单层均质电渣堆焊在VVER型核电机组稳压器上的应用.pdf

收稿日期：作者简介：吴庆（），男，江苏潥阳人，正高级工程师，学士学位，研究方向：材料、焊接、热处理（：）。单层均质电渣堆焊在 型核电机组稳压器上的应用吴庆（江苏核电有限公司，江苏连云港 ）摘要：传统的核电机组主设备内表面防腐蚀堆焊采用双层埋弧自动焊工艺，焊材用量大，耗时高，堆焊层缺陷较多，单层均质电渣堆焊工艺的技术及经济指标更为优异，但因焊材质量问题一直未能得到实际应用。通过实验选用了 焊带与 焊剂的焊材组合，采用电渣堆焊工艺熔敷单层均质防腐蚀层，其熔敷金属在综合机械性能、抗晶间腐蚀能力、稳定的抗热裂纹形成能力、避免再热裂纹等方面满足标准要求，并具有非金属夹杂含量低，焊接缺陷少等特点。经论证可以用于 型核电机组稳压器内表面防腐蚀层的堆焊，并总结了实际堆焊时应注意的问题与改进措施。关键词：稳压器；单层均质防腐蚀层；电渣堆焊；外部磁场；熔敷金属中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（，）：，：；：（）型机组稳压器属于压水堆核电机组一回 路 主 设 备，内 径 为 ，容 积 为 ，设 计 压 力 为 ，设 计 温 度 为 ，由牌号 低合金钢制成。为了避免一回路冷却剂的腐蚀，需在其内表面堆焊奥氏体防腐蚀层。传统的内表面堆焊采用双层埋弧堆焊工艺，过渡层材料为 ，盖面层为 ，总厚度。该堆焊熔敷金属中母材稀释率达 ，堆焊层数多导致微缺陷多，焊接残余应力增加，组织不均匀性较大，产生热裂纹和晶间腐蚀的倾向增 大，且 母 材 热 影 响 区 有 形 成 再 热 裂 纹 的风险。单层均质防腐蚀层采用电渣堆焊工艺，堆焊一遍成型，厚度为。电渣堆焊利用电阻热熔化焊剂形成渣池，电流通过导电的渣池产生热量，温度大约 ，焊带在渣池中熔化，因此母材熔深仅为，熔敷金属中母材稀释率为，。与双层埋弧焊相比，单层均质电渣堆焊可以减少材料用量和工时，具有很高的经济性，二者的技术和经济指标对比见表。表两种堆焊工艺的技术和经济指标 技术和经济指标双层埋弧堆焊单层电渣堆焊生产效率（）焊剂消耗（）焊渣相对质量 焊道宽度 焊道高度 母材稀释率 热量输入（）世 纪 年 代 俄 罗 斯 研 发 了 焊带和 熔炼焊剂的单层均质电渣堆焊材料，但因其质量不稳定，熔敷金属中碳含量不能始终满足 的要求，无法保证稳定的抗晶间腐蚀性能，因此单层均质电渣堆焊未能在主设备上真正使用。为使该工艺能实际 应 用 到 型 核 电 机 组 主 设 备 上，从 年起，俄罗斯中央材料院和伊佐尔厂开展了多种焊材组合的试验，最终选用 公司的 （）焊 带 和 焊剂完成了单层均质防腐层电渣堆焊工艺的研究和开发。经论证其具有优良的堆焊质量，可以用于 型核电机组稳压器内部防腐蚀层堆焊上。单层均质电渣堆焊焊接工艺选择 焊材选择根据多 种 牌 号 焊 材 组 合 的 试 验 结 果，焊带和 焊剂焊接得到的熔敷金属化学成分与 焊带匹配 焊剂的熔敷金属成分类似，并且熔敷金属中的铁素体含量为，两者焊材熔敷金属的化学成分见表。电渣堆焊要求熔渣池具有导电性，提高焊剂中氟化物含量可以增加渣池的电导率，氟化物含量超过 为熔渣熔化，焊剂中 比例为。表单层均质防腐层熔敷金属化学成分 堆焊焊材组合标准元素含量 施加外部磁场 保证焊道成型电渣堆焊的电流从焊带平行地流向熔池尾部，所产生的力使熔渣和熔融金属从熔池的边缘向中心移动，造成焊道边缘处熔融金属不足而产生咬边。