核電用SA508Gr.3Cl.2鋼配套埋弧焊焊接材料的研制

1、PAGE 9 -核電用SA508Gr.3Cl.2鋼配套埋弧焊焊接材料的研制摘要：針對(duì)核電蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等設(shè)備用SA508Gr.3Cl.2鋼配套埋弧焊焊接材料大部分依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，進(jìn)行了SA508Gr.3Cl.2鋼配套埋弧焊焊絲、焊劑的研制工作。通過(guò)對(duì)有害雜質(zhì)元素的有效控制，使得研制焊材的抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性等性能有了顯著的提升，從而獲得了優(yōu)良的力學(xué)性能。結(jié)果表明，研制的低合金鋼埋弧焊焊接材料具有良好的焊接工藝性能，電弧穩(wěn)定性好，焊道成形美觀，脫渣容易，且各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足產(chǎn)品要求。關(guān)鍵詞：SA508Gr.3Cl.2鋼;埋弧焊;焊接材料;力學(xué)性能中圖分類號(hào)：TG423Developmentof

2、submergedarcweldingmaterialforSA508Gr.3Cl.2steelofnuclearpowerHuXiaobo1，ZhaoChengxian2，F(xiàn)engWei1，ChenBo1，WeiTao1，LiuManyu1（1.HarbinWellWeldingCo.，Ltd.，Harbin150060，Heilongjiang，China;2.ChinaNationalPetroleumSeventhConstructionCo.，Ltd.，Qingdao266300，Shandong，China）Abstract：Inviewofthefactthatthemajori

3、tyofmatchingsubmergedarcweldingmaterialsforSA508Gr.3Cl.2steelofnuclearpowersteamgeneratorandpressurizerandotherequipmentdependonimport，thedevelopmentofSA508Gr.3Cl.2steelmatchingsubmergedarcweldingwireandfluxwascarriedout.Throughtheeffectivecontrolofharmfulimpurityelements，thetensilestrength，impactto

4、ughnessandotherpropertiesofthedevelopedweldingmaterialsweresignificantlyimproved，soastoobtainexcellentmechanicalproperties.Theresultsshowedthatthedevelopedsubmergedarcweldingmaterialforlowalloysteelhadgoodweldingprocessperformanceandarcstability，formationofweldwasbeautifulandtheslagwaseasytoremove，a

5、ndallmechanicalpropertiesmettheproductrequirements.Keywords：SA508Gr.3Cl.2steel;submergedarcwelding;weldingmaterials;mechanicalproperties前言核電是一種清潔高效的能源，在滿足日益發(fā)展的能源增長(zhǎng)需求的同時(shí)，能夠大幅度減少對(duì)大氣環(huán)境的污染。核電站核島承壓設(shè)備主要包括反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器，這些設(shè)備殼體所用的材料均為A5083鋼。近些年，國(guó)內(nèi)核電行業(yè)發(fā)展迅速。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的三代非能動(dòng)壓水堆核電機(jī)組采用的是Delta125型蒸汽發(fā)生器，蒸汽發(fā)生器是核反應(yīng)堆一

6、回路系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一1-3，其制造所需的主要鍛件為美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）核動(dòng)力裝置設(shè)備建造準(zhǔn)則所規(guī)定的壓力容器用SA508Gr.3Cl.2鋼。該材料與過(guò)去核電站常用的SA508Gr.3Cl.1鋼比，具有更高的強(qiáng)度，同時(shí)還能保持較好的低溫沖擊韌性4。中國(guó)早在20世紀(jì)80年代就由當(dāng)時(shí)的核工業(yè)部第一研究設(shè)計(jì)院（現(xiàn)為中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院）、哈爾濱焊接研究所（現(xiàn)為哈爾濱焊接研究院有限公司）等單位組成了相關(guān)協(xié)作組，開(kāi)始了壓水堆核電站反應(yīng)堆壓力容器用A5083鋼鍛件和配套焊接材料以及制造工藝的研究5-8，但時(shí)至今日國(guó)內(nèi)此類配套焊接材料依然大部分依賴進(jìn)口。隨著一帶一路發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)和國(guó)內(nèi)核電工程建設(shè)的

