宋聚海，白科財

(1.洛陽船舶材料研究所/洛陽雙瑞特種合金材料有限公司，河南 洛陽 471003；2.山東核電設(shè)備制造有限公司，山東 海陽 265100)

核電站設(shè)計采用縱深防御準則，設(shè)置了3道安全屏障，鋼制安全殼不僅是反應(yīng)堆廠房的內(nèi)層屏蔽結(jié)構(gòu)，還是反應(yīng)堆廠房的一道重要安全屏障，它可以在反應(yīng)堆冷卻劑失水事故中包容從堆芯來的輻射[1]。人員閘門、設(shè)備閘門是安全殼的一部分，是連接安全殼內(nèi)外的人員通道和設(shè)備運輸通道，作為安全殼壓力邊界的組成部分，在反應(yīng)堆正常運行工況、異常運行工況和事故工況期間，應(yīng)確保安全殼壓力邊界該部位的完整性和密封性。

人員閘門、設(shè)備閘門某些部件在設(shè)計上采用130 mm厚的低合金SA738 Gr.B鋼板，其焊接坡口示意圖如圖1所示[2]，對應(yīng)焊接焊縫為對接核安全二級承壓焊縫。由于所選用鋼板材較厚，焊接有一定的技術(shù)難度[3]。

根據(jù)《民用核安全設(shè)備監(jiān)督管理條例》相關(guān)規(guī)定，制造相應(yīng)核安全級別設(shè)備的制造廠需具有相應(yīng)的制造許可資質(zhì)，且在核安全局的監(jiān)督管理下進行相關(guān)制造活動。本文從制造材料、焊接工藝、產(chǎn)品焊縫試板和人員資質(zhì)等方面，對人員閘門、設(shè)備閘門制造技術(shù)條件進行分析總結(jié)，為該類核電站人員閘門、設(shè)備閘門的高質(zhì)量制造提供參考。

圖1 130 mm鋼板焊接坡口示意圖

1 閘門主要制造用材料

閘門為SC-2核安全級別。為確保設(shè)備質(zhì)量滿足設(shè)計的服役條件及服役壽命要求，制造中所采用的原材料應(yīng)按照技術(shù)文件的要求進行入場復(fù)驗。復(fù)驗深度符合相關(guān)技術(shù)文件，復(fù)驗頻次為逐批次復(fù)驗，且所有材料應(yīng)滿足ASME Ⅲ NCA分卷要求。

1.1 SA738 Gr.B鋼板

SA738 Gr.B鋼板是一種高強調(diào)質(zhì)鋼板，為美國ASME規(guī)范中的牌號，常用于核電工程上核級部件的制造。一般要求其屈服強度≥415 MPa，抗拉強度為585～700 MPa。該類鋼板合金添加較少，但力學(xué)性能比國內(nèi)15CrMoR類的壓力容器鋼板高出很多[4]。SA738 Gr.B鋼板交貨狀態(tài)為淬火+回火狀態(tài)[5]，其主要化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2。

表1 SA738 Gr.B鋼板化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)

表2 SA738 Gr.B鋼板力學(xué)性能

1.2 焊接材料

為提高130 mm的超厚鋼板焊接效率，優(yōu)先考慮采用埋弧焊接工藝。目前，相應(yīng)的配套埋弧焊接材料尚處于工程應(yīng)用驗證試驗階段。本文采用焊條電弧焊進行打底焊接，熔化極氣體保護焊進行填充、蓋面焊接的工藝方法。焊接填充材料包括焊條電弧焊(SMAW)用E9018-G-H4型號焊條和熔化極氣體保護焊用ER90S-G焊絲，采用20%Ar+80%CO2混合氣體作為保護氣體[6]。

E9018-G-H4焊條具有飛濺少、易引弧、焊接脫渣性好等優(yōu)良特性，其未稀釋熔敷金屬化學(xué)成分及主要力學(xué)性能見表3和表4。焊條使用前采用380 ℃×1 h的烘焙制度進行烘焙，并在150 ℃條件下保溫待用。

表3 E9018-G-H4焊條未稀釋熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)

表4 E9018-G-H4焊條未稀釋熔敷金屬力學(xué)性能

熔化極氣保焊絲采用直徑為1.2 mm的ER90S-G焊絲，匹配20%Ar+80%CO2混合氣，具有焊接飛濺少、電弧穩(wěn)定、熔敷效率高和焊接熔池清晰等優(yōu)良特性，其化學(xué)成分及主要力學(xué)性能見表5和表6。

表5 ER90S-G焊絲化學(xué)成分 (%)

表6 ER90S-G焊絲力學(xué)性能

2 焊接工藝

2.1 工藝評定技術(shù)標準

人員閘門、設(shè)備閘門焊接工藝應(yīng)在產(chǎn)品施焊前完成評定，并按照采購合同要求提交采購方進行審核或備案。焊接工藝評定參考ASME Ⅸ、ASME Ⅲ NE分卷及產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書。

