反應堆壓力容器堆焊層下母材減薄缺陷復合返修技術

陳 亮 ，王 鶴

（1.核電安全監控技術與裝備國家重點實驗室，廣東深圳518172；2.深圳中廣核工程設計有限公司，廣東深圳518172；3.中國第一重型機械集團大連加氫反應器制造有限公司，遼寧 大連 116000）

0 前言

反應堆壓力容器（Reactor Pressure Vessel，RPV）長期在高溫、高壓、強腐蝕、強輻射的環境下運行[1]，其容器本體母材為低合金鋼材料（RCC-M規范牌號為16MND5，ASME規范牌號為SA-508 Gr.3 Cl.1），服役過程中，容器內壁與一回路腐蝕介質接觸。工程實踐中，在反應堆壓力容器內壁堆焊不銹鋼材料（309L+308L）。

反應堆壓力容器內壁完成不銹鋼堆焊后，堆焊層下可能出現超標缺陷，需進行焊接修復，對低合金鋼母材進行部分打磨直至完全去除缺陷。若缺陷深度較大或打磨過程中控制不當，容易造成低合金鋼母材大范圍減薄。在打磨區域尺寸滿足力學分析要求前提下，一般采用不銹鋼補焊至與缺陷周圍不銹鋼齊平。對于缺陷打磨區域不滿足力學分析的情況，進行低合金鋼加不銹鋼復合補焊。

文獻[1-5]研究了壓力容器材料不銹鋼堆焊層補焊試驗方法、焊接工藝參數和補焊區材料性能，文獻[6]分析了核電站反應堆壓力容器接管口裂紋的根本原因，并研究了焊接修復方案及檢驗方法。文獻[7]基于模擬輻照脆化材料，利用INCONEL 52焊材研究了反應堆壓力容器的焊接修復。焊縫返修深度40 mm，其中不銹鋼堆焊層厚8～10 mm。文獻[8]基于數值模擬技術及試驗分析，研究了A533 Gr.B Cl.2材料焊接修復殘余應力。

關于反應堆壓力容器低合金鋼母材加不銹鋼堆焊層復合修復方案及性能研究未見公開報道。在反應堆壓力容器復合補焊過程中，涉及低合金鋼補焊及不銹鋼補焊，其工藝復雜，過程控制難度大，目前處置思路一般是報廢設備，重新投料進行產品制造。

本研究針對反應堆壓力容器低合金鋼母材加不銹鋼堆焊層復合補焊情況，完成了補焊方案設計及工藝實施及技術評價。

1 返修方案設計

1.1 返修坡口

針對大范圍低合金鋼母材減薄問題，考慮到缺陷范圍大，焊接填充量多，返修過程焊接應力疊加效應明顯，易誘發焊接質量缺陷，且大厚度缺陷返修時，坡口設計不當側壁易產生道間未熔合。在方案設計中，應綜合考慮焊接填充量與側壁熔合質量，對焊縫坡口進行整形處理，打磨區域沿容器內壁周向對稱設計，坡口側壁與熔合線夾角小于等于50°。

1.2 返修焊道布置

復合補焊過程中，容易造成低合金鋼焊縫直接搭接至周邊不銹鋼堆焊層上，誘發焊接缺陷。針對異種金屬復合補焊邊緣焊道搭接控制問題，設計方案中開發出低合金鋼補焊焊道搭接控制技術，如圖1所示。低合金鋼補焊邊緣區域采用開凹槽設計，結合工藝實際，凹槽深度2 mm，寬度0.5～2焊道，有效避免了低合金鋼補焊層搭接至不銹鋼堆焊層上引發的質量風險。

圖1 返修焊道設計Fig.1 Bead design of welding repair

1.3 焊接工藝控制要求

1.3.1 焊接方法

容器內壁補焊時母材部位與不銹鋼堆焊層均采用焊條電弧焊方法。

1.3.2 焊材選擇及強度匹配要求

補焊過程中，低合金鋼焊材采用E9016-G類別號，不銹鋼為E309L及E308L類別號。

低合金鋼補焊焊縫與母材性能強度范圍如表1所示。

表1 焊縫與母材性能強度范圍Table 1 Strength range of weld metal and base material

1.3.3 焊接工藝評定要求

產品補焊修復前應對焊接工藝進行評定，合格后固化焊接參數用于產品焊縫修復。基于返修焊道設計要求（見圖1），采用16MND5低合金鋼試板完成低合金鋼試板不銹鋼堆焊、開槽（見圖2）及復合補焊工作。其中，試板開槽深度與產品低合金鋼減薄尺寸一致。

