核電非能動安全殼冷卻輔助水箱MAG自動焊工藝研究

陳鵬 王海東 李竹淵 馮英超 閆燦燦

摘? 要：根據(jù)核電站非能動安全殼冷卻輔助水箱工程實體情況，針對18mm厚SA-516M Gr.70采用MAG自動焊，選用合理的焊接材料、調整焊接工藝參數(shù)，嚴格控制焊接熱輸入和層間溫度，獲得了焊后焊縫成形美觀、力學性能良好、微觀組織均勻的焊接接頭。通過焊接工藝評定試驗，驗證了MAG自動焊在非能動安全殼冷卻輔助水箱的可行性與有效性，確定了SA-516M Gr.70合理MAG自動焊工藝，為現(xiàn)場焊接提供了技術指導。

關鍵詞：SA-516M Gr.70? MAG自動焊? 焊接工藝? 力學性能

中圖分類號：TG444? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（c）-0122-04

Abstract： According to the engineering entity of nuclear power plant PCCAWST， the 18mm thick SA-516M Gr.70 was tested by MAG automatic welding. we obtained a welded joint with beautiful weld formation， good mechanical properties and uniform microstructure， by selecting reasonable welding materials， adjusting the welding process parameters， and strictly controlling the welding heat input and interlayer temperature. Through the welding process qualification test， the feasibility and effectiveness of MAG automatic welding in PCCAWST have been verified， and the reasonable MAG automatic welding process of SA-516M Gr.70 has been determined， which provides technical guidance for on-site welding.

Key Words： Nuclear power storage tank;MAG automatic welding; Welding technology;Mechanical properties

隨著核電技術的快速發(fā)展，核電站的安全問題越來越受重視。CAP1400核電站作為AP1000核電的升級堆型，容量更大，其安全也更受關注，非能動安全殼冷卻系統(tǒng)擔當著提供最終熱阱的角色，在安全殼壓力或溫度升高的設計基準事故下，導出熱量，降低安全殼內壓力和溫度，保障著事故工況下安全殼的完整性。

非能動安全殼冷卻輔助水箱（PCCAWST）是立式圓柱形碳鋼水箱（設備分級D，安全級別NNS，質保等級QRA1），其罐體材質為碳素鋼SA-516M Gr.70，其直徑約21m，高度約18m，罐體壁厚為18～38mm，主體焊縫為長直縱焊縫和環(huán)形焊縫，共計約600m。傳統(tǒng)的手工焊條電弧焊接方法，焊接施工效率低、焊接過程受焊工技能因素影響導致焊接質量穩(wěn)定性差，因此核電行業(yè)對高質量、高效率的自動化施工方式的需求逐漸增大，本文針對非能動安全殼冷卻輔助水箱工程實體縱焊縫采用MAG自動焊方法進行了焊接工藝探索，對不同熱輸入下的工藝試板的力學性能和組織進行了測試與分析，驗證其焊接工藝的現(xiàn)場適用性，為核電自動化安裝行業(yè)提供技術支持。

SA-516MGr.70碳素鋼以其優(yōu)越的力學性能被廣泛應用于核反應堆、船舶橋梁和儲存容器等大型結構的建造安裝中[1-2]。而設備整體最薄弱的部位往往是焊接接頭位置，焊接工藝參數(shù)也對接頭質量有直接的影響[3-5]，此本文將對不同焊接參數(shù)下的工件進行性能對比以確定最終工藝。

1? 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗選用與工程實體一致的18mm厚ASTM SA-516M Gr.70鋼板，根據(jù)等強度匹配原則，熔敷金屬無論在強度、塑性合適沖擊韌性上均應高于被焊材料的性能最低值[6]，匹配ER70S-6實心氣保焊絲，規(guī)格為Φ1.2mm。母材及焊絲的化學成分見表1。

1.2 焊接位置和坡口的選擇

根據(jù)ASME 標準要求，立焊位置焊接工藝評定可覆蓋全位置，固本試驗采用立焊焊接位置，焊接方向為立向上，焊接坡口采用X型坡口，坡口角度為單邊30°，組對間隙為2mm。具體的焊接坡口形式和尺寸如圖1所示。

1.3 焊接工藝試驗

焊接過程是一個快速加熱和冷卻的熱循環(huán)過程，若焊接過程中選用的線能量過大，試件在焊接后的溫度持續(xù)較高，冷卻過慢，晶粒粗大，會導致焊接接頭塑性顯著下降，若熱輸入過低，試件冷卻速度過快，易產生未熔合等焊接缺陷，因此為保證良好的焊接性能，關鍵控制焊接的熱輸入。

