核电用SA-508Gr.3Cl.2钢配套埋弧焊焊接材料的研制

胡晓波， 赵承先， 冯伟， 陈波， 魏涛， 刘满雨

(1.哈尔滨威尔焊接有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150060；2.中国石油天然气第七建设有限公司，山东 青岛 266300)

0 前言

核电是一种清洁高效的能源，在满足日益发展的能源增长需求的同时，能够大幅度减少对大气环境的污染。核电站核岛承压设备主要包括反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器，这些设备壳体所用的材料均为A508-3钢。近些年，国内核电行业发展迅速。目前国内现有的三代非能动压水堆核电机组采用的是Delta-125型蒸汽发生器，蒸汽发生器是核反应堆一回路系统关键设备之一[1-3]，其制造所需的主要锻件为美国机械工程师协会(ASME)《核动力装置设备建造准则》所规定的压力容器用SA-508Gr.3Cl.2钢。该材料与过去核电站常用的SA-508Gr.3Cl.1钢比，具有更高的强度，同时还能保持较好的低温冲击韧性[4]。

中国早在20世纪80年代就由当时的核工业部第一研究设计院(现为中国核动力研究设计院)、哈尔滨焊接研究所(现为哈尔滨焊接研究院有限公司)等单位组成了相关协作组，开始了压水堆核电站反应堆压力容器用A508-3钢锻件和配套焊接材料以及制造工艺的研究[5-8]，但时至今日国内此类配套焊接材料依然大部分依赖进口。随着一带一路发展战略的推进和国内核电工程建设的重启，核电焊接材料的需求将会迅速扩大。进口焊接材料不仅存在供货周期长、产品价格高、技术支持服务滞后等问题，影响工程进度和效益；还会因为国内没有生产能力，使得一些进口焊材无可替代，一旦出现质量问题，则延误工程进度，甚至给工程质量带来严重隐患。目前国内核岛主设备用A508-3钢焊材市场基本被日本KOBELCO、德国Thssen等公司的进口焊材所占据，虽然国内已有部分焊材制造企业的一些产品应用于核电工程，但其大部分用于常规岛，少部分产品用于核二、三级设备的制造。对于核一级设备的制造，国产焊材一直被拒之门外[9]。国产焊接材料尚不能为我国核一级设备制造提供强力支撑。为此国内迫切需要焊材制造企业来开展相关焊接材料的研制，来满足目前相关制造企业的需求。

近些年，哈尔滨威尔焊接有限责任公司一直致力于各类特种焊接材料的研究开发以及市场应用。该公司与国内某知名核设备制造企业合作，自主开展了SA-508Gr.3Cl.2钢主焊缝用配套埋弧焊焊材的研制相关工作，并研制出了其配套焊接材料。试验结果表明，研制的埋弧焊焊接材料，具有良好的焊接工艺性能，电弧稳定性好，焊道成形美观，脱渣容易，且各项力学性能均满足核一级产品要求。并且该套焊材已经成功应用到了核一级产品蒸汽发生器上，产品服役状况良好。此套焊材的成功研制，打破了国外同类产品长期垄断的局面，实现了核一级设备用SA-508Gr.3Cl.2钢主焊缝焊接材料的国产化，并且解决了国内相关产品制造企业的燃眉之急。

1 技术要求与试验方法

1.1 技术要求

SA-508Gr.3Cl.2钢配套焊接材料，要求对焊丝及熔敷金属的S，P等有害元素含量进行了严格控制，其化学成分要求见表1。且有研究表明[10]，A508-3钢在热处理608 ℃×24 h时，熔敷金属具有良好的综合力学性能。熔敷金属力学性能要求见表2。落锤试验要求：TNDT≤-10 ℃，结果不断裂。弯曲试验：取2个侧弯试样，弯曲直径：D=4T，弯曲角度：180°，弯曲后拉伸面上不允许出现任何明显的开裂，单个裂纹、表面气孔和夹渣的长度均不应大于3 mm。熔敷金属扩散氢含量不大于4 mL/100 g(水银法)。

