S32101雙相不銹鋼的焊接特性及在AP1000核電站中的應用

李慶光 ，馮江猛 ，袁明德，鄭東宏

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南市 250013；2.國核工程有限公司，上海市 200233）

0 引言

不銹鋼的種類主要有奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、雙相不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼等［1］。雙相不銹鋼由于其具有鐵素體和奧氏體雙相組織，性能介于鐵素體和奧氏體不銹鋼之間，并且抗晶間腐蝕能力遠高于其他不銹鋼，因此目前在化工、制藥、造紙、海水泵、化肥、環保等行業應用于抗腐蝕要求較高的項目。近年來我國大力發展核電工業，在核電站設備工作環境差、抗腐蝕要求高、投產后設備不可更換等特殊要求的促使下，雙相不銹鋼在核電站建設中獲得了應用。本文主要介紹UNS S32101雙相不銹鋼的焊接特性，提出S32101雙相不銹鋼的焊接工藝。

1 工程特點

浙江三門和山東海陽核電站均為AP1000核電站，同期開工建設4臺1 000MW 機組，由美國西屋電器公司設計。AP1000核電站采用模塊化建造施工技術，其中大型結構模塊的施工是建造過程中最為重要的一個環節，施工程序是廠房預制、現場組裝、水平運輸、整體吊裝。這些模塊具有體積大、質量大、形體不規則等特點，圖1所示為CA01結構模塊，質量達860t。

圖1 CA01結構模塊Fig.1 CA01structure module

結構模塊在AP1000 核電站中主要有2個作用，一是構成建筑結構墻體，模塊鋼板代替建筑中的豎向鋼筋和橫向鋼筋，通過內部槽鋼和角鋼連接，同墻體剪力釘和混凝土一起構成建筑結構的墻體，同時在施工中鋼板具有建筑模板的功能；二是在構成建筑墻體的同時，圍成部分空間結構，形成結構容器，可作為換料水池、換料通道、反應堆腔室、乏燃料水池等。

結構容器是環境惡劣的區域，由于這些區域需要儲存大量腐蝕性強的溶液（如硼酸水等），因此對這些區域鋼材的抗腐蝕要求相當高。又因這些區域的鋼板材料在核電站運行的全壽命周期內不能夠更換（AP1000核電站設計使用壽命為60年），所以西屋公司在這些區域的制作中使用了厚度為12.7mm、材質為S32101的雙相不銹鋼材。為了做到萬無一失，防止鋼板腐蝕開裂或焊接缺陷等造成放射性物質外泄，在所有容器區域鋼板焊縫背面都設計有泄漏槽和泄漏管道，用于回收泄漏的放射性物質，如圖2所示。

圖2 焊縫及泄漏槽結構Fig.2 Structure of welding and leakage groove

2 雙相不銹鋼簡介

所謂雙相不銹鋼是指金相組織由鐵素體和奧氏體兩相組成的不銹鋼，它在固溶組織中鐵素體相和奧氏體相約各占50%，一般情況下較少相的含量也要在30%以上［2］，這類不銹鋼稱之為鐵素體－奧氏體雙相不銹鋼。雙相不銹鋼將奧氏體不銹鋼所具有的良好耐蝕性、塑韌性、焊接性與鐵素體不銹鋼所具有的較高強度和耐氯化物應力腐蝕性能結合在一起，使之兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優點，其綜合力學性能好，不但有較高的屈服強度和疲勞強度，同時具有良好的韌性。表1、2是幾種國外常用奧氏體不銹鋼（S30403、S31603）與雙相不銹鋼（S32101、S32205）化學成分及力學性能對照表［3］。雙相不銹鋼的屈服強度可達450～550 MPa，比普通型奧氏體不銹鋼的屈服強度大2倍以上，因此可以在設備制造中節約大量材料，降低制造成本。