圖2 不銹鋼堆焊試板開槽實物Fig.2 Stainless steel surfacing test plate slotted photo

1.3.4 焊接過程控制要求

針對低合金鋼母材補焊區域與不銹鋼堆焊層補焊區域，對焊材規格選用、焊接電流、焊接電壓、焊接速度、預熱溫度及道間溫度范圍進行限定，焊接參數要求如表2所示。

2 熔敷金屬性能評價

2.1 熔敷金屬破壞性檢驗

2.1.1 化學分析

對堆焊層表面0.5～2 mm范圍內熔敷金屬進行取樣分析，并基于規范RCC-MS2000要求進行驗收，化學分析驗收要求及實測數據如表3所示。結果表明，堆焊層化學成分滿足使用要求，雜質元素P、S控制在較低水平。

表2 焊接參數要求Table 2 Welding parameter requirements

表3 堆焊層化學成分Table 3 Chemical composition analysis of surfacing layer %

2.1.2 金相分析

選取復合補焊試件典型區域進行金相分析，宏觀金相顯示補焊區域無任何裂紋、未焊透，母材與熔敷金屬之間或各焊道之間熔合良好。

微觀金相檢驗照片如圖3所示。金相結果顯示：補焊區域母材及熱影響區為典型的貝氏體組織，低合金鋼補焊層為鐵素體+珠光體組織，不銹鋼補焊區域為奧氏體+鐵素體組織。低合金鋼補焊區域及熱影響區未發現顯微裂紋或因淬火形成的異常組織。不銹鋼補焊區域未發現顯微裂紋或影響接頭性能的沉淀物，滿足RCC-MSI400要求。

2.1.3 腐蝕性能試驗

為驗證堆焊層耐腐蝕性能，在其表面取樣進行腐蝕性能試驗，取樣過程中，應盡可能少地去除堆焊層表面金屬，腐蝕性能試樣長度方向與堆焊方向平行。

熔敷金屬按照RCC-MMC 1310的要求進行，敏化處理為B處理。

腐蝕后的試樣在進行聲響試驗時，試樣發出清脆的金屬聲。彎曲試驗過程中，未發現晶間腐蝕引起的裂紋或開裂傾向。腐蝕性能試驗結果滿足RCCMSI600要求。

2.1.4 彎曲試驗

在補焊區域取樣進行彎曲性能試驗。結果顯示：試樣彎曲180°時，拉伸面上無任何明顯開裂，單個裂紋、氣孔和夾渣的長度均小于等于1.5 mm，彎曲試驗結果滿足RCC-MSI200要求。

2.1.5 硬度試驗

為驗證低合金鋼及不銹鋼補焊各區域硬度性能，選取典型區域進行維氏硬度分布測定試驗。其中，試驗載荷98 N，測試區域包括母材、熱影響區、低合金鋼補焊層、309L補焊層以及308L補焊層。典型區域硬度分布測定如表4所示。

結合表2可知，母材維氏硬度分布范圍為195～203HV，熱影響區維氏硬度分布范圍為188～234HV，低合金鋼補焊層維氏硬度分布范圍為231～246 HV，均滿足規范要求。熱影響區維氏硬度數據較母材及低合金鋼補焊層有較大范圍波動，該現象與熱影響區組織漸變效應相關。熱影響區維氏硬度范圍結合圖3c中金相分析，進一步驗證了該區域不存在因淬火形成的異常組織。

圖3 典型區域顯微組織照片（200×）Fig.3 Microstructure photo of typical area（200×）

表4 典型區域硬度分布測定Table 4 Determination of hardness distribution of typical areas HV

2.2 熔敷金屬無損檢驗

對補焊區域尤其是凹槽區域進行100%超聲、液體滲透及目視檢驗，未發現超標缺陷。

3 結論

本研究完成了反應堆壓力容器堆焊層下大范圍母材減薄缺陷復合補焊設計，并基于低合金鋼試板完成了模擬補焊及分析，得出以下結論：

（1）對低合金鋼加不銹鋼復合補焊，坡口側壁與熔合線夾角不大于50°，補焊邊緣區域采用開凹槽設計，保證了補焊區域側壁及焊道搭接區域質量。

（2）補焊區域的成分、金相、腐蝕、彎曲、硬度試驗分析表明，采用手工焊條電弧焊方法，結合焊道布置及焊材性能匹配工作，可以得到滿足驗收要求的低合金鋼加不銹鋼復合補焊層。

（3）對補焊區域尤其是凹槽區域進行無損檢驗，未發現超標缺陷，說明凹槽設計方案工藝的可行性良好，返修坡口設計、焊道布置及焊材選用滿足工藝實施要求。