核電設備用SA738Gr.B復合鋼板的爆炸焊接試驗研究

劉富國，馮 健，侯國亭

(1.洛陽雙瑞金屬復合材料有限公司，河南 洛陽 471800； 2.舞鋼神州重工金屬復合材料有限公司，河南 舞鋼 462500)

眾所周知，在眾多新能源中，核電無疑被認為是環境透支最小的高效清潔能源。因此，在電力行業規劃中，特別強調了對核電等清潔能源的大規模投資。隨著我國近年核電工業的迅猛發展，核電設備行業將迎來巨大的市場空間。由于核電設備工作環境多為高溫、高壓、高輻射等，所以對核電設備用鋼的理化性能和耐蝕性能提出了更為嚴格的技術要求。

近年來，作為廣泛應用于核電站設備壓力容器中的SA738Gr.B鋼板[1]，屬于高強核電容器鋼板，我國還依賴于進口，因此我國科技人員針對SA738Gr.B鋼板進行了開發研究，并取得了一定的科研城果。文獻[2]針對核電站用SA738Gr.B鋼板熱處理工藝進行了研究，通過試驗分析熱處理參數對鋼板顯微組織和力學性能的影響，提出了合理的淬火和回火工藝，從而實現了核電設備壓力容器用SA738Gr.B鋼板各項力學指標的最優化；文獻[3]對SA738Gr.B鋼板進行了模擬試驗研究，指出了經模擬焊后熱處理的SA738Gr.B鋼板，沖擊韌性明顯下降的主要原因在于鋼中析出了含Cr合金碳化物，引起晶界弱化，提高了SA738Gr.B鋼板的韌脆性轉變溫度；文獻[4]簡要介紹了核電技術發展的歷程和核電壓力容器對材料的技術要求，對于我國研發SA738Gr.B鋼板的狀況，文章指出我國寶鋼于2006年研發出了核電站安全殼用SA738Gr.B鋼板，2007年底生產出了強度和沖擊韌性均滿足有關標準要求的SA738Gr.B鋼板，并且所生產的這種鋼板已經批量應用于三門和海陽核電站設備中，這表明我國鋼鐵企業在生產SA738Gr.B鋼板方面已經向前邁進了一大步。但到目前為止，我國還未進一步見到公開的用于核電設備壓力容器的SA738Gr.B復合鋼板的研發成果。因此，研究開發高性能的核島設備壓力容器用SA738Gr.B復合鋼板，對實現核電設備壓力容器關鍵部件國產化，打破國外市場壟斷具有一定的現實意義和社會效益。

1 試驗

1.1 試驗材料

基層材料選用SA738Gr.B鋼板，規格尺寸為52 mm×1 000 mm×3 000 mm；復層材料選用不銹鋼SA240 304L，規格尺寸為4 mm×1 060 mm×3 060 mm。選用的基層和復層材料的化學成分和力學性能如表1～表4所示。

表1 SA738Gr.B 鋼板化學成分的質量分數

表2 SA738Gr.B 鋼板的力學性能

表3 SA240 304L不銹鋼化學成分的質量分數

表4 SA240 304L不銹鋼板的力學性能

1.2 試驗工藝

不同于一般的焊接技術，爆炸焊接生產具有獨特的工藝參數和規定的流程，這些工藝參數包括材料參數、炸藥參數、安裝參數、界面參數等，其主要工藝流程順序為：基復材料檢驗、待結合面除銹、爆炸焊接、無損檢測、熱處理、性能檢測、校平拋光、標識包裝、入庫。

1.3 爆炸焊接參數

爆炸焊接參數中，影響產品質量的主要參數有炸藥爆速、復板下落速度、基復板間距、單位面積裝藥量，基復板力學性能等。以上參數中尤以炸藥的品種、數量、爆速最為重要，在其他參數一定的情況下，根據炸藥的品種、數量、爆速就可以判定任一金屬組合中實際的爆炸焊接性和相對的焊接強度[5]。