雙相不銹鋼發明于20世紀20年代，因當時的冶金技術達不到要求，所以直到20世紀70年代左右，隨著冶金技術的不斷提高以及N 元素對不銹鋼影響的顯現，雙相不銹鋼在國外各個行業才逐漸開始應用［1－2］。表1中所列S32101、S32205等多種不銹鋼早已列入ASME標準。因為雙相不銹鋼與其他不銹鋼相比具有強耐腐蝕特性及優良的綜合力學性能，所以我國也于20世紀70年代開始逐漸對其進行研究，因起步較晚，在各個行業中應用雙相不銹鋼相對較少。目前我國已大量使用雙相不銹鋼并開發出自己的雙相不銹鋼，如00Cr23Ni4N、00Cr18Ni5Mo3Si2、00Cr18Ni5Mo3Si2Nb鋼等。

表1 4種鋼材化學成份對照Tab.1 Chemical composition comparison between four kinds of steel %

表2 4種鋼材綜合力學性能對比Tab.2 Comprehensive mechanical properties comparison

3 S32101的焊接特性

S32101 不銹鋼被美國試驗與材料協會（American society for testing materials，ASTM）列入A240材料標準中。由于S32101鋼與其他雙相不銹鋼相比在滿足抗晶間腐蝕、抗應力腐蝕、抗點蝕能力方面具有更好的綜合力學性能，因而被美國西屋公司選為AP1000核電站換料水池、換料通道、乏燃料水池等重要結構的材料。

S32101鋼屬于N 元素硬化雙相不銹鋼，N 的加入增加了金屬的抗腐蝕能力（尤其在焊接條件下）。較早的雙相不銹鋼也具有較好的抗腐蝕和抗氯化物應力腐蝕開裂能力，但是在焊接條件下焊縫的抗腐蝕能力和抗氯化物應力腐蝕開裂能力變差，隨著人們對N 元素認識的提高，N 元素的加入既提高了雙相不銹鋼本身的抗晶間腐蝕能力也改善了焊縫的抗晶間腐蝕能力［3－6］。早期的雙相不銹鋼因含碳量較高使焊接性不好，隨著冶金技術的發展現在可以很好地控制碳的含量，可以生產含碳量≤0.03%的超低碳不銹鋼。S32101雙相不銹鋼含碳量≤0.04%，接近于超低碳不銹鋼（僅相差0.01%）［7－8］。S32101鋼焊接性處于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間，導熱系數大、線膨脹系數小，熱裂傾向和焊接變形小，因含有約50%的奧氏體組織，減小了冷裂紋傾向，且N 元素的加入改善了焊縫處的力學性能和促進形成雙相組織，保證焊縫鐵素體和奧氏體基本達到50%的雙相平衡［9－10］。

4 S32101的焊接工藝

一般不銹鋼焊接時主要應控制好焊接線能量和層間溫度，對于預熱并無要求，而雙相不銹鋼焊接時應使母材溫度不低于10 ℃。因為，在焊接不銹鋼時一般都采用小焊接線能量、快速焊接的方法，這時焊縫冷卻過快在焊縫區會生成過多的鐵素體組織和氮化物；如果采用大焊接線能量，焊縫冷卻速度過慢在焊縫區會析出生成過多金屬間相，這2種情況都會影響雙相不銹鋼的抗腐蝕性能和焊縫的韌性，所以在焊接S32101雙相不銹鋼時規定預熱溫度不低于10℃、最大層間溫度不得超過150 ℃［5］。

4.1 焊接工藝評定要求

雙相不銹鋼在焊接之前必須進行焊接工藝評定，焊接工藝評定合格后方可編制焊接工藝規程。在焊接工藝評定時必須采用坡口焊縫并切取相應試件，并滿足AWS D1.6標準（美國焊接協會發布的不銹鋼結構焊接標準，目前我國還沒有針對雙相不銹鋼焊接的相應規范和標準，此標準是AP1000核電站建設執行的標準之一）的要求。焊接工藝評定時必須使用厚度不小于13 mm 的母材，以便于做抗腐蝕試驗和韌性試驗。焊接時要記錄電流、電壓、焊接速度，最大熱輸入要記錄在焊接工藝評定報告中。焊接熱輸入［5］的計算公式為