7、重啟，核電焊接材料的需求將會(huì)迅速擴(kuò)大。進(jìn)口焊接材料不僅存在供貨周期長(zhǎng)、產(chǎn)品價(jià)格高、技術(shù)支持服務(wù)滯后等問(wèn)題，影響工程進(jìn)度和效益;還會(huì)因?yàn)閲?guó)內(nèi)沒(méi)有生產(chǎn)能力，使得一些進(jìn)口焊材無(wú)可替代，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，則延誤工程進(jìn)度，甚至給工程質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重隱患。目前國(guó)內(nèi)核島主設(shè)備用A5083鋼焊材市場(chǎng)基本被日本KOBELCO、德國(guó)Thssen等公司的進(jìn)口焊材所占據(jù)，雖然國(guó)內(nèi)已有部分焊材制造企業(yè)的一些產(chǎn)品應(yīng)用于核電工程，但其大部分用于常規(guī)島，少部分產(chǎn)品用于核二、三級(jí)設(shè)備的制造。對(duì)于核一級(jí)設(shè)備的制造，國(guó)產(chǎn)焊材一直被拒之門(mén)外9。國(guó)產(chǎn)焊接材料尚不能為我國(guó)核一級(jí)設(shè)備制造提供強(qiáng)力支撐。為此國(guó)內(nèi)迫切需要焊材制造企業(yè)來(lái)開(kāi)展相關(guān)焊接

8、材料的研制，來(lái)滿足目前相關(guān)制造企業(yè)的需求。近些年，哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司一直致力于各類特種焊接材料的研究開(kāi)發(fā)以及市場(chǎng)應(yīng)用。該公司與國(guó)內(nèi)某知名核設(shè)備制造企業(yè)合作，自主開(kāi)展了SA508Gr.3Cl.2鋼主焊縫用配套埋弧焊焊材的研制相關(guān)工作，并研制出了其配套焊接材料。試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的埋弧焊焊接材料，具有良好的焊接工藝性能，電弧穩(wěn)定性好，焊道成形美觀，脫渣容易，且各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足核一級(jí)產(chǎn)品要求。并且該套焊材已經(jīng)成功應(yīng)用到了核一級(jí)產(chǎn)品蒸汽發(fā)生器上，產(chǎn)品服役狀況良好。此套焊材的成功研制，打破了國(guó)外同類產(chǎn)品長(zhǎng)期壟斷的局面，實(shí)現(xiàn)了核一級(jí)設(shè)備用SA508Gr.3Cl.2鋼主焊縫焊接材料的國(guó)產(chǎn)化，并且解

9、決了國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品制造企業(yè)的燃眉之急。1技術(shù)要求與試驗(yàn)方法1.1技術(shù)要求SA508Gr.3Cl.2鋼配套焊接材料，要求對(duì)焊絲及熔敷金屬的S，P等有害元素含量進(jìn)行了嚴(yán)格控制，其化學(xué)成分要求見(jiàn)表1。且有研究表明10，A5083鋼在熱處理60824h時(shí)，熔敷金屬具有良好的綜合力學(xué)性能。熔敷金屬力學(xué)性能要求見(jiàn)表2。落錘試驗(yàn)要求：TNDT-10，結(jié)果不斷裂。彎曲試驗(yàn)：取2個(gè)側(cè)彎試樣，彎曲直徑：D=4T，彎曲角度：180，彎曲后拉伸面上不允許出現(xiàn)任何明顯的開(kāi)裂，單個(gè)裂紋、表面氣孔和夾渣的長(zhǎng)度均不應(yīng)大于3mm。熔敷金屬擴(kuò)散氫含量不大于4mL/100g（水銀法）。1.2試驗(yàn)方法焊接試驗(yàn)方法，采用埋弧自動(dòng)焊多層多

10、道進(jìn)行，焊接設(shè)備為交直流兩用電焊機(jī)（MillerSummitArc1250）。母材為SA508Gr.3Cl.2鋼板，試板尺寸為600mm300mm30mm。對(duì)接坡口形式如圖1所示，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。按照GB/T223鋼鐵及合金化學(xué)分析方法進(jìn)行化學(xué)分析。室溫拉伸試驗(yàn)按GB/T26522022焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行，高溫拉伸試驗(yàn)按GB/T228.22022金屬材料拉神試驗(yàn)第2部分：高溫拉伸試驗(yàn)進(jìn)行，試樣尺寸為10mm。沖擊試驗(yàn)按GB/T26502022焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行。彎曲試驗(yàn)按GB/T26532022焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法進(jìn)行。落錘試驗(yàn)按NB/T200042022核電廠核島機(jī)械設(shè)

