胡曉波， 趙承先， 馮偉， 陳波， 魏濤， 劉滿雨

(1.哈爾濱威爾焊接有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150060；2.中國石油天然氣第七建設有限公司，山東 青島 266300)

0 前言

核電是一種清潔高效的能源，在滿足日益發(fā)展的能源增長需求的同時，能夠大幅度減少對大氣環(huán)境的污染。核電站核島承壓設備主要包括反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器，這些設備殼體所用的材料均為A508-3鋼。近些年，國內核電行業(yè)發(fā)展迅速。目前國內現(xiàn)有的三代非能動壓水堆核電機組采用的是Delta-125型蒸汽發(fā)生器，蒸汽發(fā)生器是核反應堆一回路系統(tǒng)關鍵設備之一[1-3]，其制造所需的主要鍛件為美國機械工程師協(xié)會(ASME)《核動力裝置設備建造準則》所規(guī)定的壓力容器用SA-508Gr.3Cl.2鋼。該材料與過去核電站常用的SA-508Gr.3Cl.1鋼比，具有更高的強度，同時還能保持較好的低溫沖擊韌性[4]。

中國早在20世紀80年代就由當時的核工業(yè)部第一研究設計院(現(xiàn)為中國核動力研究設計院)、哈爾濱焊接研究所(現(xiàn)為哈爾濱焊接研究院有限公司)等單位組成了相關協(xié)作組，開始了壓水堆核電站反應堆壓力容器用A508-3鋼鍛件和配套焊接材料以及制造工藝的研究[5-8]，但時至今日國內此類配套焊接材料依然大部分依賴進口。隨著一帶一路發(fā)展戰(zhàn)略的推進和國內核電工程建設的重啟，核電焊接材料的需求將會迅速擴大。進口焊接材料不僅存在供貨周期長、產品價格高、技術支持服務滯后等問題，影響工程進度和效益；還會因為國內沒有生產能力，使得一些進口焊材無可替代，一旦出現(xiàn)質量問題，則延誤工程進度，甚至給工程質量帶來嚴重隱患。目前國內核島主設備用A508-3鋼焊材市場基本被日本KOBELCO、德國Thssen等公司的進口焊材所占據(jù)，雖然國內已有部分焊材制造企業(yè)的一些產品應用于核電工程，但其大部分用于常規(guī)島，少部分產品用于核二、三級設備的制造。對于核一級設備的制造，國產焊材一直被拒之門外[9]。國產焊接材料尚不能為我國核一級設備制造提供強力支撐。為此國內迫切需要焊材制造企業(yè)來開展相關焊接材料的研制，來滿足目前相關制造企業(yè)的需求。

近些年，哈爾濱威爾焊接有限責任公司一直致力于各類特種焊接材料的研究開發(fā)以及市場應用。該公司與國內某知名核設備制造企業(yè)合作，自主開展了SA-508Gr.3Cl.2鋼主焊縫用配套埋弧焊焊材的研制相關工作，并研制出了其配套焊接材料。試驗結果表明，研制的埋弧焊焊接材料，具有良好的焊接工藝性能，電弧穩(wěn)定性好，焊道成形美觀，脫渣容易，且各項力學性能均滿足核一級產品要求。并且該套焊材已經成功應用到了核一級產品蒸汽發(fā)生器上，產品服役狀況良好。此套焊材的成功研制，打破了國外同類產品長期壟斷的局面，實現(xiàn)了核一級設備用SA-508Gr.3Cl.2鋼主焊縫焊接材料的國產化，并且解決了國內相關產品制造企業(yè)的燃眉之急。

1 技術要求與試驗方法

1.1 技術要求

SA-508Gr.3Cl.2鋼配套焊接材料，要求對焊絲及熔敷金屬的S，P等有害元素含量進行了嚴格控制，其化學成分要求見表1。且有研究表明[10]，A508-3鋼在熱處理608 ℃×24 h時，熔敷金屬具有良好的綜合力學性能。熔敷金屬力學性能要求見表2。落錘試驗要求：TNDT≤-10 ℃，結果不斷裂。彎曲試驗：取2個側彎試樣，彎曲直徑：D=4T，彎曲角度：180°，彎曲后拉伸面上不允許出現(xiàn)任何明顯的開裂，單個裂紋、表面氣孔和夾渣的長度均不應大于3 mm。熔敷金屬擴散氫含量不大于4 mL/100 g(水銀法)。