（5）在智能電網的繼電保護系統當中，其中的自適應控制技術主要就是根據電力系統的電力故障狀態和運行方式的變化來對定值、性能以及保護特性進行相應的改變的技術。自適應繼電保護是一種比較新型的繼電保護技術，它能夠讓繼電保護技術對于電力系統的多種變化，在很短的時間內就能夠完全適應，不僅讓智能電網繼電保護的可靠性得到了加強，讓系統的保護作用得到了明顯的改善，讓能夠顯著讓經濟效益得到提高。

式中：W 為熱輸入，J／mm；I 為焊接電流，A；U 為電壓，V；V 為焊接速度，mm／min。

焊接工藝評定時除了要做拉伸、彎曲試驗外，還要采用磁性法測試熱影響區、根部焊道和表面焊道的鐵素體含量，鐵素體的含量應控制在35%～65%。焊縫的韌性試驗要采用夏比V 型缺口試件，測試焊縫金屬和熱影響區的沖擊韌性，測試要在－40 ℃時進行，最小沖擊值不小于27 J［5］。

4.2 焊接材料的選擇

S32101雙相不銹鋼焊接的焊材很多，但是所有的焊材都必須滿足AWSA5.4SMAW、A5.9GTAW、ASW、GMAW、A5.22FCAW技術規格書的要求，同時熔敷金屬的化學成份、鐵素體含量、抗拉強度、抗腐蝕性能等必須與母材相當。在AP1000核電站現場，S32101 鋼焊接用的AWS A5.4 E2209－16焊材就是一種很好的焊材［5］。

4.3 焊接方法的選擇

雙相不銹鋼的焊接可以采用多種焊接方法，如手工電弧焊（shielded metal arc welding，SMAW）、鎢極氣體保護焊（gas tungsten arc welding，GTAW）、埋弧焊（submerged arc welding，SAW）、熔化極氣體保護焊（gas metal arc welding，GMAW）、藥芯焊絲電弧焊（flux cored arc welding，FCAW）等，但是為了獲得優良的焊接接頭，在焊接時所用的焊接方法必須滿足一定的條件。

（1）SMAW、SAW、FCAW 方法一般不能用于根部焊道的焊接，如果將這3 種焊接方法用于根部焊道，焊縫背面必須加墊板或采用雙面焊接背面清根的形式，否則是不允許的。如圖2是采用SMAW 方法焊接時焊縫的結構圖。

（3）采用GMAW 方法在焊接時不能使用短路過渡形式，并且只能用于薄板的焊接［5］。

5 S32101在AP1000核電站中的應用

在AP1000核電站中S32101雙相不銹鋼主要用于換料通道、乏燃料水池、換料水池、反應堆腔室等處。圖3是完成焊接后的換料通道水池局部圖，水池四周和水池底部都由S32101雙相不銹鋼組成。

AP1000核電站S32101 雙相不銹鋼主要采用SMAW 方法焊接，全熔透焊縫背部加襯墊工藝，典型接頭形式如圖2所示。焊接材料選用E2209－16焊條，全熔透焊縫采用根部100%PT 無損檢測工藝，焊接完成后焊縫表面進行100%PT 加10%UT 檢測工藝?，F場焊接后的檢測結果表明，S32101 雙相不銹鋼焊接效果和焊接質量均符合規范要求。

圖3 換料通道水池Fig.3 Refueling channel pool

6 結語

通過對S32101雙相不銹鋼化學成份、力學性能、焊接性、焊接工藝以及其在核電站的實際應用情況的分析，表明S32101雙相不銹鋼與其他奧氏體不銹鋼以及其他類型的雙相不銹鋼相比具有更好的可焊性和綜合力學性能，它可以應用于核電站中對工作環境要求苛刻的各種場合。美國西屋電器公司在AP1000核電站中首選S32101 雙相不銹鋼，充分說明此種雙相不銹鋼具有奧氏體不銹鋼無可比擬的優勢，為今后雙相不銹鋼的選型提供了思路。

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