范海平* 涂 強(qiáng)

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司）

0 引言

蒸汽發(fā)生器是核電站核島的關(guān)鍵設(shè)備，也是核電站第二道放射性防護(hù)屏障的重要組成部分。蒸汽發(fā)生器的水室封頭屬于核電站一回路承壓邊界，其內(nèi)表面直接和高溫、高壓、高放射性的冷卻劑接觸，因此需要具備較高的強(qiáng)度和耐腐蝕性。蒸汽發(fā)生器水室封頭采用低合金鋼SA-508M Gr.3 Cl.2 材料，并在其內(nèi)壁堆焊不銹鋼，這樣既可以滿足強(qiáng)度的要求，又大大提高了其耐腐蝕性能，并使設(shè)計(jì)壽命達(dá)到了要求。

考慮到低合金鋼母材熔化后進(jìn)入熔敷金屬，對(duì)不銹鋼合金元素有一定的稀釋作用，蒸汽發(fā)生器水室封頭內(nèi)壁采用組合堆焊，第一層堆焊合金元素含量相對(duì)較高的309L 不銹鋼。后續(xù)層堆焊合金元素含量相對(duì)較低的308L 不銹鋼，為了滿足堆焊厚度設(shè)計(jì)要求，及抗腐蝕性能要求，一般需要堆焊2～3 層308L 不銹鋼。為了提高效率，蒸汽發(fā)生器制造廠水室封頭內(nèi)壁大面積堆焊大都采用埋弧焊（SAW）工藝，由于拐角處和接管的圓弧段形狀不規(guī)則，不方便采用自動(dòng)焊，則采用手工電弧焊（SMAW）進(jìn)行堆焊。

國(guó)內(nèi)某蒸汽發(fā)生器制造廠采用埋弧焊堆焊完第一層EQ309L 后，在堆焊第二層EQ308L 堆焊層的第11 道焊縫時(shí)，由于焊機(jī)反饋信號(hào)出現(xiàn)故障，電流突然增大為1 250～1 350 A，焊接工藝評(píng)定（PQR）和焊接工藝規(guī)程(WPS)的電流范圍是700～800 A，電焊機(jī)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)PQR 和WPS 要求的范圍，導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器水室封頭內(nèi)壁堆焊層的強(qiáng)度和耐腐蝕性能變得不可靠。為了確定電流突然增大對(duì)堆焊層和母材的影響，即確定EQ308L 堆焊層是否熔敷到母材和母材熱影響區(qū)中過(guò)熱粗晶區(qū)，該制造廠對(duì)堆焊過(guò)程進(jìn)行了模擬，即選取合適尺寸的SA-508M Gr.3 Cl.2 低合金鋼母材，嚴(yán)格按照PQR 和WPS 中的參數(shù)進(jìn)行EQ309L 和EQ308L 堆焊，但在EQ308L 堆焊層的第11 道，采用1 250～1 350 A 的焊接電流堆焊。然后在電流增大的位置取樣，進(jìn)行硬度檢測(cè)和金相試驗(yàn)，研究電流增大對(duì)蒸汽發(fā)生器水室封頭堆焊層的影響，確定了過(guò)熱粗晶區(qū)的范圍及EQ309L 堆焊層的厚度。

1 焊接電流增大對(duì)焊縫外觀的影響

蒸汽發(fā)生器水室封頭內(nèi)壁電流增大后形成的堆焊層如圖1 所示，該成形不良焊縫搭接側(cè)邊緣距離90°～270°軸線約90 mm,其余均焊縫正常。從圖1可以看出，成形不良焊縫與正常焊縫相比較寬；通過(guò)對(duì)焊縫高度進(jìn)行測(cè)量后可知，成形不良的焊縫焊高要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常焊縫，約為正常焊縫高度的兩倍；且由于焊接電流增大，焊縫之間的搭接量也更大。

圖1 成形不良焊縫與正常焊縫的外觀

成形不良焊縫與正常焊縫的寬度、焊高與搭接量對(duì)比情況可見(jiàn)表1。

表1 成形不良的焊縫與正常焊縫的焊縫寬度、焊高與搭接量對(duì)比

2 熱影響區(qū)的過(guò)熱粗晶區(qū)深度

對(duì)蒸汽發(fā)生器水室封頭進(jìn)行不銹鋼埋弧堆焊時(shí)，在焊接熱輸入的作用下，低合金鋼母材會(huì)形成熱影響區(qū)，熱影響區(qū)的過(guò)熱粗晶區(qū)奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，冷卻后得到晶粒粗大的過(guò)熱組織，塑性和韌度明顯下降，影響整個(gè)水室封頭的強(qiáng)度和耐腐蝕性能。為了確定電流增大后焊縫的過(guò)熱粗晶區(qū)的深度，從而確定后續(xù)返修時(shí)的打磨去除低合金鋼母材的深度，該蒸汽發(fā)生器制造廠在模擬件上取樣后進(jìn)行了HV10 硬度檢測(cè)。