2.2 工藝評定內(nèi)容

工藝評定前，應(yīng)參考閘門設(shè)計文件，根據(jù)產(chǎn)品實際情況(焊接材料、制造工期、板厚和預(yù)計焊接位置等)進行工藝評定的策劃，盡可能減少工藝評定的數(shù)量。

人員閘門、設(shè)備閘門中均涉及到130 mm厚SA738 Gr.B鋼板的焊接，根據(jù)ASME Ⅸ，對于SMAW、GMAW焊接方法，工藝評定試驗試板板厚為38～150 mm時，評定的母材厚度為5～200 mm。在實際工藝評定工作中，采用40 mm厚鋼板進行評定的工藝即可覆蓋實際產(chǎn)品中130 mm厚SA738 Gr.B鋼板的焊接工藝要求。

為防止大厚鋼板焊接冷裂紋的產(chǎn)生，焊前應(yīng)對鋼板進行預(yù)熱，并對預(yù)熱溫度進行控制，如果預(yù)熱溫度過高，會使熱影響區(qū)冷卻速度過于緩慢，從而在該區(qū)內(nèi)產(chǎn)生馬奧組織和粗大的貝氏體，使強度下降，韌性變差[7]。工藝評定中預(yù)熱溫度參考文獻[8]中Y型坡口試驗結(jié)果，一般為100～200 ℃。

根據(jù)ASME Ⅸ[9]規(guī)范，熱處理是焊接變素中的重要變素，本文中SA738 Gr.B鋼板為ASME Ⅸ中P-1材料，根據(jù)ASME NE[10]，要求P-1材料最大免除焊后熱處理的厚度為44 mm，本文鋼板最大厚度為130 mm，超出免除焊后熱處理的范圍，因此工藝評定應(yīng)覆蓋、滿足實際產(chǎn)品焊后熱處理的要求，并考慮設(shè)備服役過程中可能出現(xiàn)的返修。在實際的工藝評定工作中，適當(dāng)延長熱處理評定的時間，根據(jù)單堆設(shè)計的60年服役期，本文考慮≥3次的返修。在熱處理溫度選擇方面，SA738 Gr.B鋼板為淬火加回火處理的調(diào)質(zhì)鋼，如果熱處理溫度超過回火溫度，則鋼板失去調(diào)質(zhì)效果，其強度和韌性都會受到破壞；因此，應(yīng)采用低溫長時間保溫的熱處理方法。本文建議采用熱處理溫度為(605±5) ℃，保溫10 h。

SA738 Gr.B鋼板成分中含有錳、硅、鉻、鎳和鉬等可提高鋼的淬透性和馬氏體回火穩(wěn)定性的元素，推遲珠光體和貝氏體的轉(zhuǎn)變，使產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速率降低，從而提高淬透性和抗回火性。由于含碳量低，淬火后得到低碳馬氏體，并且會發(fā)生自回火現(xiàn)象，脆性傾向小，因此，SA738 Gr.B鋼板本身焊接性較好。但是由于閘門制造用SA738 Gr.B有超厚度鋼板的焊接，其實際的焊接性受到試件厚度的影響。在焊接參數(shù)選擇方面，一方面高的熱輸入會降低接頭的韌性和強度[11]；另一方面，應(yīng)盡可能避免熱影響區(qū)脆化、軟化及液化裂紋的產(chǎn)生。本文建議在實際的設(shè)備制造生產(chǎn)活動中采用多層多道、小規(guī)范焊接的工藝措施。

2.3 工藝評定試驗

工藝評定的焊接試件在進行焊后熱處理、RT檢測合格后，按照設(shè)備技術(shù)規(guī)格書的要求進行相應(yīng)的理化檢測試驗，主要試驗內(nèi)容有：拉伸試驗、側(cè)彎試驗、宏觀金相、焊縫低溫沖擊(-29 ℃)、熱影響區(qū)沖擊值(-29 ℃)及焊縫金屬化學(xué)成分等。評定焊接試件取樣圖如圖2所示。試驗項目及數(shù)量見表7。

圖2 試驗試樣取樣部位示意圖

表7 對接焊縫評定試驗項目及數(shù)量

2.3.1 拉伸試驗

在拉伸試驗取樣時，為保證試驗的代表性，應(yīng)對評定試板全厚度進行取樣，拉伸試驗機性能受限時，可以采用分層取樣，采用多個試樣代替全板厚試樣時，應(yīng)將每組試樣看成相當(dāng)于一個要求拉伸試驗的全板厚單個試樣。根據(jù)ASME Ⅸ，對于兩側(cè)相同母材的焊縫，抗拉強度應(yīng)不小于母材規(guī)定的最小強度方為合格。如果拉伸試樣斷裂在焊縫或熔合區(qū)以外的母材上，只要抗拉強度不低于母材規(guī)定最小抗拉強度的95%，即認可拉伸試驗結(jié)果合格。

