核電站屏蔽廠房用Q420NC鋼的免除后熱消氫處理工藝分析

都婧婧，修延飛，李娟，樊祥博，王剛

1.山東核電設(shè)備制造有限公司 山東海陽 265118

2.煙臺(tái)市核電設(shè)備工程技術(shù)研究中心 山東海陽 265118

1 序言

為提高核電站反應(yīng)堆廠房抗飛機(jī)撞擊的能力，首次在國內(nèi)采用鋼板混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屏蔽廠房，其預(yù)制、拼裝、安裝施工過程工藝復(fù)雜且精度要求高，在國內(nèi)核電站建設(shè)中無相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，因此提高屏蔽廠房的制造工藝水平有著重要的意義。

屏蔽廠房SC結(jié)構(gòu)起始位置為電廠設(shè)計(jì)西向（未被輔助廠房包圍的區(qū)域）從±0.0m標(biāo)高起，被輔助廠房包圍的區(qū)域從輔助廠房頂標(biāo)高起，如圖1所示[1]，頂部為進(jìn)氣口、屋頂和水箱等。屏蔽廠房進(jìn)氣口區(qū)域?qū)?qiáng)度要求較高，因此采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q420NC（以下簡稱Q420NC鋼），鋼板厚度38mm。在實(shí)際生產(chǎn)中，對厚度為38mm的Q420NC鋼全熔透焊縫需進(jìn)行焊前預(yù)熱、后熱消氫處理。

圖1 屏蔽廠房位置示意

由于屏蔽廠房子模塊體積較大，無法進(jìn)行整體熱處理，因此只能采用局部分段熱處理的方式進(jìn)行后熱消氫，局部熱處理方式施工過程復(fù)雜，溫度控制、加熱冷卻過程中的變形控制困難，會(huì)給屏蔽廠房制造質(zhì)量帶來較大風(fēng)險(xiǎn)。

2 試驗(yàn)方法

通過斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)，驗(yàn)證38mm厚Q420NC鋼焊接熱影響區(qū)及焊縫金屬產(chǎn)生冷裂紋的傾向性，確定焊接Q420NC鋼時(shí)的合理預(yù)熱溫度，并通過后熱消氫與焊態(tài)的對比試驗(yàn)來考察后熱消氫處理對接頭力學(xué)性能的影響。基于試驗(yàn)結(jié)果評估38mm厚Q420NC鋼的氣體保護(hù)焊對接焊縫后熱消氫處理的必要性，為免除后熱消氫處理提供依據(jù)。

3 試驗(yàn)過程

3.1 焊接裂紋試驗(yàn)

焊接裂紋試驗(yàn)（又稱小鐵研試驗(yàn)）是一種拘束程度較苛刻的冷裂紋試驗(yàn)方法。根據(jù)CB/T 4364—2013《斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》來驗(yàn)證Q420NC鋼焊接熱影響區(qū)及焊縫金屬產(chǎn)生冷裂紋的傾向性，可以得到能夠防止冷裂紋的臨界預(yù)熱溫度，作為判定冷裂敏感性的指標(biāo)。試驗(yàn)分別選取預(yù)熱溫度為室溫、50℃、100℃[2]，在3種預(yù)熱溫度下采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）施焊，焊接材料均采用上海大西洋焊接材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的牌號(hào)為ER80S-G、φ1.2mm的焊絲，保護(hù)氣體為80%Ar＋20%CO2，試樣形式如圖2所示[3]，試驗(yàn)焊接參數(shù)見表1。

圖2 焊接裂紋試驗(yàn)試樣形式

表1 焊接裂紋試驗(yàn)焊接參數(shù)

試驗(yàn)項(xiàng)目包括表面裂紋、根部裂紋、斷面裂紋。表面裂紋采用磁粉檢測；根部裂紋采用滲透液先對試樣焊縫根部著色，然后將試樣拉斷或彎斷后再檢測；斷面裂紋采用對橫截面進(jìn)行研磨腐蝕，腐蝕劑采用5%硝酸酒精，然后采用放大20～30倍的顯微鏡來檢測。按照CB/T 4364—2013標(biāo)準(zhǔn)[3]的方法計(jì)算裂紋率。試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)見表2。

表2 試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)

