HHP-25反应堆压力容器安全端焊接结构探究

摘要：鉴于接管与安全端异种金属焊缝是“HHP-25”反应堆压力容器最薄弱的环节，通过研究控制焊接结构、焊接材料、焊接工艺规范等要素对焊缝最终质量的影响，并分析了焊缝力学性能及抗腐蚀性，从应用效果来看，工艺评定和焊接见证件的焊缝质量和性能完全满足设计要求，从而有效保证了此类焊缝的质量。

关键词：HHP-25;反应堆压力容器;接管;安全端

海洋核动力平台是将核反应堆与舰船有机结合，并结合海洋战略的能源需求，可为海上油气平台、偏远岛屿、港口城市提供安全有效的能源补给。它具有一次装料运行时间长、平台机动性高、运行成本低等优点。“HHP-25”海洋核动力平台是国家能源重大科技创新示范工程项目，是国内首例将小型核反应堆与船舶工程有机结合，支撑海洋军民融合发展、开发利用新能源和全球能源发展的重大工程[1]。反应堆压力容器是“HHP-25”平台中最关键的承压设备，属于核安全一级产品。它的工作环境极其苛刻，不仅需要具备承受高温高压及海洋摇摆环境的能力，产品还需具备抗材料辐照脆化的特性，以及具有高耐腐蚀性、高韧性、脆转温度低的特点，在长达40年的使用寿命中还需保证结构完整、性能可靠。海洋核动力平台反应堆压力容器的安全端接头不仅结构规格小，且接管与安全端两种材料的线膨胀系数相差极大，在长时间的高温、高压、腐蚀及海洋摇摆环境下容易产生应力腐蚀裂纹和造成放射性水介质的外泄，从而引发压力容器失水及堆芯过热熔化的大型安全事故[2]。本文从“HHP-25”反应堆压力容器接管安全端的结构设计、材料选型、工艺控制等方面进行研究，分析焊缝力学性能及抗腐蚀性，保证焊缝质量安全可靠。

1结构设计

“HHP-25”反应堆压力容器接管材质为低合金钢SA-508Gr.3Cl.1，锻件含合金元素多，碳当量≤0.705%，焊缝热影响区的淬硬倾向高，易产生冷裂纹。安全端材质为不锈钢SA-182F321LN锻件，其线膨胀系数比接管的低合金钢大40%以上，热导率低，焊后会产生较大的热应力。由于“HHP-25”反应堆压力容器接管与安全端异种金属连接的结构小型化，焊接过程中对工装要求高，施焊过程中的热循环极易造成应力集中和形成低韧性组织，且焊后容易产生缺陷，加大腐蚀疲劳开裂倾向，降低产品寿命[3-4]。接管与安全端异种接头结构设计时需满足焊缝对接全熔透、易于焊后无损检测、焊接变形对结构影响小等因素。通过对下述两种焊接结构施焊后进行对比，采用“插装式”结构（如图1）比“对接式”（如下页图2）具有较大优点：在焊接装配操作方便，无需单独设置工装，易于控制变形；单面焊后直接机加工预留端，无需反面清根与焊接，减少了反面打磨不合理或焊接气体保护较差带来的焊缝夹渣和未熔合缺陷。

2焊接材料选型

焊接材料选择线膨胀系数介于SA-Φ508Gr.3Cl.1和SA-182F321LN之间的镍基合金焊材，可有效抑制热影响区脆性层的产生，提高接头的冲击韧性和抗晶间腐蚀性能。“HHP-25”反应堆压力容器接管安全端异种接头的焊接材料选择热膨胀系数低的Inconel690合金，焊材牌号为美国SMC的Inconel52M，焊丝的主要化学成分见表1，焊丝在焊后热处理态（PWHT）的力学性能见表2。

3焊接工艺控制

由于“HHP-25”反应堆压力容器接管与安全端规格小，不仅要完成接管内壁不锈钢和镍基隔离层的堆焊，还要完成隔离层与安全端的对接焊，因此对焊接工艺要求极为苛刻。通过在焊接中控制以下几种关键因素，可使工艺评定和产品见证件的焊接质量满足产品设计要求。

3.1焊接方法

接管预堆边的堆焊方法采用小管径自动TIG焊，设备采用宝利苏迪小管径氩弧焊机，焊机可实现平焊位和横焊位的全自动无限回转；预堆边与安全端的对接焊采用热丝TIG焊，设备采用宝利苏迪热丝TIG焊机，焊接可实现全位置全自动回转。两种位置焊接时采用的焊丝直径为Φ0.9mm。

3.2热处理

镍基隔离层堆焊前将接管内壁与端面清理干净，确保表面无油污及杂质，并对待堆面进行100%PT检测。堆焊前3.2mm时预热温度≥121℃，焊缝层间温度≤250℃；堆焊层超过3.2mm后，继续堆焊时预热温度≥10℃，层间温度≤177℃；焊后为防止冷裂纹的出现，立即进行232～400℃×4h的后热处理。为避免焊后母材热影响区存在较大的焊接应力和有效控制扩散氢，对预堆边进行595～620℃×1h的消除应力热处理。隔离层与安全端对接焊时严格控制焊缝温度，预热温度≥10℃，层间温度≤177℃。

3.3焊接规范

焊缝质量靠焊接电流、焊接电压、焊接速度以及钨极来保证。焊接电流过大会增大裂纹敏感性及析出物倾向；通过控制焊接电压弧长集中能量来保证母材的熔合质量；焊接速度影响焊缝韧性及冷裂纹倾向；钨极弯曲角度为5°～15°可保证窄间隙坡口侧壁的良好熔合，保护气采用99.999%的高纯氩。经过多次试验获得的焊接工艺参数见表3、表4，焊缝成形良好，无咬边、气孔、弧坑等缺陷。

3.4清洁

镍基合金焊接时要保证待焊面高度清洁，以防止表面氧化和与易引起脆化的元素混杂，若表面清洁时没有彻底清除氧化膜则会形成夹渣。接管安全端焊接时采用不锈钢钢丝刷对每道、每层焊缝表面进行氧化膜清理，保持焊道表面清洁，氧化膜厚的地方用风铣清理，焊道收弧处用铝基无铁砂轮打磨避免弧坑裂纹。

4试验结果

通过对焊接结构、填充材料、工艺规范、表面清洁度等方面进行控制，实施工艺评定以及对焊接见证件进行施焊，并在焊后对力学性能和抗腐特性进行测算，使焊缝质量满足技术规格书要求。工艺评定的理化试验结果见表5—表8，全部满足设计要求。

5结语

通过严格控制焊接结构、焊接材料、焊接工艺规范、施焊清洁度等一系列措施，降低了焊缝质量的不合格率，工艺评定和焊接见证件的焊缝质量和性能均完全满足“HHP-25”平台异种金属焊缝技术规格书要求，保证了反应堆压力容器的产品质量，为海洋核动力平台的安全稳定运行提供了保障。

作者:刘泽锋 单位:太原重工股份有限公司