11、備材料理化檢驗(yàn)方法進(jìn)行，試樣采用P3型進(jìn)行試驗(yàn)。熔敷金屬擴(kuò)散氫含量測(cè)定按GB/T39652022熔敷金屬擴(kuò)散氫測(cè)定方法的規(guī)定進(jìn)行。2焊接材料的研制2.1焊劑的研制由于是核一級(jí)設(shè)備用焊材，因此需嚴(yán)格控制焊縫金屬中硫、磷等有害元素的含量。因此，在焊劑研制的過(guò)程中，必須選用純凈度較高的原料;在焊劑生產(chǎn)的過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制生產(chǎn)工序，盡量減少進(jìn)入有害元素。與此同時(shí)焊劑需要具有優(yōu)良的脫渣性，焊縫攤開(kāi)性和良好的成形。焊劑在冶金反應(yīng)時(shí)，形成氧化性弱的堿性渣或中性渣，以減少合金元素的燒損，并保證焊縫金屬具有較高的塑性和韌性。焊劑的渣系一般有硅鈣型、硅錳型、鋁鈦型、高鋁型和氟堿型等。其中，硅鈣型、硅錳型和鋁鈦型

12、渣系焊劑中含有大量的酸性氧化物，故被稱之為酸性焊劑，其特點(diǎn)是：工藝性能較好，但熔敷金屬的低溫韌性比較差;高鋁型渣系焊劑又被稱之為中性焊劑，其提高焊縫金屬低溫沖擊韌性的潛力也不大;而氟堿型渣系焊劑由于其含有大量的堿性氧化物，故被稱之為堿性焊劑，其特點(diǎn)是：焊劑具有較高的堿度，其堿性氧化物可以與熔敷金屬中的雜質(zhì)元素產(chǎn)生反應(yīng)，從而減少雜質(zhì)元素的含量，提高其低溫沖擊韌性。與此同時(shí)還能降低焊縫金屬中的擴(kuò)散氫含量，從而降低焊縫出現(xiàn)冷裂紋的傾向。因此，選擇CaF2CaOMgOMnOSiO2氟堿型渣系作為所研制焊劑的渣系。渣系確定之后，就是對(duì)焊劑組分的優(yōu)化及調(diào)整了。首先將焊劑的組分在一個(gè)比較大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，

13、找出各個(gè)組分之間的相互影響規(guī)律，確定焊劑小樣的組分范圍。之后對(duì)現(xiàn)有的焊劑小樣進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化，最終選出一個(gè)優(yōu)化后的焊劑組分。最后通過(guò)選擇高純凈度原材料按焊劑配方進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)生產(chǎn)，研制出了高純凈度高堿度低氫型燒結(jié)焊劑。將其牌號(hào)定為SJ16HR，其堿度約為2.4，為圓形顆粒狀，粒度為0.282.0mm。其組分范圍見(jiàn)表4。2.2焊絲的研制核電站核島承壓設(shè)備一般由MnMoNi系低合金鋼鍛件或鋼板焊接而成。它工作在高溫、高壓環(huán)境中，而且其工作年限較長(zhǎng)。設(shè)計(jì)容器主焊縫埋弧焊焊絲成分時(shí)要考慮主焊縫的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度、輻照敏感性、低周疲勞性能以及斷裂韌性等。此外對(duì)研制的焊絲主要要求如下：焊絲的雜質(zhì)元素嚴(yán)格控制，即焊

14、絲的純凈度要求非常高;熔敷金屬的強(qiáng)韌性匹配良好。為了能夠?qū)崿F(xiàn)以上要求，使得熔敷金屬能夠具有高純度，且同時(shí)具有高強(qiáng)度和高韌性的組織性能。提出試驗(yàn)焊絲的研制思路如下使用真空冶煉爐進(jìn)行焊絲冶煉，使得焊絲中的硫磷等雜質(zhì)元素盡量減少，且由于避免了與空氣直接接觸，減少了焊絲中的氧氮元素含量，為獲取高純凈度的熔敷金屬提供必要保障;考慮通過(guò)添加一定量的微合金元素來(lái)細(xì)化晶粒，以此來(lái)改善熔敷金屬組織，以達(dá)到同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性的目的。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，進(jìn)行了化學(xué)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)、冶煉試制、熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定并冶煉了高純埋弧焊焊絲成品。將其牌號(hào)定為H09MnNiMoHR，主要成分見(jiàn)表5。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.

