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1、11 研究背景及意义1 绪论在世界上广为应用的压水堆核电站中，低合会钢以其强度高价格低廉等特点用于制造反应堆压力容器、加压器和蒸汽发生器的壳体等，奥氏体不锈钢和镍基台金以其高耐蚀性等特点用于制造管道、控制棒驱动机构和仪表管等。要实现这些设备或部件的相互连接，就必然存在商合金奥氏体低台金铁索体的异种金属焊接件。由于高合金奥氏体钢和低合舍铁索体钢之间台金成分、导热率、热膨胀系数、熔点、机械性能之间存在较大的差别，它们之间的焊接件存在一个成分和性能剧烈变化的过渡区，这种过渡区的存在使其在核电站一回路环境下存在不稳定性，因此有可能对应力腐蚀丌裂和腐蚀疲劳敏感。这些异种金属接头的部位都是非常关键的部位而
2、且已经有报道表明压力容器管咀异种盒属接头存在应力腐蚀开裂的失效案例，因此，对异种金属焊接接头的高温环境断裂性能的研究是非常必要的。1 1 1 合金钢不锈钢异种钢焊接的应用通常这种接头的结构如图l1 所示，压力容器接管通常和容器起铸造，材料和压力容器相同，为低合金钢，安全端的材料与管道相同，为不锈钢。先在低合金钢侧进行预堆边焊，然后进行对接埠。为了防止低合金钢的硼酸腐蚀，压力容器接管表面堆焊3 0 8 L 3 0 9 L不锈钢。本文对世界备主要压水堆核电站回路系统使用异种钢焊接接头关键部位及使用材料进行了深入的调研，典型的p W R 主冷却剂回路如刚12 所示，在同路中反应堆压力容器、蒸汽发生器
3、和稳压器的容器本体都是低台金钢的，而主冷却剂管道、波动管、喷淋管、稳压器泄压管线等管道都是奥氏体不锈钢的，因此这些管道与容器的连接都存在异种金属焊接的接头。安全端：3 1 6 3 0 4冀囝11 典型异种金属焊接接头结构示意图曲安I ：业人学硕十学位论文r 主管道I图1 2 典型P W R 主冷却剂回路示意图两安工业大学硕士学位论文具体来说，这些异种金属焊接接头的结构见图1 3 到图1 7 。1 ) 压力容器进出口管咀管咀：焊缝填充金属：3 0 8 L2 ；2C N D。安全端：1 8 1 2 ( 控氮)层：3 0 9 L 3 0 8 L图1 3 反应堆压力容器进出口管咀结构图2 ) 蒸汽发生
4、器一次侧进出口管咀低图1 4 蒸汽发生器一次侧进出口管咀结构图3两安工业大学硕十学位论文3 ) 稳压器波动管管咀图1 5 典型稳压器波动管管咀结构图4两安丁业大学硕十学位论文图1 6 稳压器顶部喷淋管线管咀结构示意图5西安工业大学硕+ 学位论文Z卜N图1 7 安全阀连接管线和卸压管线的管咀结构图6两安工业大学硕士学位论文1 1 2 异种金属接头的母材和焊缝金属主冷却剂管道的材料见表1 1 ，主冷却剂管道支管材料见表1 2表1 1 主冷却管道材料表1 2 主冷却管道支管材料7西安。l ：业人学硕士学位论文焊缝金属材料通常也有两种，一种是奥氏体不锈钢，另一种是镍基合金。奥氏体不锈钢焊缝金属通常是3