表1 焊絲和熔敷金屬化學成分(質量分數(shù)，%)

表2 熔敷金屬力學性能要求(熱處理608 ℃×24 h)

1.2 試驗方法

焊接試驗方法，采用埋弧自動焊多層多道進行，焊接設備為交直流兩用電焊機(Miller Summit Arc 1250)。母材為SA-508Gr.3Cl.2鋼板，試板尺寸為600 mm×300 mm×30 mm。對接坡口形式如圖1所示，焊接工藝參數(shù)見表3。

圖1 對接坡口形式

表3 焊接工藝參數(shù)

按照GB/T 223《鋼鐵及合金化學分析方法》進行化學分析。室溫拉伸試驗按GB/T 2652—2018《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》進行，高溫拉伸試驗按GB/T 228.2—2015《金屬材料拉神試驗第2部分：高溫拉伸試驗》進行，試樣尺寸為φ10 mm。沖擊試驗按GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》進行。彎曲試驗按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》進行。落錘試驗按NB/T 20004—2014《核電廠核島機械設備材料理化檢驗方法》進行，試樣采用P-3型進行試驗。熔敷金屬擴散氫含量測定按GB/T 3965—2012《熔敷金屬擴散氫測定方法》的規(guī)定進行。

2 焊接材料的研制

2.1 焊劑的研制

由于是核一級設備用焊材，因此需嚴格控制焊縫金屬中硫、磷等有害元素的含量。因此，在焊劑研制的過程中，必須選用純凈度較高的原料；在焊劑生產的過程中，必須嚴格控制生產工序，盡量減少進入有害元素。與此同時焊劑需要具有優(yōu)良的脫渣性，焊縫攤開性和良好的成形。焊劑在冶金反應時，形成氧化性弱的堿性渣或中性渣，以減少合金元素的燒損，并保證焊縫金屬具有較高的塑性和韌性。

焊劑的渣系一般有硅鈣型、硅錳型、鋁鈦型、高鋁型和氟堿型等。其中，硅鈣型、硅錳型和鋁鈦型渣系焊劑中含有大量的酸性氧化物，故被稱之為酸性焊劑，其特點是：工藝性能較好，但熔敷金屬的低溫韌性比較差；高鋁型渣系焊劑又被稱之為中性焊劑，其提高焊縫金屬低溫沖擊韌性的潛力也不大；而氟堿型渣系焊劑由于其含有大量的堿性氧化物，故被稱之為堿性焊劑，其特點是：焊劑具有較高的堿度，其堿性氧化物可以與熔敷金屬中的雜質元素產生反應，從而減少雜質元素的含量，提高其低溫沖擊韌性。與此同時還能降低焊縫金屬中的擴散氫含量，從而降低焊縫出現(xiàn)冷裂紋的傾向。因此，選擇CaF2-CaO-MgO-MnO-SiO2氟堿型渣系作為所研制焊劑的渣系。

渣系確定之后，就是對焊劑組分的優(yōu)化及調整了。首先將焊劑的組分在一個比較大的范圍內進行調整，找出各個組分之間的相互影響規(guī)律，確定焊劑小樣的組分范圍。之后對現(xiàn)有的焊劑小樣進行對比優(yōu)化，最終選出一個優(yōu)化后的焊劑組分。最后通過選擇高純凈度原材料按焊劑配方進行高溫燒結生產，研制出了高純凈度高堿度低氫型燒結焊劑。將其牌號定為SJ16HR，其堿度約為2.4，為圓形顆粒狀，粒度為0.28～2.0 mm。其組分范圍見表4。

表4 SJ16HR焊劑組分范圍(質量分數(shù)，%)

2.2 焊絲的研制

核電站核島承壓設備一般由Mn-Mo-Ni系低合金鋼鍛件或鋼板焊接而成。它工作在高溫、高壓環(huán)境中，而且其工作年限較長。設計容器主焊縫埋弧焊焊絲成分時要考慮主焊縫的無塑性轉變溫度、輻照敏感性、低周疲勞性能以及斷裂韌性等。此外對研制的焊絲主要要求如下：①焊絲的雜質元素嚴格控制，即焊絲的純凈度要求非常高；②熔敷金屬的強韌性匹配良好。

