接焊縫表面縱向、主泵側隔離層表面縱向及隔板側隔離層表面縱向均沒有發(fā)現晶間腐蝕裂紋及傾向，試驗合格，滿足產品技術條件要求。

4.5 宏觀硬度

從焊接接頭硬度分布測試結果可以看到，不同位置的所有焊縫均是熔敷金屬硬度最低，由于熱影響區(qū)滲碳體析出較多，硬度較高，與母材硬度基本相同，隔離層硬度處于二者中間（見圖6）。由于熱影響區(qū)在每一次焊接過程中都相當于進行一次熱處理，晶粒長大，導致熱影響區(qū)硬度高于焊縫?？傊綦x層、焊縫及熱影響區(qū)的宏觀硬度都滿足產品技術條件。

圖6 焊接接頭硬度分布

5 結 語

（1） 針對海南昌江多用途模塊式小型堆主泵接管泵殼與隔板焊接空間受限、焊接厚度大、焊接長度大等技術難點，開發(fā)出適用于主泵接管與隔板焊接的專用焊機。

（2） 試驗結果表明，主泵接管和隔板焊接接頭焊縫抗拉強度平均值達到母材強度的94%，焊縫屈服強度平均值達到母材屈服強度的84%，具有優(yōu)良的力學性能，僅焊接熱影響區(qū)及交界處力學性能較弱。

（3） 該主泵接管和隔板焊接接頭全部性能滿足產品技術條件要求，為同類產品的制造做好技術準備。