HHP-25反應(yīng)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(yīng)堆壓力容器最薄弱的環(huán)節(jié)，通過(guò)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(duì)焊縫最終質(zhì)量的影響，并分析了焊縫力學(xué)性能及抗腐蝕性，從應(yīng)用效果來(lái)看，工藝評(píng)定和焊接見(jiàn)證件的焊縫質(zhì)量和性能完全滿足設(shè)計(jì)要求，從而有效保證了此類(lèi)焊縫的質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：HHP-25;反應(yīng)堆壓力容器;接管;安全端
海洋核動(dòng)力平臺(tái)是將核反應(yīng)堆與艦船有機(jī)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(tái)、偏遠(yuǎn)島嶼、港口城市提供安全有效的能源補(bǔ)給。它具有一次裝料運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、平臺(tái)機(jī)動(dòng)性高、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。“HHP-25”海洋核動(dòng)力平臺(tái)是國(guó)家能源重大科技創(chuàng)新示范工程項(xiàng)目，是國(guó)內(nèi)首例將小型核反應(yīng)堆與船舶工程有機(jī)結(jié)合，支撐海洋軍民融合發(fā)展、開(kāi)發(fā)利用新能源和全球能源發(fā)展的重大工程[1]。反應(yīng)堆壓力容器是“HHP-25”平臺(tái)中最關(guān)鍵的承壓設(shè)備，屬于核安全一級(jí)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(diǎn)，在長(zhǎng)達(dá)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(dòng)力平臺(tái)反應(yīng)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(zhǎng)時(shí)間的高溫、高壓、腐蝕及海洋搖擺環(huán)境下容易產(chǎn)生應(yīng)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(guò)熱熔化的大型安全事故[2]。本文從“HHP-25”反應(yīng)堆壓力容器接管安全端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型、工藝控制等方面進(jìn)行研究，分析焊縫力學(xué)性能及抗腐蝕性，保證焊縫質(zhì)量安全可靠。
1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
“HHP-25”反應(yīng)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(dāng)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(dǎo)率低，焊后會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。由于“HHP-25”反應(yīng)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(guò)程中對(duì)工裝要求高，施焊過(guò)程中的熱循環(huán)極易造成應(yīng)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(kāi)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(shè)計(jì)時(shí)需滿足焊縫對(duì)接全熔透、易于焊后無(wú)損檢測(cè)、焊接變形對(duì)結(jié)構(gòu)影響小等因素。通過(guò)對(duì)下述兩種焊接結(jié)構(gòu)施焊后進(jìn)行對(duì)比，采用“插裝式”結(jié)構(gòu)（如圖1）比“對(duì)接式”（如下頁(yè)圖2）具有較大優(yōu)點(diǎn)：在焊接裝配操作方便，無(wú)需單獨(dú)設(shè)置工裝，易于控制變形；單面焊后直接機(jī)加工預(yù)留端，無(wú)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(hù)較差帶來(lái)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(yīng)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(hào)為美國(guó)SMC的Inconel52M，焊絲的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，焊絲在焊后熱處理態(tài)（PWHT）的力學(xué)性能見(jiàn)表2。
3焊接工藝控制
由于“HHP-25”反應(yīng)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(duì)接焊，因此對(duì)焊接工藝要求極為苛刻。通過(guò)在焊接中控制以下幾種關(guān)鍵因素，可使工藝評(píng)定和產(chǎn)品見(jiàn)證件的焊接質(zhì)量滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。
3.1焊接方法
接管預(yù)堆邊的堆焊方法采用小管徑自動(dòng)TIG焊，設(shè)備采用寶利蘇迪小管徑氬弧焊機(jī)，焊機(jī)可實(shí)現(xiàn)平焊位和橫焊位的全自動(dòng)無(wú)限回轉(zhuǎn)；預(yù)堆邊與安全端的對(duì)接焊采用熱絲TIG焊，設(shè)備采用寶利蘇迪熱絲TIG焊機(jī)，焊接可實(shí)現(xiàn)全位置全自動(dòng)回轉(zhuǎn)。兩種位置焊接時(shí)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(wú)油污及雜質(zhì)，并對(duì)待堆面進(jìn)行100%PT檢測(cè)。堆焊前3.2mm時(shí)預(yù)熱溫度≥121℃，焊縫層間溫度≤250℃；堆焊層超過(guò)3.2mm后，繼續(xù)堆焊時(shí)預(yù)熱溫度≥10℃，層間溫度≤177℃；焊后為防止冷裂紋的出現(xiàn)，立即進(jìn)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(yīng)力和有效控制擴(kuò)散氫，對(duì)預(yù)堆邊進(jìn)行595～620℃×1h的消除應(yīng)力熱處理。隔離層與安全端對(duì)接焊時(shí)嚴(yán)格控制焊縫溫度，預(yù)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(lái)保證。焊接電流過(guò)大會(huì)增大裂紋敏感性及析出物傾向；通過(guò)控制焊接電壓弧長(zhǎng)集中能量來(lái)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(hù)氣采用99.999%的高純氬。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)獲得的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3、表4，焊縫成形良好，無(wú)咬邊、氣孔、弧坑等缺陷。
3.4清潔
鎳基合金焊接時(shí)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(shí)沒(méi)有徹底清除氧化膜則會(huì)形成夾渣。接管安全端焊接時(shí)采用不銹鋼鋼絲刷對(duì)每道、每層焊縫表面進(jìn)行氧化膜清理，保持焊道表面清潔，氧化膜厚的地方用風(fēng)銑清理，焊道收弧處用鋁基無(wú)鐵砂輪打磨避免弧坑裂紋。
4試驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)、填充材料、工藝規(guī)范、表面清潔度等方面進(jìn)行控制，實(shí)施工藝評(píng)定以及對(duì)焊接見(jiàn)證件進(jìn)行施焊，并在焊后對(duì)力學(xué)性能和抗腐特性進(jìn)行測(cè)算，使焊縫質(zhì)量滿足技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。工藝評(píng)定的理化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5—表8，全部滿足設(shè)計(jì)要求。
5結(jié)語(yǔ)
通過(guò)嚴(yán)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(píng)定和焊接見(jiàn)證件的焊縫質(zhì)量和性能均完全滿足“HHP-25”平臺(tái)異種金屬焊縫技術(shù)規(guī)格書(shū)要求，保證了反應(yīng)堆壓力容器的產(chǎn)品質(zhì)量，為海洋核動(dòng)力平臺(tái)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。
作者:劉澤鋒 單位:太原重工股份有限公司