通过施加外部磁场，产生等于或略大于焊接流体力的反向洛伦兹力，来保证将熔融金属均布到焊道边缘部位，消除沿其边缘和搭接处的凹陷和咬边，获得表面成型良好的焊道。外部磁场的电流越大，熔融金属向边缘的流动性越大，但母材稀释率也随之增加，因此外部磁场仅需弱到不产生咬边即可，并且外加磁场的电流与焊带宽度成正比，小于 宽的焊带无需外加磁场。洛伦兹力与外部磁场的关系见表，的电流通过线圈产生 的力，该力可以完全满足熔渣和熔融金属的流动力，不会产生咬边，堆焊表面质量如图所示。表电磁线圈电流与洛伦兹力之间的关系 通过电磁线圈的电流 磁场（实测）洛伦兹力（计算值）（）图熔敷金属表面质量 确定焊接工艺参数电渣堆焊焊接工艺参数与焊道高度、母材稀释率以及铁素体含量之间关系密切。焊道高度随着电流、电压的增大而增加，与焊接速度成反比；母材稀释率随着电压的增加而减少，与焊接速度成正比；铁素体含量与电流和电压成正比，与焊接速度呈线性下降关系。经试验，不同截面尺寸 焊 带 的 电 渣 堆 焊 最 佳 焊 接 工 艺 参 数 见表。表不同截面尺寸焊带最佳焊接工艺参数 截面尺寸电流电压堆焊速度（）伸出长度焊剂堆高 堆焊质量验证为了验证 焊带和 焊剂的熔敷金属是否能够满足 型核电机组稳压器内表面防腐蚀层的质量要求，在试板上进行了连续单层焊道的熔敷，取样并对试样进行 的 回火热处理，进行了相关验证实验。金相组织熔敷金属的微观组织：熔合区是 宽的低碳马氏体组织过渡层如图（）所示，热处理 后 该 过 渡 层 增 加 到 如 图（）所示，表明热处理后增加不大。初始状态熔敷金属是带有铁素体相的奥氏体组织，铁素体以 分 散 沉 淀 和 网 状 碎 片 的 形 式 呈 现 如 图（）所示，经回火热处理后仅极少部分相铁素体转化为相如图（）所示，表明初始状态和热处理后热影响区的组织均未改变。图熔合区微观组织 图熔敷金属微观组织 图为堆焊层在初始状态和热处理后显微硬度的变化。图中陡峭的曲线突变是低碳马氏体组织熔合区；热影响区显微硬度增加，随着离开熔合线的距离越远，显微硬度下降，热处理后热影响区的塑性性能增加，熔敷金属回火热处理后显微硬度有一定增加。机械性能熔敷金属机械性能实验证明其机械性能能够满足要求，见表。初始状态和热处理后带母材和熔敷金属的静态弯曲试样沿着和垂直于堆焊方向切割，试样正面弯曲的弯曲角度为 ，侧面弯曲的弯曲角度为 ，静态弯曲实验结果证明在拉伸表面、侧面以及熔敷金属与母材的熔合区均未发现裂纹、分层和其他缺陷。图堆焊层显微硬度变化 表熔敷金属试样机械性能 熔敷金属状态试验温度下的机械性能 ，冲击韧性（）标准值 初始状态 热处理后 抗晶间腐蚀性能 焊带属于超低碳不锈钢，并添加了铌元素，铌碳。抗晶间腐蚀试验按照俄罗斯标准 ，采用法对熔敷金属初始状态和热处理后的样品进行实验，结果证实熔敷金属具有良好的抗晶间腐蚀性能。抗热裂纹性能熔敷金属中铁素体含量是决定热裂纹敏感性的关键指标，如果组织中有少量铁素体，则抗裂性会显著提高，因为铁素体破坏了奥氏体晶粒的连续性，变为横晶，成为奥氏体晶体之间的中间层。因此，要求熔敷金属中铁素体含量必须在区间。检验熔敷金属是否具备抗热裂纹性能还需通过抗热裂性实验，用倍的放大镜在熔敷金属酸蚀后的宏观磨片上进行检查，实验结果表明，无论是在初始状态还是在最长的回火热处理周期后的宏观磨片上都未发现热裂纹。