核電站控氮不銹鋼Z2CN19-10焊接技術

陳 磊，陳龍鶴，郭偉杰

（上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海 200090）

1 概 述

核電設備的工況復雜，長期處于高溫高壓、中子輻照、流體沖刷等惡劣的環境中，故對其構成材料性能提出了較高而又全面的要求。控氮不銹鋼Z2CN19-10是隨著核電發展而新研制的鋼種，其研發的驅動力是為解決304不銹鋼在沸水核反應堆運行中出現晶間應力腐蝕破裂事故，此外，也能為壓水核反應堆提供更好的材料，提高反應堆安全運行的可靠性。控氮不銹鋼Z2CN19-10屬于超低碳奧氏體不銹鋼，并含有一定量的氮元素，其特點是含碳量非常低，從而具有優良的抗晶間腐蝕能力，但較低的碳含量也制約著材料的強度，而在其中添加一定量的氮元素，通過氮元素的固溶強化作用，可以提高超低碳奧氏體不銹鋼的強度［1］。因此，控氮不銹鋼Z2CN19-10不僅具有超低碳奧氏體不銹鋼優良的抗晶間腐蝕能力，同時還具有較高的強度，被廣泛應用于核電站堆內構件、主管道、安注箱等重要設備中。

我公司承接制造的EPR安注箱和反應堆冷卻劑疏水箱均為核電設備，該類設備主體材料采用了控氮不銹鋼Z2CN19-10，其焊接工藝和焊接質量是保證設備整體質量的關鍵因素，因此，研究該類材料的焊接技術，并為設備制造提供技術支持具有重要意義。

2 控氮不銹鋼的焊接特點

控氮不銹鋼Z2CN19-10屬于奧氏體不銹鋼，具有奧氏體不銹鋼的焊接特點。奧氏體不銹鋼無固態相變，在高溫和室溫下均為奧氏體組織，無淬硬傾向，對氫也不敏感，焊接接頭具有良好的綜合力學性能，與其他類型不銹鋼相比具有良好的焊接性，但當焊接工藝參數的選用不合理時，會產生熱裂紋、晶間腐蝕、σ相脆化等缺陷［2，3］。

2.1 熱裂紋

由于奧氏體焊縫本身的特點，即組織為方向性很強的柱狀晶，有利于有害雜質的偏析，當焊縫中有害雜質含量較高時，就易在奧氏體柱狀晶之間形成低熔點共晶。此外，奧氏體不銹鋼具有低熱導率，僅為碳鋼的1／3，而線膨脹系數比碳鋼高約50%。低熱導率、高線膨脹系數的特點，決定了奧氏體不銹鋼焊縫在凝固過程中會產生較大的收縮拉應力。因此，在較大的收縮拉應力和低熔點共晶的共同作用下，被低熔點共晶分割的晶界就會被拉開而形成焊接熱裂紋。

2.2 晶間腐蝕

奧氏體不銹鋼在450～850℃的敏化溫度區間停留一定時間后，過飽和的碳向奧氏體晶界擴散，并與晶界的鉻化合形成碳化鉻（Cr23C6）。由于鉻在奧氏體中擴散速度小于碳的擴散速度，使晶界的鉻得不到及時補充，造成奧氏體晶界貧鉻。當晶界的含Cr量低于12%時，就失去了抗腐蝕能力，在腐蝕介質作用下，即產生晶間腐蝕。在應力作用下，受到晶間腐蝕的不銹鋼，即會沿晶界斷裂，幾乎完全喪失強度。

2.3 σ相脆化

如果奧氏體不銹鋼焊縫在650～850℃溫度區間停留時間過長，有可能析出一種脆硬的金屬間化合物σ相，主要存在于柱狀晶的晶界。當焊縫中δ鐵素體含量超過12%時，δ向σ的轉變非常顯著，造成焊縫金屬的明顯脆化，從而降低焊縫的塑性、韌性和抗晶間腐蝕性能。

2.4 防止熱裂紋、晶間腐蝕和σ相脆化的措施

（1）選用優質的母材和焊材，嚴格控制易形成低熔點共晶的S、P等雜質含量，從而降低熱裂紋傾向。

（2）δ鐵素體對S、P等元素溶解度較大，能防止這些元素的偏析和形成低熔點共晶，從而阻止熱裂紋產生。另外δ鐵素體可以有效切斷奧氏體的柱狀晶，細化晶粒，隔斷奧氏體晶界連續網狀碳化鉻（Cr23C6）析出，從而防止晶間腐蝕。因此選用含適量δ鐵素體促進元素（Cr、Mo、Si等）的焊材，使焊縫產生奧氏體＋δ鐵素體雙相組織，δ鐵素體含量占4%～12%，能有效防止熱裂紋和晶間腐蝕傾向。

（3）選用低含碳量的焊材，降低焊縫中碳與鉻形成碳化鉻（Cr23C6）的機率，從而降低晶間腐蝕傾向。

（4）采用小焊接熱輸入，小電流，快速焊，加快焊接區的冷卻速度，縮短焊接接頭在高溫區停留的時間，避免在450～850℃區間長時間停留及此區間溫度的焊后熱處理，可以有效降低晶間腐蝕和σ相脆化傾向。

