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反应堆压力容器研究

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摘要:通过反应堆压力容器三交区带极堆焊、手工电弧堆焊、TIG堆焊3种焊接工艺方法的堆焊试验,并进行无损探伤检验,低倍、金相检验,对比分析不同镍基焊材及工艺方法焊接后三交区的焊接质量,确定出最佳堆焊工艺方案。

关键词:三交区;焊接;质量

0引言

反应堆压力容器内壁堆焊质量要求高,堆焊层厚度大,焊接应力大,焊接裂纹敏感性高;焊接道次多,熔敷量大,缺陷产生的概率大。在反应堆压力容器内壁堆焊时,存在一个由508-3钢母材、不锈钢和镍基堆焊层组成的三交区,3种材料的化学成分、组织、性能差异很大,堆焊时化学成分、组织、性能存在严重的不均匀性,易产生焊接热裂纹,对三交区堆焊层进行PT、UT检测时,经常有缺陷显示,是国际上尚未彻底解决的工程难题。因此,需要对三交区焊接技术进行深入研究,进行焊接试验,以获得无损检测合格率较高的堆焊层,控制三交区焊接热裂纹产生。

1三交区焊接堆焊试验研究

反应堆压力容器内壁堆焊时,存在一个由508-3钢母材、309L+308L不锈钢堆焊层和镍基堆焊层组成的三交区。从焊材搭配考虑,确定4种三交区堆焊试件,试验情况如下:1)不锈钢带极堆焊(4层)+600镍基合金带极(4层)+局部手工电弧焊。首层堆焊后PT探伤无缺陷。最终堆焊后PT探伤发现试板收弧起弧位置有约3处点状及线状缺陷,位置在不锈钢侧的600镍基合金带极堆焊区。通过抛磨可去除缺陷后PT、UT探伤合格。2)不锈钢带极堆焊(4层)+690镍基合金带极(4层)+局部手工电弧焊。首层堆焊后PT探伤无缺陷。最终堆焊后PT探伤发现整个焊接方向存在线性缺陷显示,位置在不锈钢侧的690镍基合金带极堆焊区。3)不锈钢带极堆焊(4层)+600镍基合金TIG(4层)+局部手工TIG首层堆焊后PT探伤无缺陷。最终堆焊后在镍基与不锈钢交界部位沿整个焊接方向存在1个点状缺陷。抛磨即可清除,必要时进行手工TIG补焊。4)不锈钢带极堆焊(4层)+690镍基合金TIG(4层)+局部手工TIG。首层堆焊后PT探伤无缺陷。最终包边堆焊后,在镍基与不锈钢堆焊层的交界部位存在几处点状或线性缺陷,长度2~4mm。抛磨去除缺陷后PT、UT探伤合格。

2理化性能试验

1)不锈钢带极:化学分析、拉伸、硬度、Kv冲击试验、弯曲试验,结果合格。

2)600镍基合金带极:a.化学分析、拉伸、硬度、Kv冲击试验,结果合格。b.弯曲试验,侧弯结果不合格。不满足单个裂纹不超过2mm的要求。重新取样后仍不合格。690镍基合金带极:因焊道开裂没有进行。

3)600镍基合金TIG:a.化学、拉伸、弯曲、硬度、Kv冲击试验,结果合格。

4)690镍基合金TIG:结果同600镍基合金TIG相同。

3低倍、金相检验

交区堆焊试验探伤后,试件进行了低倍和金相检验,结果如下:

1)不锈钢带极堆焊(4层)+600镍基合金带极(4层)+局部手工电弧焊。三交区未发现焊接缺陷。低倍:试样在焊缝区发现一处微小焊接结晶裂纹,长度约有0.4mm,位置在不锈钢侧的600镍基合金带极堆焊区。金相检验:腐蚀剂为4%硝酸酒精溶液和10%草酸电解液;镍基堆焊层为奥氏体组织;不锈钢堆焊层为奥氏体+少量的铁素体;热区为贝氏体;母材为贝氏体。200倍放大后镍基堆焊层发现2条微小裂纹的焊接缺陷,长度为0.4mm左右,位置在手工焊条包边区域。