热影响区再热裂纹倾向传统的双层埋弧堆焊曾发现过在珠光体钢热影响区中出现层下裂纹的情况，这种层下裂纹容易在多道焊的后续焊道对前面焊道的热影响或焊后热处理的热循环作用而形成。电渣堆焊由于热输入线能量较埋弧堆焊低，并且熔合区窄，热影响区组织不易发生变化，因此相比埋弧焊产生再热裂纹的几率低。母材去除防腐层后焊道搭接区域试样弯曲实验也证明了未发现层下裂纹。焊接缺陷与埋弧焊相比，电渣堆焊由于焊道被高温熔渣覆盖，焊缝金属凝固速率较低，有利于气体和夹杂类的上浮，因此熔敷金属中非金属夹杂少，气孔类和夹渣类缺陷少。外加磁场可以获得成型良好的焊道边缘和浸润角，消除咬边。无损检测证明了熔合区和熔敷金属内部很少产生未熔合和夹渣类缺陷。问题改进虽然单层均质电渣堆焊具有上述很多优点，但实际施焊前还需注意以下内容，才能获得高质量的堆焊层。）熔敷金属化学成分检测取样位置：因为单层均质熔敷金属必须反映母材稀释的作用，代表熔敷金属中合金化元素的实际含量（特别是铬元素），因此焊材入厂复验的化学成分检测取样位置应在只堆焊一遍熔敷金属上取样，而不能在堆焊多遍的熔敷金属上取样。）合理调整磁控装置电流：由于需要采用外加磁控装置来防止咬边，实际施焊时必须合理布置磁极位置，分别调整南、北两个磁极的磁控电流，通过试焊观察焊道的浸润角和表面成型状况来确定两边激磁电流各自的大小，保证电流尽可能地小。）返修焊材：目前还无匹配的单层均质返修焊材，对于熔合区缺陷的返修仍需采用 和 焊丝的双层氩弧堆焊，或对应的药皮焊条手工电弧焊。）避免熔合区未熔合：由于母材熔深浅，操作不当或焊接工况调整不当会出现与熔合区或道间未熔合的可能性。实际电渣堆焊的缺陷大多属未熔合缺陷，避免了未熔合缺陷，也就避免了焊缝返修。）在其他主设备上的应用：由于单层均质电渣堆焊熔敷层厚度仅为 左右，无法直接推广应用到需要进行内表面防腐蚀层机加工的主设备上，如反应堆压力容器和蒸汽发生器集流管。由于单层均质堆焊熔敷金属中缺陷少、热输入小对母材产生的热影响小以及焊接应力小等优点，因此应用在上述设备上能够避免上述设备在役期间易出现的问题。针对这些主设备的单层均质堆焊可以采用堆焊两层均质防腐层的方式，但需开展后续实验研究。）焊带中铌含量的控制：焊带属超低碳不锈钢，并且高含量的铌进入熔合区会有层下裂纹的风险，因此铌含量应取下限。特别要通过无损检测的方法检测熔合区和热影响区是否有层下裂纹。结论实验证明 焊带与 焊剂的电渣堆焊单层均质防腐蚀层具有良好的综合机械性能、抗晶间腐蚀能力和稳定的抗热裂纹形成能力，并且非金属夹杂少，不易形成气孔、未熔合、夹渣、再热裂纹等缺陷，可以用于 型核电机组稳压器和安注箱的制造。目前单层均质防腐蚀层电渣堆焊工艺已在国内台 机组核电机组稳压器上得到应用。参考文献：（），（），（下转第 页）续表布置示意图边界约束频率因子变形应力因子 速度应力因子 （）固支简支 公式公式（）公式（）公式（）规范给出了具体的管道振动限值计算公式，不同的边界约束条件可通过相应系数进行折算。根据以上分析结果可知，该 公式仅适用于管道的横向振动，在实际应用该公式过程中需要加以注意。参考文献：，：国家能源局 火力发电厂汽水管道振动控制导则：国家能源局核电厂管道系统振动试验：国家能源局核电厂管道系统振动测试与评估：（上接第 页），：核 动 力 装 置 的 设 备 和 管 道 焊 接 和 堆 焊 的 基 本 规 则 莫斯科，（），：，