HHP-25反應堆壓力容器接管安全端焊接結構及質量控制研究

劉澤鋒

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

海洋核動力平臺是將核反應堆與艦船有機結合，并結合海洋戰略的能源需求，可為海上油氣平臺、偏遠島嶼、港口城市提供安全有效的能源補給。它具有一次裝料運行時間長、平臺機動性高、運行成本低等優點。“HHP-25”海洋核動力平臺是國家能源重大科技創新示范工程項目，是國內首例將小型核反應堆與船舶工程有機結合，支撐海洋軍民融合發展、開發利用新能源和全球能源發展的重大工程[1]。

反應堆壓力容器是“HHP-25”平臺中最關鍵的承壓設備，屬于核安全一級產品。它的工作環境極其苛刻，不僅需要具備承受高溫高壓及海洋搖擺環境的能力，產品還需具備抗材料輻照脆化的特性，以及具有高耐腐蝕性、高韌性、脆轉溫度低的特點，在長達40年的使用壽命中還需保證結構完整、性能可靠。海洋核動力平臺反應堆壓力容器的安全端接頭不僅結構規格小，且接管與安全端兩種材料的線膨脹系數相差極大，在長時間的高溫、高壓、腐蝕及海洋搖擺環境下容易產生應力腐蝕裂紋和造成放射性水介質的外泄，從而引發壓力容器失水及堆芯過熱熔化的大型安全事故[2]。本文從“HHP-25”反應堆壓力容器接管安全端的結構設計、材料選型、工藝控制等方面進行研究，分析焊縫力學性能及抗腐蝕性，保證焊縫質量安全可靠。

1 結構設計

“HHP-25”反應堆壓力容器接管材質為低合金鋼SA-508 Gr.3Cl.1，鍛件含合金元素多，碳當量≤0.705%，焊縫熱影響區的淬硬傾向高，易產生冷裂紋。安全端材質為不銹鋼SA-182 F321LN鍛件，其線膨脹系數比接管的低合金鋼大40%以上，熱導率低，焊后會產生較大的熱應力。由于“HHP-25”反應堆壓力容器接管與安全端異種金屬連接的結構小型化，焊接過程中對工裝要求高，施焊過程中的熱循環極易造成應力集中和形成低韌性組織，且焊后容易產生缺陷，加大腐蝕疲勞開裂傾向，降低產品壽命[3-4]。

接管與安全端異種接頭結構設計時需滿足焊縫對接全熔透、易于焊后無損檢測、焊接變形對結構影響小等因素。通過對下述兩種焊接結構施焊后進行對比，采用“插裝式”結構（如圖1）比“對接式”（如下頁圖2）具有較大優點：在焊接裝配操作方便，無需單獨設置工裝，易于控制變形；單面焊后直接機加工預留端，無需反面清根與焊接，減少了反面打磨不合理或焊接氣體保護較差帶來的焊縫夾渣和未熔合缺陷。

圖1 “插裝式”焊接結構示意圖（mm）

圖2 “對接式”焊接結構示意圖（mm）

2 焊接材料選型

焊接材料選擇線膨脹系數介于SA-Φ508 Gr.3Cl.1和SA-182 F321LN之間的鎳基合金焊材，可有效抑制熱影響區脆性層的產生，提高接頭的沖擊韌性和抗晶間腐蝕性能。“HHP-25”反應堆壓力容器接管安全端異種接頭的焊接材料選擇熱膨脹系數低的Inconel 690合金，焊材牌號為美國SMC的Inconel 52M，焊絲的主要化學成分見表1，焊絲在焊后熱處理態（PWHT）的力學性能見表2。

表1 接管-安全端焊接用焊絲化學成分 %

表2 接管-安全端焊接用焊絲力學性能

3 焊接工藝控制

由于“HHP-25”反應堆壓力容器接管與安全端規格小，不僅要完成接管內壁不銹鋼和鎳基隔離層的堆焊，還要完成隔離層與安全端的對接焊，因此對焊接工藝要求極為苛刻。通過在焊接中控制以下幾種關鍵因素，可使工藝評定和產品見證件的焊接質量滿足產品設計要求。

3.1 焊接方法

接管預堆邊的堆焊方法采用小管徑自動TIG焊，設備采用寶利蘇迪小管徑氬弧焊機，焊機可實現平焊位和橫焊位的全自動無限回轉；預堆邊與安全端的對接焊采用熱絲TIG焊，設備采用寶利蘇迪熱絲TIG焊機，焊接可實現全位置全自動回轉。兩種位置焊接時采用的焊絲直徑為Φ0.9 mm。

3.2 熱處理

鎳基隔離層堆焊前將接管內壁與端面清理干凈，確保表面無油污及雜質，并對待堆面進行100%PT檢測。堆焊前3.2 mm時預熱溫度≥121℃，焊縫層間溫度≤250℃；堆焊層超過3.2 mm后，繼續堆焊時預熱溫度≥10℃，層間溫度≤177℃；焊后為防止冷裂紋的出現，立即進行232～400℃×4 h的后熱處理。為避免焊后母材熱影響區存在較大的焊接應力和有效控制擴散氫，對預堆邊進行595～620℃×1 h的消除應力熱處理。隔離層與安全端對接焊時嚴格控制焊縫溫度，預熱溫度≥10℃，層間溫度≤177℃。

3.3 焊接規范

焊縫質量靠焊接電流、焊接電壓、焊接速度以及鎢極來保證。焊接電流過大會增大裂紋敏感性及析出物傾向；通過控制焊接電壓弧長集中能量來保證母材的熔合質量；焊接速度影響焊縫韌性及冷裂紋傾向；鎢極彎曲角度為5°～15°可保證窄間隙坡口側壁的良好熔合，保護氣采用99.999%的高純氬。經過多次試驗獲得的焊接工藝參數見表3、表4，焊縫成形良好，無咬邊、氣孔、弧坑等缺陷。

表3 接管預堆邊焊接工藝規范

表4 異種金屬對接焊工藝規范

3.4 清潔

鎳基合金焊接時要保證待焊面高度清潔，以防止表面氧化和與易引起脆化的元素混雜，若表面清潔時沒有徹底清除氧化膜則會形成夾渣。接管安全端焊接時采用不銹鋼鋼絲刷對每道、每層焊縫表面進行氧化膜清理，保持焊道表面清潔，氧化膜厚的地方用風銑清理，焊道收弧處用鋁基無鐵砂輪打磨避免弧坑裂紋。

4 試驗結果

通過對焊接結構、填充材料、工藝規范、表面清潔度等方面進行控制，實施工藝評定以及對焊接見證件進行施焊，并在焊后對力學性能和抗腐特性進行測算，使焊縫質量滿足技術規格書要求。工藝評定的理化試驗結果見表5—表8，全部滿足設計要求。

表5 沖擊韌性試驗檢測結果（AWS B4.0M）

表8 晶間腐蝕（ASME A262 E）

5 結語

通過嚴格控制焊接結構、焊接材料、焊接工藝規范、施焊清潔度等一系列措施，降低了焊縫質量的不合格率，工藝評定和焊接見證件的焊縫質量和性能均完全滿足“HHP-25”平臺異種金屬焊縫技術規格書要求，保證了反應堆壓力容器的產品質量，為海洋核動力平臺的安全穩定運行提供了保障。

表6 拉伸試驗檢測結果（AWS B4.0M/ASTM E21）

表7 彎曲試驗檢測結果（ASME QW-162）