3 焊接工藝試驗

3.1 試驗母材

試驗母材為控氮不銹鋼Z2CN19-10，為了對焊條電弧焊和埋弧焊的焊接工藝進行較全面的試驗研究，共準備20mm和50mm兩種厚度的母材，將焊接20mm焊條電弧焊試板、20mm埋弧焊試板、50 mm焊條電弧焊試板、50mm埋弧焊試板，共4副試板。

表1 母材化學成分 （%）

母材的化學成分和力學性能分別見表1和表2，表1和表2中分別列出按標準RCC－M要求的標準值和母材的實際值。對比標準值可知，母材的各化學元素含量均滿足標準要求，兩種厚度母材的力學性能均明顯高于標準值。

表2 母材力學性能

3.2 焊接材料

在選擇控氮不銹鋼的焊接材料時，既要保證焊縫金屬的力學性能不低于母材力學性能的標準值，還要保證焊縫金屬具有良好的抗晶間腐蝕能力。根據這一原則以及RCC－M S2000相關標準，焊條電弧焊選用E308L－16作為焊接材料，埋弧焊選用HR308L焊絲配SJ601H焊劑作為焊接材料。

3.3 焊接工藝

在控氮不銹鋼焊接時，為了防止晶間腐蝕、熱裂紋等焊接缺陷的產生，工藝上，采用低線能量，即小電流、快速焊，并嚴格控制道間溫度。操作上，采用窄焊道、多焊道，并在焊接過程中嚴格進行層間清理。焊接采用雙面焊，20mm試板坡口加工成V型，50mm試板坡口加工成X型，各試板坡口尺寸及焊接順序，見圖1所示，焊前對待焊坡口進行滲透檢驗，焊完第1、2層后，對試板進行清根并進行滲透檢驗，檢驗后繼續焊完第3層，焊后對焊縫進行滲透檢驗和射線檢驗。

圖1 試板坡口尺寸及焊接順序

焊條電弧焊和埋弧焊的工藝參數見表3所示。

表3 焊接工藝參數

4 試驗結果

4.1 無損檢測

焊接完畢后，對4副試板進行外觀檢查，焊縫表面成形良好，無任何缺陷。分別按RCC－M S7714.1和RCC－M S7714.3對焊縫進行滲透檢驗和射線檢驗，檢驗結果均合格。

4.2 破壞性試驗

無損檢驗合格后，分別對4副試板進行熔敷金屬化學成分分析，見表4所示。成分中的C、S、P含量均較低，符合優質焊材的要求。同表1中母材的化學含量成分比較，4副試板的熔敷金屬化學成分基本與母材化學成分一致。

表4 熔敷金屬化學成分 （%）

再對4副試板焊縫組織進行金相分析，均為奧氏體＋δ鐵素體雙相組織。奧氏體不銹鋼焊縫中含有一定量δ鐵素體，可有效防止晶間腐蝕、熱裂紋等缺陷，RCC－M標準中要求奧氏體不銹鋼焊縫中δ鐵素體含量為5%～15%。通過計算并結合DELONG圖得出各試板焊縫中δ鐵素體含量，具體數據見表5所示，可以看出各個試板焊縫中δ鐵素體含量均滿足標準要求。

表5 δ鐵素體含量

根據RCC－M附錄SI600晶間腐蝕試驗要求，對4副試板焊縫進行晶間腐蝕試驗，結果表明，4副試板焊縫均無晶間腐蝕，具有良好的抗晶間腐蝕能力。

根據RCC－M標準列出了力學性能考核項目及合格要求，見表6所示。將考核接頭拉伸、彎曲、沖擊性能，焊縫金屬常溫和高溫拉伸性能，以及熱影響區沖擊性能，其中50mm試板要求從焊縫表面和根部分別取樣進行沖擊試驗。

按照表6要求，對4副試板分別進行力學性能試驗，具體數據見表7～表10。從表7～表10中可見，控氮不銹鋼Z2CN19－10采用焊條電弧焊和埋弧焊，焊接接頭均具有良好的綜合力學性能，與表6中RCC－M要求的標準值比較，4副試板的力學性能均遠遠高于標準值，完全滿足母材的力學性能要求。

表6 力學性能考核項目及合格要求

表7 20mm焊條電弧焊試板力學性能

表8 20mm埋弧焊試板力學性能

表9 50mm焊條電弧焊試板力學性能

表10 50mm埋弧焊試板力學性能

5 結 語

通過對控氮不銹鋼Z2CN19－10焊接特點的分析，并進行了焊接試驗，采用合理的焊接材料、坡口型式和焊接工藝參數，焊縫的成形良好，焊接接頭具有良好的綜合力學性能和抗晶間腐蝕能力，完全符合母材的性能要求。控氮不銹鋼Z2CN19－10焊條電弧焊和埋弧焊工藝的試驗成功，為相關核電產品的焊接制造提供了可借鑒的經驗。

［1］文燕，等.國產304NG控氮不銹鋼應用性能研究［J］.核動力工程，2007，5.

［2］陳煒.奧氏體不銹鋼焊接的缺陷分析及解決辦法［J］.山西焦煤科技，2003，6.

［3］徐文曉，徐文慧.奧氏體不銹鋼容器的焊接［J］.焊接技術，2006，10.