表1 焊丝和熔敷金属化学成分(质量分数，%)

表2 熔敷金属力学性能要求(热处理608 ℃×24 h)

1.2 试验方法

焊接试验方法，采用埋弧自动焊多层多道进行，焊接设备为交直流两用电焊机(Miller Summit Arc 1250)。母材为SA-508Gr.3Cl.2钢板，试板尺寸为600 mm×300 mm×30 mm。对接坡口形式如图1所示，焊接工艺参数见表3。

图1 对接坡口形式

表3 焊接工艺参数

按照GB/T 223《钢铁及合金化学分析方法》进行化学分析。室温拉伸试验按GB/T 2652—2018《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》进行，高温拉伸试验按GB/T 228.2—2015《金属材料拉神试验第2部分：高温拉伸试验》进行，试样尺寸为φ10 mm。冲击试验按GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》进行。弯曲试验按GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》进行。落锤试验按NB/T 20004—2014《核电厂核岛机械设备材料理化检验方法》进行，试样采用P-3型进行试验。熔敷金属扩散氢含量测定按GB/T 3965—2012《熔敷金属扩散氢测定方法》的规定进行。

2 焊接材料的研制

2.1 焊剂的研制

由于是核一级设备用焊材，因此需严格控制焊缝金属中硫、磷等有害元素的含量。因此，在焊剂研制的过程中，必须选用纯净度较高的原料；在焊剂生产的过程中，必须严格控制生产工序，尽量减少进入有害元素。与此同时焊剂需要具有优良的脱渣性，焊缝摊开性和良好的成形。焊剂在冶金反应时，形成氧化性弱的碱性渣或中性渣，以减少合金元素的烧损，并保证焊缝金属具有较高的塑性和韧性。

焊剂的渣系一般有硅钙型、硅锰型、铝钛型、高铝型和氟碱型等。其中，硅钙型、硅锰型和铝钛型渣系焊剂中含有大量的酸性氧化物，故被称之为酸性焊剂，其特点是：工艺性能较好，但熔敷金属的低温韧性比较差；高铝型渣系焊剂又被称之为中性焊剂，其提高焊缝金属低温冲击韧性的潜力也不大；而氟碱型渣系焊剂由于其含有大量的碱性氧化物，故被称之为碱性焊剂，其特点是：焊剂具有较高的碱度，其碱性氧化物可以与熔敷金属中的杂质元素产生反应，从而减少杂质元素的含量，提高其低温冲击韧性。与此同时还能降低焊缝金属中的扩散氢含量，从而降低焊缝出现冷裂纹的倾向。因此，选择CaF2-CaO-MgO-MnO-SiO2氟碱型渣系作为所研制焊剂的渣系。

渣系确定之后，就是对焊剂组分的优化及调整了。首先将焊剂的组分在一个比较大的范围内进行调整，找出各个组分之间的相互影响规律，确定焊剂小样的组分范围。之后对现有的焊剂小样进行对比优化，最终选出一个优化后的焊剂组分。最后通过选择高纯净度原材料按焊剂配方进行高温烧结生产，研制出了高纯净度高碱度低氢型烧结焊剂。将其牌号定为SJ16HR，其碱度约为2.4，为圆形颗粒状，粒度为0.28～2.0 mm。其组分范围见表4。

表4 SJ16HR焊剂组分范围(质量分数，%)

2.2 焊丝的研制

核电站核岛承压设备一般由Mn-Mo-Ni系低合金钢锻件或钢板焊接而成。它工作在高温、高压环境中，而且其工作年限较长。设计容器主焊缝埋弧焊焊丝成分时要考虑主焊缝的无塑性转变温度、辐照敏感性、低周疲劳性能以及断裂韧性等。此外对研制的焊丝主要要求如下：①焊丝的杂质元素严格控制，即焊丝的纯净度要求非常高；②熔敷金属的强韧性匹配良好。