15、1焊絲、焊劑及熔敷金屬成分及焊接工藝性焊絲H09MnNiMoHR，規(guī)格4.0mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表5。焊劑SJ16HR，其S含量為0.018%，P含量為0.020%。熔敷金屬的化學(xué)成分見(jiàn)表6。圖2為H09MnNiMoHR/SJ16HR焊接試驗(yàn)時(shí)的焊接工藝性現(xiàn)場(chǎng)照片。焊接工藝性能良好，在焊接過(guò)程中電弧穩(wěn)定性好，焊道成形美觀，脫渣容易，焊縫表面無(wú)粘渣、氣孔、壓坑等缺陷。3.2熔敷金屬力學(xué)性能H09MnNiMoHR/SJ16HR進(jìn)行熱處理60824h后的熔敷金屬力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。其他試驗(yàn)：側(cè)彎結(jié)果合格，表面無(wú)開(kāi)裂，結(jié)果如圖3所示;落錘試驗(yàn)滿足TNDT-10，-10落錘試驗(yàn)試樣未斷裂，如圖4所示。

16、結(jié)果表明，熔敷金屬的常溫拉伸和350拉伸性能、熔敷金屬?zèng)_擊韌性、側(cè)向膨脹量及落錘試驗(yàn)均滿足項(xiàng)目技術(shù)要求，并且富有充足的余量。3.3熔敷金屬擴(kuò)散氫熔敷金屬擴(kuò)散氫含量測(cè)定按GB/T39652022熔敷金屬擴(kuò)散氫測(cè)定方法的規(guī)定進(jìn)行，其結(jié)果見(jiàn)表8。結(jié)果表明，熔敷金屬擴(kuò)散氫含量平均為3.0mL/100g（水銀法），滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。3.4金相顯微組織熔敷金屬顯微組織如圖5所示。熔敷金屬未見(jiàn)微觀裂紋和其他微觀缺陷，焊縫金相組織為少量先共析鐵素體+針狀鐵素體+回火貝氏體，未見(jiàn)淬硬組織。綜上所述，研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR，按照技術(shù)要求完成了產(chǎn)品化學(xué)成分、產(chǎn)品力學(xué)性能（常溫拉伸、高溫拉伸、

17、沖擊、彎曲、落錘）、熔敷金屬擴(kuò)散氫及金相顯微組織檢驗(yàn)等試驗(yàn)，所有試驗(yàn)結(jié)果均滿足核一級(jí)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，并且富有充足的余量。4應(yīng)用情況新研制的埋弧焊焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR已經(jīng)通過(guò)了該核一級(jí)設(shè)備焊材研制評(píng)審會(huì)，并且在國(guó)內(nèi)某企業(yè)進(jìn)行了第三方性能評(píng)估試驗(yàn)，結(jié)果均滿足要求。目前該產(chǎn)品已被應(yīng)用到國(guó)內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的核電一級(jí)設(shè)備蒸汽發(fā)生器上，產(chǎn)品穩(wěn)定且服役狀況良好，得到了用戶的好評(píng)。5結(jié)論（1）研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR焊接工藝性能良好，在焊接過(guò)程中電弧穩(wěn)定性好，焊道成形美觀，脫渣容易，焊縫表面無(wú)粘渣、氣孔、壓坑等缺陷。（2）研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ

18、16HR具有優(yōu)良的力學(xué)性能，滿足SA508Gr.3Cl.2鋼核一級(jí)設(shè)備焊材采購(gòu)要求，并且富有充足的余量。（3）研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR已在國(guó)內(nèi)SA508Gr.3Cl.2鋼核一級(jí)設(shè)備的生產(chǎn)制造上進(jìn)行了成功應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1劉文斌，李書(shū)瑞.我國(guó)核電承壓設(shè)備用鋼的發(fā)展現(xiàn)狀與研究方向J.鋼鐵研究，2022，39（5）：58-62.2孫婷婷，王猛，陳波，等.蒸汽發(fā)生器用5083Cl.2配套焊條J607HR的研制J.機(jī)械制造文摘焊接分冊(cè)，2022（1）：23-26，35.3李相清，丁振宇，包士毅，等.溫度對(duì)SA508III鋼焊縫金屬斷裂韌度的影響J.焊接學(xué)報(bào)，2022，40（7）：44-47.4馬中良.三代核電蒸汽發(fā)生器用S