1.3.1 炸藥品種和爆速的選擇

目前，我國爆炸焊接行業普遍采用乳化炸藥進行爆炸焊接作業，但此種炸藥對于大幅面和硬脆金屬材料來說爆速偏高，因此這種炸藥使用前需要添加一些惰性物質如珍珠巖、食鹽等配制成低爆速炸藥。本試驗采用的粉狀乳化炸藥，在炸藥爆速為3 400 m/s的基礎上添加主要成分為碳酸鈣的粒狀分散劑，配置成爆速為2 300 m/s左右的低爆速炸藥。配置的低爆速炸藥中，在炸藥厚度為35～45 mm時，炸藥質量占比為0.52%，此厚度下的混配炸藥平均密度為1.25 g/cm3。

1.3.2 基復板間距的選擇

基復板間距是指復板和基板之間的距離。為了使復板獲得一定的碰撞速度，必須保證復板具有一定的加速距離。工程應用中，確定基復板間距的經驗公式很多，例如有學者認為，間距值一般是復板厚度的0.5～1.0倍；還有學者認為間距值和復板材料的密度有關，當復板材料的密度小于5、5～10、大于10 g/cm3時，間距值分別為復板厚度的1/2～2/3、1/2～1、2/3～2倍[6,11]。學者Stivers和Wittman給出了下面的經驗公式：

S=0.2(h1+h2)

(1)

式中：S為基復板間距；h1為復板厚度；h2為裝藥厚度。本試驗中復板h1=4 mm，裝藥厚度預設值h2=35～38 mm，采用經驗公式(1)計算的基復板間距值S=7.8～8.4 mm，取平均值S=8 mm。

在已知炸藥爆速vd和基復板間距S的情況下，可利用炸藥爆速、基復板間距以及復板動態彎折角之間的關系式[7]求出復板的動態彎折角β值。

(2)

1.3.3 裝藥厚度的選擇

爆炸焊接生產中，炸藥品種和裝藥厚度的選擇，決定了作用于復板上的爆轟能量大小，同時也影響到了復板碰撞基板速度的大小。因此，裝藥厚度決定了爆炸焊接質量的優劣，正確選擇炸藥品種和裝藥厚度是爆炸焊接生產中一個極其重要的環節。

基復板平行安裝是爆炸焊接生產慣用的方法，在這種安裝方法下，炸藥的爆速vd=vc，根據復板碰撞基板速度簡圖(見圖1)可知[8]：

(3)

圖1 復板碰撞Fig.1 Collide of clad plate

爆炸焊接一維平板運動近似解析關系方程式針對基復板平行安裝，使用硝銨類炸藥這一情況建立起來的經驗公式[9]：

(4)

式中:R為單位面積上的炸藥質量和復板質量之比，即裝藥質量比。把vp=683.1 m/s；炸藥爆速vd=2 300 m/s帶入式(4)，可以求出本次試驗的裝藥質量比R=1.475。

本次試驗采用的復層板厚h1=4 mm，密度ρ1=7.9 g/cm3，使用的混配炸藥密度ρ2=1.25 g/cm3。

由公式R=ρ2h2/ρ1h1可求出裝藥厚度約為h2=37.28 mm。

通過以上計算，并經優化，采用的靜態參數為：炸藥爆速vd=2 300 m/s；裝藥厚度h2=36～38 mm；基復板間距S=8 mm，使用優化后的參數，采用角起爆的方式對試驗板進行了爆炸焊接，爆炸焊接前后的復合板狀態如圖 2～圖3所示。對爆炸焊接后的試驗板進行了UT探傷，未發現未復合缺陷存在。

圖2 爆炸焊接前Fig.2 Before explosive welding

圖3 爆炸焊接后Fig.3 After explosive welding

1.4 熱處理參數選擇

爆炸焊接金屬復合材料熱處理工藝參數的制定必須充分考慮兩種不同材料的理化性能，高溫下相互作用的特性，以及復層材料可能發生敏化的溫度區間。只有綜合考慮了以上因素后，才能制定出合理的且具有針對性的熱處理參數。