为了能够实现以上要求，使得熔敷金属能够具有高纯度，且同时具有高强度和高韧性的组织性能。提出试验焊丝的研制思路如下①使用真空冶炼炉进行焊丝冶炼，使得焊丝中的硫磷等杂质元素尽量减少，且由于避免了与空气直接接触，减少了焊丝中的氧氮元素含量，为获取高纯净度的熔敷金属提供必要保障；②考虑通过添加一定量的微合金元素来细化晶粒，以此来改善熔敷金属组织，以达到同时提高强度和韧性的目的。

经过大量的试验，进行了化学成分优化设计、冶炼试制、熔敷金属力学性能试验验证，最终确定并冶炼了高纯埋弧焊焊丝成品。将其牌号定为H09MnNiMoHR，主要成分见表5。

表5 H09MnNiMoHR焊丝化学成分(质量分数，%)

3 试验结果及分析

3.1 焊丝、焊剂及熔敷金属成分及焊接工艺性

焊丝H09MnNiMoHR，规格φ4.0 mm，其化学成分见表5。焊剂SJ16HR，其 S含量为0.018%，P含量为0.020%。熔敷金属的化学成分见表6。

表6 焊丝/焊剂熔敷金属化学成分(质量分数，%)

图2为H09MnNiMoHR/SJ16HR焊接试验时的焊接工艺性现场照片。焊接工艺性能良好，在焊接过程中电弧稳定性好，焊道成形美观，脱渣容易，焊缝表面无粘渣、气孔、压坑等缺陷。

图2 焊接工艺性照片

3.2 熔敷金属力学性能

H09MnNiMoHR/SJ16HR进行热处理608 ℃×24 h后的熔敷金属力学性能检验结果见表7。其他试验：侧弯结果合格，表面无开裂，结果如图3所示；落锤试验满足TNDT≤-10 ℃，-10 ℃落锤试验试样未断裂，如图4所示。结果表明，熔敷金属的常温拉伸和350 ℃拉伸性能、熔敷金属冲击韧性、侧向膨胀量及落锤试验均满足项目技术要求，并且富有充足的余量。

表7 H09MnNiMoHR/SJ16HR熔敷金属力学性能(热处理608 ℃×24 h)

图3 侧弯试样试验结果

图4 落锤试样试验结果

3.3 熔敷金属扩散氢

熔敷金属扩散氢含量测定按GB/T 3965—2012《熔敷金属扩散氢测定方法》的规定进行，其结果见表8。结果表明，熔敷金属扩散氢含量平均为3.0 mL/100 g(水银法)，满足标准要求。

表8 熔敷金属扩散氢含量 mL·100 g-1

3.4 金相显微组织

熔敷金属显微组织如图5所示。熔敷金属未见微观裂纹和其他微观缺陷，焊缝金相组织为少量先共析铁素体+针状铁素体+回火贝氏体，未见淬硬组织。

图5 熔敷金属金相显微组织

综上所述，研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR，按照技术要求完成了产品化学成分、产品力学性能(常温拉伸、高温拉伸、冲击、弯曲、落锤)、熔敷金属扩散氢及金相显微组织检验等试验，所有试验结果均满足核一级设备的技术指标，并且富有充足的余量。

4 应用情况

新研制的埋弧焊焊接材料H09MnNiMoHR/ SJ16HR已经通过了该核一级设备焊材研制评审会，并且在国内某企业进行了第三方性能评估试验，结果均满足要求。目前该产品已被应用到国内某企业生产的核电一级设备蒸汽发生器上，产品稳定且服役状况良好，得到了用户的好评。

5 结论

(1)研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR焊接工艺性能良好，在焊接过程中电弧稳定性好，焊道成形美观，脱渣容易，焊缝表面无粘渣、气孔、压坑等缺陷。

(2)研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR具有优良的力学性能，满足SA-508Gr.3Cl.2钢核一级设备焊材采购要求，并且富有充足的余量。

(3)研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR已在国内SA-508Gr.3Cl.2钢核一级设备的生产制造上进行了成功应用。