2.3.2 側(cè)彎試驗

對于本文討論的SA738 Gr.B鋼板焊接工藝評定，側(cè)彎試驗時采用壓頭直徑為4倍側(cè)彎試樣厚度，彎曲180°后，檢查試件受檢面的焊縫和熱影響區(qū)，在任何方向上不得有任何>3.2 mm的開口缺陷為合格，側(cè)彎檢查試樣如圖3所示。

圖3 試件側(cè)彎凸面圖

2.3.3 沖擊試驗

沖擊試驗按照產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)文件進行，沖擊試驗溫度的選擇取決于設(shè)備設(shè)計的服役溫度，對接接頭一般要求對焊縫及HAZ分別進行沖擊試驗。本文討論沖擊試驗考核指標為-29 ℃，吸收能量均值≥54 J(單個最小值≥40 J)，側(cè)向膨脹量≥0.38 mm。

一般情況下，評定的母材、焊材確定后，對吸收能量影響最大的因素是焊縫的熱輸入量，減少線能量的輸入可以提高焊縫的力學(xué)性能。采用小電流多道快速焊接，并嚴格控制層道間溫度，減少熱輸入，可以有效保證焊縫的焊接性能。

2.3.4 宏觀金相試驗

宏觀金相檢測試驗要求受檢面焊縫金屬和熱影響區(qū)完全熔合，無裂紋為合格。

2.3.5 焊縫金屬硬度測試

焊縫金屬硬度測試可與金相測試采用同一個試樣，焊縫金屬硬度與焊縫金屬的強度、殘余應(yīng)力、夾渣物數(shù)量、夾渣物種類及形貌等有關(guān)。在實際工藝評定中提供實測值。

2.3.6 焊縫金屬化學(xué)成分

焊縫金屬化學(xué)成分與母材、填充材料成分及融合比有關(guān)，工藝評定中提供實測值。

3 產(chǎn)品焊縫試板

產(chǎn)品焊縫試板是在產(chǎn)品焊縫焊接過程中，采用與產(chǎn)品相同批次母材、相同批次焊接填充材料、相同焊接工藝及由同一焊工進行焊接的試板，試板完成焊接后，隨產(chǎn)品進行相同條件的熱處理及無損檢測。產(chǎn)品焊縫試板制作數(shù)量及方式應(yīng)滿足產(chǎn)品制造技術(shù)規(guī)格書的要求，試板的尺寸應(yīng)滿足試驗取樣要求。對于厚度為130 mm的產(chǎn)品焊縫，其產(chǎn)品焊縫試板厚度同產(chǎn)品一樣為130 mm，其側(cè)彎、拉伸均應(yīng)進行分層取樣，其他試樣應(yīng)根據(jù)不用的焊接方法明確取樣位置。進行產(chǎn)品焊縫試板試樣理化試驗過程中，如果出現(xiàn)不合格的項，允許進行復(fù)驗。

4 人員資質(zhì)

人員資質(zhì)是確保制造活動滿足制造能力要求的一個重要指標，有資質(zhì)的人員采用合格的設(shè)備，遵循受控的工藝才能制造出質(zhì)量受控的產(chǎn)品。人員閘門、設(shè)備閘門制造過程中，焊工焊接操作工均應(yīng)取得相應(yīng)的HAF焊工資質(zhì)，針對本文探析的手工焊條電弧焊和熔化極氣體保護焊2種焊接方法，焊工應(yīng)取得的資質(zhì)見表8，應(yīng)在資質(zhì)有效期內(nèi)進行施焊。閘門在制造過程中，相應(yīng)的無損檢測活動等均應(yīng)由具有相應(yīng)資質(zhì)的人員進行。

表8 閘門焊工焊接操作工HAF資質(zhì)

5 結(jié)語

本文根據(jù)某三代先進壓水堆人員閘門、設(shè)備閘門設(shè)計制造要求，從制造材料、焊接工藝、產(chǎn)品焊縫試板和人員資質(zhì)等方面進行分析總結(jié)，得出結(jié)論如下。

1)人員閘門、設(shè)備閘門中，130 mm厚SA738 Gr.B鋼板可以采用40 mm厚鋼板評定合格的工藝進行焊接，評定的位置、熱處理制度等應(yīng)能夠同時覆蓋實際產(chǎn)品的焊接。

2)為確保焊縫金屬的各項力學(xué)性能，130 mm厚SA738 Gr.B鋼板焊接應(yīng)采用小規(guī)范參數(shù)施焊。采用的X型坡口有利于焊接成型中的變形控制。

3)核級設(shè)備制造活動中人員資質(zhì)、所采用的材料、使用的設(shè)備和采用的制造工藝等均應(yīng)滿足制造活動的要求，且是受控的。

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