本試驗的焊接方法為熔化極氣體保護自動焊，MAG自動焊焊接設備采用自主研發(fā)集成的MAG自動焊裝備。保護氣體為Ar（80%）+CO2（20%）混合氣，采用多層單道焊的焊道排布形式。在21～42kJ/cm范圍內，間隔7KJ/cm選取四種不同的焊接線能量進行工件的焊接，并對試板的橫向拉伸、側面彎曲、低溫沖擊及微觀組織的進行試驗與結果分析。

2? 試驗結果與分析

2.1 拉伸試驗

按照標準ASME Ⅸ卷2007版及2008補遺，對21～42kJ/cm范圍內的4塊焊接接頭進行了橫向室溫拉伸試驗。經試驗得知抗拉強度值統(tǒng)計見表2，經對比分析，線能量在21-42kJ/cm范圍內，實測焊接接頭抗拉強度值在585～608MPa之間，抗拉強度Rm滿足最低值485MPa，且實測值遠高于要求值，每個試樣發(fā)生了縮頸現(xiàn)象，說明材料有較好的塑性。

2.2 彎曲試驗

按照ASME Ⅸ卷2007版及2008補遺標準，對4塊試板進行了全厚度側彎試驗。依據(jù)標準進行壓頭選取直徑為38.1mm，彎曲角度為180°，側彎試樣彎曲后，在母材區(qū)、熱影響區(qū)和焊縫內都不得有因缺陷導致的開口裂紋，如有裂紋，累計不允許超過3.2mm，每組4個側彎試樣，共16個側彎試樣表面均無缺陷，試驗結果合格。

2.3 沖擊試驗

按照ASTM A370-2005標準，對四塊試板共24件試樣開展了-40℃夏比沖擊試驗。選取標準試樣尺寸，V型缺口試樣，沖擊試樣的缺口方向必須垂直于焊縫表面[7]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示，經對比分析發(fā)現(xiàn)焊縫、熔合線、熱影響區(qū)三個位置的沖擊功均隨著線能量的減小而增大，表明焊接線能量對焊接接頭沖擊韌性影響顯著[8]。4塊試件的沖擊功均大于27J的沖擊最低值要求，且有較大的沖擊值富裕量，實際應用過程中建議嚴格控制焊接線能量，最大值不超過42kJ/cm。

2.4 金相試驗

2.4.1 宏觀金相

完成力學性能檢測后，對其中熱輸入為28kJ/cm和35kJ/cm的兩塊試件進行了宏觀金相檢測，采用4%的HNO3酒精溶液進行腐蝕后用無水乙醇溶液清洗[4]，待表面干燥后觀察焊縫宏觀金相，如圖2所示。焊縫光潔無缺陷，整體熔合良好，無夾渣、裂紋等焊接缺陷，但熱輸入較大的試件焊縫余高較大，從焊縫成形美觀考慮，應采用合格參數(shù)范圍內盡量小的熱輸入。

2.4.2 顯微組織

最后選取了線能量（35kJ/cm）較大的試板采用光學顯微鏡放大200X對其顯微組織進行了分析，微觀組織詳見圖3，對微觀組織分析得知，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)都是主要由鐵素體和珠光體組成，不同的是焊縫區(qū)鐵素體和珠光體基本呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)而熱影響區(qū)主要為鐵素體，珠光體彌散分布其中。熔合線部位主要組織為從奧氏體晶界生長出來的近似平行的針狀鐵素體，少量的珠光體組成的魏氏組織和受熱長大的鐵素體分布于針狀鐵素體間，未見顯微裂紋和異常組織。

3? 結語

（1）采用MAG自動焊焊接SA-516M Gr.70碳素鋼，應控制線能量最大值42kJ/cm。本試驗驗證了MAG自動焊在非能動安全殼冷卻輔助水箱的可行性與有效性，確定了SA-516M Gr.70碳素鋼的合理MAG自動焊工藝，為現(xiàn)場自動焊接提供了技術指導。

（2）試驗證明，線能量對SA-516M Gr.70焊接接頭的拉伸、彎曲性能的影響較小，對沖擊韌性影響大，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功均隨著線能量的增大呈明顯的下降趨勢。因此，在非能動安全殼冷卻輔助水箱工程實體應用時應將線能量控制42kJ/cm以內，以保證設備整體質量。

參考文獻

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