HHP-25反應堆壓力容器安全端焊接結(jié)構(gòu)探究
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摘要：鑒于接管與安全端異種金屬焊縫是“hhp-25”反應堆壓力容器最薄弱的環(huán)節(jié)，通過研究控制焊接結(jié)構(gòu)、焊接材料、焊接工藝規(guī)范等要素對焊縫最終質(zhì)量的影響，并分析了焊縫力學性能及抗腐蝕性，從應用效果來看，工藝評定和焊接見證件的焊縫質(zhì)量和性能完全滿足設計要求，從而有效保證了此類焊縫的質(zhì)量。
關鍵詞：HHP-25;反應堆壓力容器;接管;安全端
海洋核動力平臺是將核反應堆與艦船有機結(jié)合，并結(jié)合海洋戰(zhàn)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(yōu)點。“HHP-25”海洋核動力平臺是國家能源重大科技創(chuàng)新示范工程項目，是國內(nèi)首例將小型核反應堆與船舶工程有機結(jié)合，支撐海洋軍民融合發(fā)展、開發(fā)利用新能源和全球能源發(fā)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(chǎn)品。它的工作環(huán)境極其苛刻，不僅需要具備承受高溫高壓及海洋搖擺環(huán)境的能力，產(chǎn)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(zhuǎn)溫度低的特點，在長達40年的使用壽命中還需保證結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)規(guī)格小，且接管與安全端兩種材料的線膨脹系數(shù)相差極大，在長時間的高溫、高壓、腐蝕及海洋搖擺環(huán)境下容易產(chǎn)生應力腐蝕裂紋和造成放射性水介質(zhì)的外泄，從而引發(fā)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(jié)構(gòu)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(zhì)量安全可靠。
1結(jié)構(gòu)設計
“HHP-25”反應堆壓力容器接管材質(zhì)為低合金鋼SA-508Gr.3Cl.1，鍛件含合金元素多，碳當量≤0.705%，焊縫熱影響區(qū)的淬硬傾向高，易產(chǎn)生冷裂紋。安全端材質(zhì)為不銹鋼SA-182F321LN鍛件，其線膨脹系數(shù)比接管的低合金鋼大40%以上，熱導率低，焊后會產(chǎn)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(jié)構(gòu)小型化，焊接過程中對工裝要求高，施焊過程中的熱循環(huán)極易造成應力集中和形成低韌性組織，且焊后容易產(chǎn)生缺陷，加大腐蝕疲勞開裂傾向，降低產(chǎn)品壽命[3-4]。接管與安全端異種接頭結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)影響小等因素。通過對下述兩種焊接結(jié)構(gòu)施焊后進行對比，采用“插裝式”結(jié)構(gòu)（如圖1）比“對接式”（如下頁圖2）具有較大優(yōu)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。
2焊接材料選型
焊接材料選擇線膨脹系數(shù)介于SA-Φ508Gr.3Cl.1和SA-182F321LN之間的鎳基合金焊材，可有效抑制熱影響區(qū)脆性層的產(chǎn)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(shù)低的Inconel690合金，焊材牌號為美國SMC的Inconel52M，焊絲的主要化學成分見表1，焊絲在焊后熱處理態(tài)（PWHT）的力學性能見表2。
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(guī)格小，不僅要完成接管內(nèi)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(chǎn)品見證件的焊接質(zhì)量滿足產(chǎn)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(xiàn)平焊位和橫焊位的全自動無限回轉(zhuǎn)；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(xiàn)全位置全自動回轉(zhuǎn)。兩種位置焊接時采用的焊絲直徑為Φ0.9mm。
3.2熱處理
鎳基隔離層堆焊前將接管內(nèi)壁與端面清理干凈，確保表面無油污及雜質(zhì)，并對待堆面進行100%PT檢測。堆焊前3.2mm時預熱溫度≥121℃，焊縫層間溫度≤250℃；堆焊層超過3.2mm后，繼續(xù)堆焊時預熱溫度≥10℃，層間溫度≤177℃；焊后為防止冷裂紋的出現(xiàn)，立即進行232～400℃×4h的后熱處理。為避免焊后母材熱影響區(qū)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℃×1h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(guī)范
焊縫質(zhì)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(zhì)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(cè)壁的良好熔合，保護氣采用99.999%的高純氬。經(jīng)過多次試驗獲得的焊接工藝參數(shù)見表3、表4，焊縫成形良好，無咬邊、氣孔、弧坑等缺陷。
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(jié)果
通過對焊接結(jié)構(gòu)、填充材料、工藝規(guī)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(zhì)量滿足技術(shù)規(guī)格書要求。工藝評定的理化試驗結(jié)果見表5—表8，全部滿足設計要求。
5結(jié)語
通過嚴格控制焊接結(jié)構(gòu)、焊接材料、焊接工藝規(guī)范、施焊清潔度等一系列措施，降低了焊縫質(zhì)量的不合格率，工藝評定和焊接見證件的焊縫質(zhì)量和性能均完全滿足“HHP-25”平臺異種金屬焊縫技術(shù)規(guī)格書要求，保證了反應堆壓力容器的產(chǎn)品質(zhì)量，為海洋核動力平臺的安全穩(wěn)定運行提供了保障。
作者:劉澤鋒 單位:太原重工股份有限公司