HV10 硬度檢測(cè)分別在焊縫、熱影響區(qū)和母材進(jìn)行。在模擬件厚度方向，共選取6 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，在EQ309L 與母材的熔合線取第一個(gè)點(diǎn)，熔合線以下的熱影響區(qū)取兩個(gè)點(diǎn)，熔合線以上的焊縫取三個(gè)點(diǎn)，母材取三個(gè)點(diǎn)，且這些點(diǎn)在模擬件厚度方向均勻分布，相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間的距離為1 mm。在模擬件水平方向，三條硬度測(cè)量線間距為30 mm，且第2 條線位于兩個(gè)焊道搭接區(qū)。HV10 硬度檢測(cè)的結(jié)果可見(jiàn)表2。從表2 中的硬度數(shù)據(jù)可以看出，焊縫的HV 硬度最低，其次是母材，熱影響區(qū)的HV 硬度比母材和焊縫都高。熱影響區(qū)第一個(gè)點(diǎn)在EQ309L 與母材的熔合線處，其余兩個(gè)硬度測(cè)量點(diǎn)分別距離該熔合線往下1 mm 和2 mm。從表2 還可以看出，熔合線處硬度最高，離熔合線位置越遠(yuǎn)，硬度值越低。熔合線到熔合線以下2 mm 區(qū)域內(nèi)硬度值相對(duì)較高。因此，在后續(xù)的返修過(guò)程中，打磨去除成形不良焊縫的深度為熔合線以下2 mm。

表2 模擬成形不良的焊縫HV10硬度試驗(yàn)結(jié)果

3 宏觀和微觀金相試驗(yàn)

由于EQ308L 與EQ309L 材料的化學(xué)成分不同，EQ309L 作為過(guò)渡層，其合金元素含量較高，這是由于母材進(jìn)入熔敷金屬，對(duì)EQ309L 堆焊層有一定的稀釋作用，一般EQ308L 堆焊層不能直接與母材接觸。為了確保EQ308L 堆焊層未熔敷至母材，需要確定成形不良的焊縫中EQ309L 堆焊層的厚度，從模擬件中取樣制作了宏觀和微觀金相試樣。圖2 所示為模擬件的宏觀金相照片，采用10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）草酸水溶液及4%硝酸酒精溶液腐蝕，并放大6.5 倍。從圖2 可以清晰地看到母材和EQ309L 的熔合線及EQ309L 與EQ308L 的熔合線。通過(guò)測(cè)量，EQ309L 熔敷金屬剩余堆焊層厚度（即EQ309L 與母材SA-508 Gr.3 Cl.2 低合金鋼熔合線和EQ309L 與EQ308L 的熔合線的最小距離）為1.2 mm, EQ308L 未熔敷至母材。

圖2 模擬件的宏觀金相照片

微觀金相試樣采用4%的硝酸酒精溶液浸蝕，放大200 倍觀察，分別選取了熔合線附近，距離熔合線1、2、3 mm，共4 個(gè)視場(chǎng)觀察（如圖3 ～圖6 所示）。EQ309L 與母材SA-508 Gr.3 Cl.2 低合金鋼熔合線在圖3 中清晰可見(jiàn)。圖3、圖4 和圖5 中均可以發(fā)現(xiàn)相對(duì)較為粗大的晶粒，而圖6 中的晶粒則相對(duì)較細(xì)小，這說(shuō)明粗晶區(qū)出現(xiàn)在熔合線以下2 mm 左右，這與硬度試驗(yàn)得到的結(jié)論吻合，晶粒較為粗大的組織，其硬度也較高。

圖3 熔合線附近微觀金相照片

圖4 距離熔合線1 mm處微觀金相照片

圖5 距離熔合線2 mm處微觀金相照片

圖6 距離熔合線3 mm處微觀金相照片

4 結(jié)論

對(duì)蒸汽發(fā)生器水室封頭堆焊層EQ309L 和EQ308L 堆焊層的焊接電流增大過(guò)程進(jìn)行了模擬，在模擬件上取樣進(jìn)行硬度測(cè)試、宏觀金相和微觀金相試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）EQ309L 與母材SA-508 Gr.3 Cl.2 低合金鋼熔合線到熔合線以下2 mm 左右的區(qū)域硬度值較高，熔合線處的硬度值最高；

（2）EQ309L 熔敷金屬剩余堆焊層最小厚度（即EQ309L 與母材SA-508 Gr.3 Cl.2 低合金鋼熔合線和EQ309L 與EQ308L 的熔合線的最小距離）為1.2 mm,EQ308L 未熔敷至母材；

（3）微觀金相試驗(yàn)結(jié)果表明EQ309L 與母材SA-508 Gr.3 Cl.2 低合金鋼熔合線以下2 mm 左右的區(qū)域晶粒較為粗大，而距離熔合線3 mm 左右晶粒則相對(duì)較細(xì)，這說(shuō)明過(guò)熱粗晶區(qū)在熔合線以下2 mm 左右。

（4）在對(duì)蒸汽發(fā)生器水室封頭堆焊電流增大區(qū)域進(jìn)行返修時(shí)，母材去除深度應(yīng)為EQ309L 與母材SA-508 Gr.3 Cl.2 低合金鋼熔合線以下2 mm 左右。