為了能夠實現(xiàn)以上要求，使得熔敷金屬能夠具有高純度，且同時具有高強度和高韌性的組織性能。提出試驗焊絲的研制思路如下①使用真空冶煉爐進行焊絲冶煉，使得焊絲中的硫磷等雜質元素盡量減少，且由于避免了與空氣直接接觸，減少了焊絲中的氧氮元素含量，為獲取高純凈度的熔敷金屬提供必要保障；②考慮通過添加一定量的微合金元素來細化晶粒，以此來改善熔敷金屬組織，以達到同時提高強度和韌性的目的。

經過大量的試驗，進行了化學成分優(yōu)化設計、冶煉試制、熔敷金屬力學性能試驗驗證，最終確定并冶煉了高純埋弧焊焊絲成品。將其牌號定為H09MnNiMoHR，主要成分見表5。

表5 H09MnNiMoHR焊絲化學成分(質量分數(shù)，%)

3 試驗結果及分析

3.1 焊絲、焊劑及熔敷金屬成分及焊接工藝性

焊絲H09MnNiMoHR，規(guī)格φ4.0 mm，其化學成分見表5。焊劑SJ16HR，其 S含量為0.018%，P含量為0.020%。熔敷金屬的化學成分見表6。

表6 焊絲/焊劑熔敷金屬化學成分(質量分數(shù)，%)

圖2為H09MnNiMoHR/SJ16HR焊接試驗時的焊接工藝性現(xiàn)場照片。焊接工藝性能良好，在焊接過程中電弧穩(wěn)定性好，焊道成形美觀，脫渣容易，焊縫表面無粘渣、氣孔、壓坑等缺陷。

圖2 焊接工藝性照片

3.2 熔敷金屬力學性能

H09MnNiMoHR/SJ16HR進行熱處理608 ℃×24 h后的熔敷金屬力學性能檢驗結果見表7。其他試驗：側彎結果合格，表面無開裂，結果如圖3所示；落錘試驗滿足TNDT≤-10 ℃，-10 ℃落錘試驗試樣未斷裂，如圖4所示。結果表明，熔敷金屬的常溫拉伸和350 ℃拉伸性能、熔敷金屬沖擊韌性、側向膨脹量及落錘試驗均滿足項目技術要求，并且富有充足的余量。

表7 H09MnNiMoHR/SJ16HR熔敷金屬力學性能(熱處理608 ℃×24 h)

圖3 側彎試樣試驗結果

圖4 落錘試樣試驗結果

3.3 熔敷金屬擴散氫

熔敷金屬擴散氫含量測定按GB/T 3965—2012《熔敷金屬擴散氫測定方法》的規(guī)定進行，其結果見表8。結果表明，熔敷金屬擴散氫含量平均為3.0 mL/100 g(水銀法)，滿足標準要求。

表8 熔敷金屬擴散氫含量 mL·100 g-1

3.4 金相顯微組織

熔敷金屬顯微組織如圖5所示。熔敷金屬未見微觀裂紋和其他微觀缺陷，焊縫金相組織為少量先共析鐵素體+針狀鐵素體+回火貝氏體，未見淬硬組織。

圖5 熔敷金屬金相顯微組織

綜上所述，研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR，按照技術要求完成了產品化學成分、產品力學性能(常溫拉伸、高溫拉伸、沖擊、彎曲、落錘)、熔敷金屬擴散氫及金相顯微組織檢驗等試驗，所有試驗結果均滿足核一級設備的技術指標，并且富有充足的余量。

4 應用情況

新研制的埋弧焊焊接材料H09MnNiMoHR/ SJ16HR已經通過了該核一級設備焊材研制評審會，并且在國內某企業(yè)進行了第三方性能評估試驗，結果均滿足要求。目前該產品已被應用到國內某企業(yè)生產的核電一級設備蒸汽發(fā)生器上，產品穩(wěn)定且服役狀況良好，得到了用戶的好評。

5 結論

(1)研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR焊接工藝性能良好，在焊接過程中電弧穩(wěn)定性好，焊道成形美觀，脫渣容易，焊縫表面無粘渣、氣孔、壓坑等缺陷。

(2)研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR具有優(yōu)良的力學性能，滿足SA-508Gr.3Cl.2鋼核一級設備焊材采購要求，并且富有充足的余量。

(3)研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR已在國內SA-508Gr.3Cl.2鋼核一級設備的生產制造上進行了成功應用。