郭偉杰

（上海電氣電站設(shè)備有限公司上海電站輔機廠，上海 200090）

0 概 述

EPR是歐洲核電壓水堆（European Pressure Water Reactor）的簡稱，采用了世界上最具代表性的新一代核電技術(shù)，與AP1000核電技術(shù)共稱為第三代核電技術(shù)。臺山核電1號、2號機組是國內(nèi)首次采用EPR技術(shù)建造的核電機組，并且首次應(yīng)用RCC－M 2007版標準進行制造，該標準中S篇（焊接）的改動較大。因首次建造，所以無實際執(zhí)行標準的經(jīng)驗。

安注箱為核二級設(shè)備，當核電站一回路系統(tǒng)的管道或設(shè)備發(fā)生破損事故后，由安全注射系統(tǒng)向一回路注入高硼冷卻水，防止堆芯因失水而造成燒損。安注箱的外形及尺寸，如圖1所示。

1 安注箱的主體材料

EPR安注箱的主體材料采用Z2CN19－10（控氮）厚板不銹鋼，殼體厚度為82mm，考慮封頭壓制后的減薄量，封頭材料的厚度選為90mm。材料采購時，需滿足RCC－M 2007版M3307的技術(shù)要求。我公司首次選用了控氮不銹鋼厚板，在焊接方面，與具有成熟制造經(jīng)驗的Z2CN18－10材料相比具有一定的難度。Z2CN19－10（控氮）材料的主要性能和差異，如表1、表2所示。

圖1 EPR安注箱的外形尺寸

表1 Z2CN19－10（控氮）與Z2CN18－10的化學(xué)成分比較（%）

表2 Z2CN19－10（控氮）與Z2CN18－10的力學(xué)性能比較

與Z2CN18－10材料相比，Z2CN19－10（控氮）不銹鋼增加了氮的含量，Cr與Ni的含量比提高，也提高了δ鐵素體的含量。在保證抗腐蝕性能的同時，提高了材料的力學(xué)性能。

2 焊接材料

安注箱選用的TIG焊絲材料為ER308L，焊條為E308L－16。選用埋弧焊焊絲材料為HR308L、GWS－308LM，焊劑為SJ601H、GXS－300A等，分別按照RCC－M 2007版S2910、S2920、S2940等要求進行采購。所有焊材按RCC－M S5000的要求進行焊接材料評定，按S2000的要求進行驗收。

3 焊接工藝評定

RCC－M 2007版中對焊接工藝評定有較大修改，改為以EN ISO15614－1為基礎(chǔ)，并在S篇中增加了補充要求。

3.1 殼體拼縫坡口及焊接參數(shù)

EPR安注箱的殼體厚度為82mm，殼體由4段筒身拼接而成。選用50mm厚度的控氮不銹鋼板作為焊接工藝評定試板，采用手工電弧焊和埋弧自動焊各焊接一副試板，采用對稱坡口，試板的坡口形式，如圖2所示。

圖2 殼體拼縫焊接評定坡口

殼體試板的焊接參數(shù)，如表3所示。

表3 殼體試板的焊接參數(shù)

在試板焊接過程中，由于控氮不銹鋼在焊接時的變形較大，因此應(yīng)頻繁翻身以控制試板兩側(cè)的變形。尤其是第一側(cè)開始時的焊道，當?shù)谝粋?cè)的焊接厚度已達到清根及反面焊接要求后，就應(yīng)及時翻身進行清根，然后再進行反面的焊接。

試板經(jīng)射線檢驗合格后，需進行理化性能檢驗。試板接頭抗拉強度為630／635MPa（SMAW）、605／605MPa（SAW），沖擊試驗及腐蝕試驗等均合格，滿足了標準中的要求。

3.2 封頭拼縫的焊接工藝評定

臺山項目安注箱是首臺有封頭拼縫的EPR安注箱（芬蘭核電項目中安注箱的封頭厚度為67mm，且為整板壓制，沒有拼縫）。封頭的壁厚為82mm，考慮到壓制時封頭壁厚的減薄量，實際選取了厚度為90mm的板材，因封頭直徑和厚度均較大，超出了目前鋼廠板材的制造能力，所以該封頭的板材需拼接。大厚度的封頭壓制只能采用熱壓的方法，熱壓之后，還需對封頭進行一次固熔處理，以恢復(fù)母材的抗腐蝕性能。

為評定封頭拼縫的焊接工藝，需對評定試板進行模擬熱壓及固熔的2次熱處理。為更好地模擬封頭拼縫焊接時的狀態(tài)，選用了相同厚度的90mm控氮不銹鋼試板，采用焊條電弧焊及埋弧焊的焊接方法，各焊一副試板進行工藝評定。選用焊接材料為E308L－16焊條，以及HR308L／SJ601H焊劑。評定試板均采用對稱坡口。試板的坡口形式，如圖3所示。