本試驗基板為SA738Gr.B，交火熱處理狀態為淬火加回火，其中回火溫度為620 ℃；復板SA240 304L交火狀態為固溶。針對基板SA738Gr.B，文獻[2]進行了熱處理工藝研究，并得出了核電站用SA738Gr.B鋼板的最佳熱處理工藝方案，可使鋼板的強度韌性達到最佳匹配。文獻[10]針對壓力容器用大厚度爆炸焊接金屬復合板生產工藝進行了研究，其中對復合板的熱處理工藝進行了詳細的分析論證試驗，得出了大厚度爆炸焊接金屬復合板的最佳熱處理工藝參數，并成功地運用于工業化生產中。

在總結試驗的基礎上，參考上述已發表的相關技術資料和研究成果，考慮到復板SA 240 304L的敏化溫度范圍，決定采用熱處理狀態為正火加回火。正火溫度選擇為(920±10) ℃，保溫時間1.8 min/mm(100 min)，出爐水霧冷至室溫；回火溫度為(620±10) ℃，保溫時間為2.6 min/mm(145 min)，出爐空冷至室溫。制定的熱處理工藝參數如圖4～圖5所示。

圖4 正火曲線Fig.4 Normalizing curve

圖5 回火曲線Fig.5 Tempering curve

2 性能檢測與分析

2.1 性能檢測

對經過正火加回火熱處理后的SA738Gr.B復合鋼板取樣進行力學性能和晶間腐蝕(E法)試驗，取樣位置位于端部1/4處。試驗結果表明，復板SA240 304L晶間無敏化現象發生，彎曲面無裂紋出現；力學性能滿足NB/T 47002.1以及ASME SA 264標準的規定,特別是復合板的界面剪切強度已經達到386 MPa，大大高于NB/T 47002.1規定的210 MPa和ASME SA 264標準規定的140 MPa。SA738Gr.B復合鋼板的力學性能檢測結果如表5所示，晶間腐蝕式樣結果如表6所示。

表5 SA738Gr.B 復合鋼板的力學性能檢測結果

2.2 結果分析

本試驗所采用的爆炸焊接基層材料為核電站用鋼板，復層材料為SA240 304L奧氏體不銹鋼板，在爆炸焊接炸藥選擇、安裝參數選用，以及在爆炸焊接后的熱處理工藝制定過程中，既要考慮核電用SA738Gr.B鋼板爆炸焊接前后的理化質量穩定性，又要兼顧復層不銹鋼板SA 240 304L的耐晶間腐蝕問題。因此，制定正確合理的爆炸焊接工藝參數，特別是熱處理工藝參數，對滿足核電設備用SA738Gr.B復合鋼板所要求的各項性能指標具有至關重要的作用。本試驗通過理論分析與試驗驗證，最終采用的爆炸焊接參數為：炸藥爆速vd=2 300 m/s；裝藥高度h=36～38 mm；基復板間距S=8 mm；選用的熱處理工藝參數為：正火溫度(920±10) ℃，保溫時間1.8 min/mm(100 min)，出爐水霧冷卻；回火溫度為(620±10) ℃，保溫時間為2.6 min/mm(145 min)，出爐空冷。用上述參數爆炸焊接的核電設備用SA738Gr.B復合鋼板，取樣進行了晶間腐蝕和力學性能試驗，結果表明復層奧氏體不銹鋼板SA240 304L(E法)晶間腐蝕試驗合格，力學性能完全符合NB/T 47002.1和ASME SA 264標準中的有關指標，完全可以滿足核電設備壓力容器對SA738Gr.B復合鋼板的設計技術要求。因此可以說，本試驗中爆炸焊接理論參數的計算和優化，熱處理工藝和技術參數的選取等是合理的、正確的，是完全可以用于規模化工業生產的。

3 結論

1)通過爆炸焊接試驗可知，采用理論公式計算的爆炸焊接參數，經優化修正后可以直接應用于SA738Gr.B金屬復合板的工業化爆炸焊接生產中。

2)對于爆炸焊接SA738Gr.B金屬復合板的熱處理工藝，本文采用的正火溫度(920±10) ℃、回火溫度(620±10) ℃的熱處理技術參數是正確合理的。

3)本試驗所用的爆炸焊接計算公式和熱處理工藝參數也可以推廣應用到其他核電設備用金屬材料如SA 533GrBCL2復合板的研發中。