由表2可知，隨著預(yù)熱溫度的升高，裂紋累計(jì)長度及裂紋率逐漸降低。初步分析其原因是預(yù)熱溫度的升高改善了焊接熱循環(huán)，降低了在外部拘束條件下焊接引起的應(yīng)力，且焊前預(yù)熱可使氫在焊接接頭中的擴(kuò)散速度加快，焊接接頭冷卻速度減慢，預(yù)熱溫度越高，冷卻越緩慢，擴(kuò)散氫逸出時(shí)間越長，裂紋率就會(huì)顯著降低[4]。斜Y形坡口對接試驗(yàn)接頭拘束度大，且根部尖角應(yīng)力集中，試驗(yàn)條件比較嚴(yán)苛，對于低合金鋼，一般認(rèn)為，若表面裂紋率＜20%且無根部裂紋，則用于生產(chǎn)是安全的[5]。本試驗(yàn)組中的3個(gè)預(yù)熱溫度下均未出現(xiàn)表面裂紋，同時(shí)隨著預(yù)熱溫度升高，根部裂紋率逐漸降低，分別為49%、25%、0，當(dāng)預(yù)熱達(dá)到100℃時(shí)，表面和根部均無裂紋產(chǎn)生。因此，對于38mm厚的Q420NC鋼，預(yù)熱溫度＞100℃時(shí)可有效防止焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋。

3.2 后熱消氫與焊態(tài)焊接性能對比

為進(jìn)一步驗(yàn)證Q420NC鋼在后熱消氫處理態(tài)和焊態(tài)下的焊接性能，對兩組試件進(jìn)行性能對比試驗(yàn)。采用上海大西洋焊接材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的牌號(hào)為ER80S-G、φ1.2mm焊絲，保護(hù)氣體為80%Ar＋20%CO2，試件坡口形式為雙面對稱X形坡口（見圖3），預(yù)熱溫度采用斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)中確定的最低預(yù)熱溫度，即100℃。

圖3 試件坡口形式

第1組試件采用后熱消氫處理，后熱消氫處理溫度為250～350℃，保溫時(shí)間≥1h，達(dá)到保溫時(shí)間后緩冷至常溫；第2組試件為焊態(tài)。兩組試件的焊接參數(shù)見表3。

表3 后熱消氫與焊態(tài)試件的焊接參數(shù)

對焊接完成的試件按照AWS D1.1：2010《Structural Welding Code—Steel》[6]的要求進(jìn)行超聲波檢測和射線檢測，均合格。然后進(jìn)行常溫拉伸、彎曲、0℃夏比（V型缺口）沖擊的力學(xué)性能測試。

（1）縮減斷面拉伸試驗(yàn) 常溫拉伸試驗(yàn)按照ASTM A370—2017《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果均大于GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中Q420NC鋼的最低抗拉強(qiáng)度（520MPa），且均塑斷于母材，見表4。

表4 常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

（2）彎曲試驗(yàn) 彎曲試驗(yàn)按照AWS D1.1：2010《Structural Welding Code—Steel》[6]的要求進(jìn)行，彎曲直徑為50.8mm，試驗(yàn)結(jié)果均合格：焊縫及熱影響區(qū)無可見裂紋及不可接受的缺陷，見表5。

表5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

（3）夏比V型缺口沖擊試驗(yàn) 沖擊試驗(yàn)按照ASTM A370—2017規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表6。由表6可知，試驗(yàn)結(jié)果均遠(yuǎn)高于GB/T 1591—2018中Q420NC鋼在0℃的縱向沖擊吸收能量最小值（34J），其中兩組試件焊縫、熱影響區(qū)及母材的沖擊吸收能量相當(dāng)，無明顯差異。

表6 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

1）通過斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)，38mm厚Q420NC鋼的預(yù)熱溫度＞100℃時(shí)，焊接接頭中未產(chǎn)生冷裂紋，因此可有效控制38mm厚Q420NC鋼焊接冷裂紋的產(chǎn)生。

2）后熱消氫與焊態(tài)兩組試驗(yàn)均采用斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)中確定的最小預(yù)熱溫度100℃時(shí)，兩組試驗(yàn)的所有項(xiàng)目及結(jié)果（射線檢測、超聲波檢測、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)）均滿足AWS D1.1：2010[6]標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。相比焊態(tài)，經(jīng)后熱消氫處理的試件，其抗拉強(qiáng)度有所下降，但仍高于驗(yàn)收要求。兩組試件的其余力學(xué)性能項(xiàng)目（彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)）的結(jié)果相當(dāng)，均遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)和規(guī)范的技術(shù)要求，說明后熱消氫對Q420NC鋼的焊接接頭性能無明顯影響。

3）經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證和分析，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)采用以下工藝措施，可有效保證Q420NC鋼焊縫的性能：①采用擴(kuò)散氫含量很低的ER80S-G焊絲。②嚴(yán)格控制焊接熱輸入（不宜＞31.8kJ/cm）。③嚴(yán)格執(zhí)行焊前預(yù)熱溫度＞100℃。④加強(qiáng)對焊后試件的無損檢測。以上措施為工程施工過程免除后熱消氫提供了可行性。目前，已在某三代核電站屏蔽廠房產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)免除后熱消氫的應(yīng)用，有效降低了現(xiàn)場后熱消氫帶來的施工難度、成本和質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)，對其他項(xiàng)目工程實(shí)踐具有一定的借鑒作用。