圖3 封頭拼縫焊接評定坡口

封頭拼縫的焊接參數(shù)與殼體拼縫的焊接參數(shù)相同，如見表3所示。焊接完成后，對試板進行了模擬熱處理。熱處理的溫控曲線，如圖4所示。

圖4 熱處理的溫控曲線

對試板焊后熱處理后，進行試樣的拉伸試驗，試驗所得數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 封頭焊接試樣的拉伸試驗

試樣經(jīng)拉伸檢測后，發(fā)現(xiàn)埋弧焊試板的拉伸強度不合格。

為了提高焊縫的力學(xué)性能，開展了一系列試驗。從調(diào)整焊接參數(shù)、焊絲直徑、材料化學(xué)成分等進行試驗和分析對比，最終與某焊材公司合作研發(fā)了GWS－308LM／GXS－300A焊絲及焊劑，將焊縫金屬材料的拉伸強度提高至標準值以上。最終，仍采用直徑4mm的埋弧焊絲進行焊接，焊接參數(shù)如表3所示。GWS－308LM與原HR308L焊絲及熔敷金屬的成分對比，如表5所示。

表5 HR308L／SJ601H與GWS－308LM／GXS－300A化學(xué)成分對比（驗收值） （%）

3.3 角焊縫的焊接工藝評定

在評定角焊縫焊接工藝時，要求2個相焊部件的厚度都要在評定覆蓋范圍內(nèi)，對于材料厚度t（3～50mm）的焊接工藝評定，適用的母材覆蓋范圍為0.5 t～1.2 t，只有當評定試板厚度≥50mm，才能不限厚度。上限只規(guī)定了1.2t的材料厚度，有些過于嚴格。如果沒有≥50mm的焊接工藝評定，則需要進行多組不同厚度的焊接工藝評定，才能覆蓋制造時所需的板材厚度。

在殼體焊接工藝評定中，因進行了試板厚度50mm電弧焊的焊接工藝評定，因此可覆蓋絕大部分角焊縫的焊接。

3.4 母材補焊的焊接工藝

在安注箱的制造過程中，因不銹鋼材料的硬度較低，在吊裝和運輸過程中，母材表面可能會有碰傷或劃痕。這種表面缺陷的深度很小，比較適合用氬弧焊進行補焊。因此，需增加氬弧焊表面補焊的焊接工藝評定。

評定試板采用厚度50mm的控氮不銹鋼板，在試板上加工一條具有一半厚度的凹槽，使用氬弧焊對凹槽進行補焊，并對凹槽焊縫進行全套理化性能試驗。焊接凹槽的形式，如圖5所示。

圖5 母材補焊評定的焊接形式

4 EPR安注箱的焊接

4.1 封頭拼縫的焊接

封頭焊縫的焊接評定過程中，手工電弧焊采用對稱坡口，單面坡口深度接近45mm，在清根上非常困難，需要采用刨床機加工的方式。因此，為了便于埋弧焊評定及產(chǎn)品焊接，改變了坡口形式，使清根更易操作。封頭拼縫的焊接坡口形式，如圖6所示。

圖6 封頭拼縫的焊接坡口形式

封頭拼縫采用焊條電弧焊加埋弧焊的方法，選用E308L－16焊條，焊絲焊劑為GWS－308LM／GXS－300A。采用手工電弧焊在較深一側(cè)進行打底焊接，焊至約10mm后，反面清根，然后在反面及正面，用埋弧焊交替焊接，直至焊妥。在施焊過程中，嚴格控制層間溫度不高于150℃。焊縫成型良好，變形較小。

由于產(chǎn)品封頭尺寸較大，因此在實際固熔熱處理時，冷卻速度相對評定試板較慢，因此入水時的溫度較高，焊縫性能高于評定試板焊縫的性能。

4.2 殼體縱環(huán)縫的焊接

筒體厚度為82mm，殼體縱、環(huán)縫坡口形式與封頭拼縫坡口形式相近似，較淺一側(cè)的坡口深度為20mm。同樣，采用手工電弧焊加埋弧焊的焊接方法，選用E308L－16焊條，焊絲為HR308L，焊劑為SJ601H。筒身縱、環(huán)縫所受的拘束力較大，因此焊縫不易變形。

4.3 下封頭與連接件環(huán)縫

下封頭與連接件的環(huán)縫坡口形式與封頭拼縫相同，由于是環(huán)向坡口，因此可放在焊接變位機上焊接。工件的坡口位置及焊接狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 下封頭與連接件環(huán)縫的焊接

