核反應堆設備

    AP1000正常余熱排出系統RNS執行停堆工況下低溫超壓保護、將堆芯衰變熱帶出,冷卻堆芯,事故工況后向反應堆冷卻劑系統補水以及冷卻安全殼內置換料水箱等[1].正常余熱排出泵管嘴帶ERNiCr3鎳基堆焊層與Type304L奧氏體不銹鋼管道焊接,如圖1所示,采用ER308L焊絲,GTAW焊打底焊過程中發現焊縫表面產生裂紋,且多處存在類似情況.由于缺陷的存在對核電站的安全運行造成極大的隱患,所以分析焊接裂紋的產生原因,采用合理正確的預防措施,對確保核電站質量和運行有重要意義.

    1 裂紋產生原因分析

    由試驗結果驗證:由于鐵素體一方面打亂單一奧氏體柱狀晶的結晶方向性,細化晶粒.由于鐵素體鉻含量高于奧氏體,而且鉻在鐵素體中的擴散比在奧氏體中快得多,所以可以幫助克服任何貧鉻問題.M23C6碳化物傾向于在凹凸不平的鐵素體-奧氏體邊界析出,而不是在通常比較直的奧氏體-奧氏體邊界析出.所以這些因素都大大限制了在含有鐵素體的奧氏體不銹鋼焊縫金屬的敏化.

    S、P低熔共晶的存在擴大凝固溫度范圍,當焊接過程中大部分晶粒邊界仍然處于液態,增加了熱裂紋的敏感性.而鐵素體存在另一方面可以破壞焊縫結晶時低熔液態薄膜的連續性,且鐵素體對硫、磷等雜質有較高的溶解度,這樣以鐵素體為初始相的凝固過程中就能夠限制這些雜質元素在枝晶間的偏聚.

    出現奧氏體+鐵素體組織,產生凹凸不平的晶界而改變晶界浸潤性質,液體薄膜很難浸潤該邊界,且裂紋一旦起裂,很難在這個凹凸不平的邊界上擴展.

    純奧氏體組織晶界平直,低熔共晶液態薄膜容易浸潤該晶界,抗裂性差.圖2為不含鐵素體和含有鐵素體在奧氏體基體分布圖。

圖2  不含鐵素體和含有鐵素體在奧氏體基體分布圖

    打底焊焊道的表面為凹形,凹形表面受到焊趾和焊根的拉應力作用,同時奧氏體不銹鋼導熱系數小,線膨脹系數大,在焊接局部加熱和冷卻條件下,接頭在冷卻過程中形成大的拉應力.

    采用ER308L焊絲焊接鎳基合金與304L不銹鋼焊縫金屬以A模式凝固時為全奧氏體(不含鐵素體),此時熱裂紋最為敏感,分布在晶界的S、P低熔共晶液態薄膜與拉應力共同作用下產生了熱裂紋.

    2 改善焊縫腐蝕和抗熱裂紋措施

    為了提高焊縫耐腐蝕性和抗熱裂紋性能,焊絲改為ERNiCrFe3,提高了焊縫鎳含量,提高晶粒整體電極電位和耐腐蝕性.

    焊接順序進行調整,正式焊接之前采用ERNiCrFe3鎳基焊絲GTAW焊接對Type304L坡口進行堆焊,小電流、低熱輸入堆焊可以減少Type304L稀釋率,同時可以較少整體熱輸入和拘束度而使晶粒邊界裂紋減到最少,同時降低結晶凝固時的應變量,有利于減少粗大枝晶的形成.

    焊縫表面采用凸形表面,由于根部收縮將對凸形表面產生壓縮作用從而抵消焊趾拉應力,從而最終減小焊縫表面拉應力作用,如圖4(b)所示,同時需要填滿弧坑[4].

    3 結論

    (1)采用ER308焊絲GTAW焊接帶鎳基堆焊層管嘴與Type304L不銹鋼管,焊接過程中產生熱裂紋的原因為焊縫中無鐵素體,奧氏體晶粒間液態薄膜與拉應力共同作用下產生.

    (2)采用ERNiCrFe3焊絲,焊接前采用小電流對Type304L不銹鋼管道側坡口側進行堆焊,正式焊接采用小線能量,凸形焊縫表面,填滿弧坑解決焊縫熱裂紋及耐腐蝕性下降問題.

    參考文獻:

    [1]孫漢虹.三代核電技術AP1000[M].北京:中國電力出版社,2010.

    [2]SindoKou.WeldingMetallurgy[M].Wisconisin:AjohnWiley&Sons,INC.Publication,2003.

    [3]滿達虎.奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋的成因及防止對策[J].熱加工工藝,2014,43(11):181-184.

    [4]JohnCLippold,DamianJKotecki.不銹鋼焊接冶金學及焊接性[M].北京:機械工業出版社,2008.

責任編輯：周婭

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