2)不锈钢带极堆焊(4层)+690镍基合金带极(4层)+局部手工电弧焊。三交区未发现焊接缺陷。低倍:焊缝区发现多条焊接裂纹,位置在不锈钢侧的690镍基合金带极堆焊区。金相检验:腐蚀剂为4%硝酸酒精溶液和10%草酸电解液;镍基堆焊层为奥氏体组织;不锈钢堆焊层为奥氏体+少量的铁素体,热区为贝氏体;母材为贝氏体。100倍及50倍放大后,在镍基堆焊层处均发现多处裂纹焊接缺陷,缺陷位置位于镍基和不锈钢交界部位,裂纹方向沿结晶方向从不锈钢交界往镍基方向延展。由缺陷形态判定为结晶裂纹。因镍基合金与不锈钢导热性差,热膨胀系数大,导致焊缝在凝固时,收缩应力较大;镍基合金组织为奥氏体,不锈钢为奥氏体组织+少量铁素体,由于凝固时的偏析以及液体薄膜对润湿奥氏体晶粒边界的倾向性,具有焊缝凝固时开裂的固有敏感性;另外,镍基合金、不锈钢与508-3母材的化学成分差异性较大,母材与不锈钢中杂质含量较高,如P,S,镍基合金焊接时,受母材和不锈钢的稀释,会在凝固时造成杂质偏析和较高的焊缝凝固开裂敏感性。在以上元素综合作用的结果下,在交界部位极易出现焊接裂纹。

3)不锈钢带极堆焊(4层)+600镍基合金TIG(4层)+局部手工TIG。三交区未发现焊接缺陷。低倍放大后,试样未发现宏观缺陷。金相检验:腐蚀剂为4%硝酸酒精溶液和10%草酸电解液;镍基堆焊层为奥氏体组织;不锈钢堆焊层为奥氏体+少量的铁素体,热区为贝氏体;母材为贝氏体。200倍放大后,未发现焊接缺陷。

4)不锈钢带极堆焊(4层)+690镍基合金TIG(4层)+局部手工TIG。三交区未发现焊接缺陷,低倍放大后,试样在焊缝区发现1处焊接裂纹,长度最长约1.9mm。金相检验:腐蚀剂为4%硝酸酒精溶液和10%草酸电解液,镍基堆焊层为奥氏体组织,不锈钢堆焊层为奥氏体+少量的铁素体,热区为贝氏体,母材为贝氏体。200倍放大后,镍基堆焊层发现1处裂纹显示。试验过程中,镍基600合金摆动TIG堆焊,焊道成型良好。相对镍基合金来说,镍基690合金摆动TIG堆焊焊道成型较差,表面氧化物堆浮较多,收弧裂纹较多。

4结论

1)针对不锈钢带极堆焊+镍基合金带极+局部手工电弧焊,镍基600焊材相对690镍基焊材三交区缺陷较少,690镍基焊材最终堆焊后PT探伤发现整个焊接方向存在线性缺陷显示;金相试验发现,690镍基焊材三交区缺陷较多,在交界部位,缺陷长度较长,沿着结晶方向延展。

2)针对不锈钢带极堆焊+镍基合金TIG+局部手工TIG焊,镍基600TIG焊接缺陷明显少于焊材690镍基焊材,且可通过抛磨去除缺陷;镍基600焊材三交区试验金相试样未发现缺陷显示。镍基690TIG焊材三交区试验,三交区虽未发现焊接缺陷,但在试样焊缝区发现1处焊接裂纹,收弧裂纹较多。

3)对比分析不同镍基焊材及工艺方法焊接后三交区、焊缝区的焊接质量,确定出最佳堆焊工艺方案:选用不锈钢带极堆焊+600镍基合金TIG+局部手工TIG焊,可以获得无损检测合格率较高的堆焊层,控制三交区焊接热裂纹产生。

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作者:辛宇 单位:海军驻某地代表室

反应堆压力容器研究责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次