4.4 吊耳及焊接座與筒身的焊接

吊耳、焊接座與筒身間采用對接焊縫的形式進行焊接。由于筒體直徑很大，馬鞍形座各點相對尺寸的落差值也比較大。吊耳的直徑為400mm，最高與最低點的落差值約14mm。焊接座直徑為600 mm，最大馬鞍形的尺寸落差約33mm。因此，將焊縫坡口加工成平坡口形式，如圖8所示，仍采用焊條電弧焊加埋弧焊的焊接方法。選用E308L－16焊條，焊絲材料為HR308L，焊劑為SJ601H。手工電弧焊打底焊后，采用埋弧焊方法對拉平的部分進行焊接，最后，再采用手工電弧焊對兩側(cè)不規(guī)則的部分進行補焊。

圖8 吊耳及焊接座的焊接坡口

4.5 出口管座及人孔座的焊接

出口管座與下封頭的連接焊縫位置位于下封頭的曲面中心，因此對接焊縫為向心坡口，不存在馬鞍形落差。采用手工電弧焊加埋弧焊的方法。選用E308L－16焊條，焊絲為HR308L，焊劑為SJ601H。焊條電弧焊打底后，采用埋弧焊方法對內(nèi)外兩側(cè)交替進行焊接。

人孔與筒身是對接焊縫，焊縫形式與吊耳、焊接座相似。人孔直徑為976mm，馬鞍形尺寸的最大落差達88mm，已超過筒身壁厚。因此，全部采用手工電弧焊進行焊接。

終接環(huán)縫的內(nèi)側(cè)采用手工電弧焊，外側(cè)清根后，采用埋弧焊進行焊接。選用E308L－16焊條，焊絲為HR308L，焊劑為SJ601H。

5 執(zhí)行RCC－M2007版標準的經(jīng)驗

RCC－M 2007版對焊接工藝的評定，有些不同的要求。

（1）不需要考慮坡口形式的影響。在2000版及2002補遺標準中，坡口形式變化后，如U型、V型，單面、雙面焊縫的坡口變化，都需要重新進行焊接工藝的評定。新版本顯著減少了產(chǎn)品所需進行焊接工藝評定的數(shù)量，減少了工藝評定的工作量。

（2）2007版明確提出了母材分類的概念，所有鋼材按照ISO 15608標準進行分類和分組。某一組別母材評定合格，可以免去該組別其他母材的評定，也節(jié)省了很多工藝評定的工作量。

（3）2007版對焊接位置的替代關(guān)系也有修改。標準中規(guī)定，沖擊試驗應(yīng)在最大熱輸入量的焊接位置（一般是PF）選取試樣，硬度試驗應(yīng)在最小熱輸入量的焊接位置（一般是PC）選取試樣，評審合格后，可在熱輸入量允許范圍內(nèi)覆蓋所有焊接位置。

（4）對于斜接管類焊縫及管子插管焊縫，有了明確的規(guī)定。先前版本中，只是在管道類產(chǎn)品焊縫中有明確要求，容器中的這類焊縫無需特別對待。

按照新版標準，傾斜度超過30°的板插管焊縫，以及全焊透的管插管焊縫，都要在對接評定的基礎(chǔ)上，增加進行模擬件的焊接。對于傾斜角度、管插管焊縫中主管與支管的直徑比值，都規(guī)定了覆蓋范圍。

（5）2007版對角焊縫覆蓋范圍的規(guī)定有待商榷。對于試件厚度在3～50mm之間的焊接工藝評定，適用于母材厚度范圍只有0.5t～1.2t，而且2個相焊部件的母材厚度都要在覆蓋范圍內(nèi)。為擴大評定覆蓋范圍，只能進行多個焊接工藝評定，或焊接50mm厚度以上的試板，這為工藝評定工作帶來了困難。

6 結(jié) 語

（1）Z2CN19－10（控氮）不銹鋼的焊接性能優(yōu)良，使用常規(guī)的低碳不銹鋼焊接材料及焊接參數(shù)，就可滿足焊縫的使用性能。對于要進行熱壓及固熔處理的封頭焊縫，應(yīng)注意調(diào)整焊材的化學(xué)成分，保證焊縫的力學(xué)性能及耐腐蝕性能。

（2）大厚度控氮不銹鋼板的焊接變形較大，應(yīng)選取適當?shù)暮附悠驴诤秃侠淼暮附哟涡?。特別在最初的焊道焊接完成后，應(yīng)及時翻身焊接反面焊道，控制焊接中的變形量。

（3）RCC－M 2007版在焊接評定上，放寬了一些要求，有利于減少焊接評定的數(shù)量。對于非管道類產(chǎn)品中的接管類焊縫有了明確規(guī)定，但對角焊縫的相關(guān)規(guī)定是否合理值得商榷。