5、 0 8 L 和3 0 9 L 不锈钢，而镍基合金焊缝金属较早使用的是1 8 2 合金和8 2 合金，最近使用的是1 5 2 合金和5 2 合金。1 1 3 异种金属接头的特征在由于异种金属接头两边材料的显著差异，在焊接和焊后热处理过程中，产生一系列材料学问题，例如碳扩散、过渡区的存在、焊缝金属稀释、内应力等，而异种金属接头性能又和这些材料学特征有显著的关系。1 ) 碳迁移在钢里面，碳的活度取决于它的含量和其他合金元素的水平。如果两种不同合金含量的钢进行焊接，碳将从碳化物形成元素( 例如C r 、M o 、V ) 含量低的材料向碳化物形成元素含量高的材料扩散，并析出碳化物。这种情况在铁素体钢与
6、奥氏体钢焊接时更容易发生，因为铁素体钢( 如低合金钢) 和奥氏体钢( 例如奥氏体不锈钢) 的合金成分相差很大，且碳在奥氏体钢中的活度比在铁素体中要高。当接头长期在高温环境下服役时，高合金钢侧就会形成富碳化物区，低合金钢侧会形成脱碳区。大量碳化物的析出，对高合金钢有致命的影响，例如硬度增加、脆性增加、抗腐蚀性能降低等。而且这种硬度的变化不能被退火或者应力释放消除。对脱碳区的影响则不一样，随着碳的迁移，氮和氧也会迁移到高合金钢侧，这样，脱碳区将会变得极为清洁( 例如无二相粒子) ，这样重结晶温度将下降到非常低的水平，在铁素体钢中约5 0 0 。因此，尽管脱碳区很厚，但它得硬度和抗拉强度都会显著降低
7、。另外，3 0 0 以下的环境，脱碳对接头在静态载荷下的机械性能没有影响，但是当接头承受垂直的交变应力时，其疲劳性能将降低。在高温环境中，脱碳将降低接头的蠕变性能。避免碳迁移的不同方法已有报道。用镍基合金作为低合金钢和高合金钢的焊缝填充金属。因为碳的活度和扩散速率在镍罩面很低，这样脱碳层的形成就受到了限制。另一种方法是在低合金钢和高合金钢之间焊接不同合金成分的一层或多层的焊缝，使焊缝中的碳化物形成元素逐步增加，这种延长碳扩散路径的方法也能取得阻止碳扩散的效果。另外，低合金钢的稳定化处理也能减少碳的迁移，尽管不能完全消除，典型的稳定化处理的方法是在低合金钢中加入适当的铌( N b ) 。核电站设
8、备大量使用耐蚀金属材料如奥氏体不锈钢和镍基合金，以及高强度低合金钢。低合金钢以其强度高价格低廉等特点用于制造反应堆压力容器、加压器和蒸汽发生器的壳体等，奥氏体不锈钢和镍基合金以其高耐蚀性等特点用于制造管道、控制棒驱动机构和仪表管等。因而在许多关键部位存在高合金不锈钢低合金压力容器钢的异材焊接件，根据国内外核电站长期的运行经验，应力腐蚀开裂( S C C ) 是此类焊件部件失效的主要原因之一，8蹭安j J ：业人学硕七学位论文常造成长时间而又耗费显著的停堆和修复，甚至产生一回路压力边界完整性遭到破坏造成反应堆冷却剂泄漏核安全问题。典型的例子有瑞典R i n g h a l - 4 核电站和美国V
9、 C S u m m e r核电站反应堆压力容器出口管道管嘴由于异种金属焊接的应力腐蚀开裂事件，两事件都出现了贯穿性的裂纹，并有反应堆冷却剂泄漏，如图1 8 ，1 9 。瑞典R i n g h a l - 4 核电站，1 9 9 3 年无指示；2 0 0 0 年有指示：发现在修补区有四条轴向裂纹，取6 个船样分析。发现所有指示处均有裂纹，均在1 8 2 合金中。不锈钢堆尸掣甫- 不锈钢士、，、Ii 1 5 侧ij；念_ P V 嘲I。- 。_ 一!焊层慈。、确K涝，1 8 2 合金堆焊层图1 8 压水堆核电站压力容器接管一安全端异种金属焊接件结构图1 9V C S u l 舯e r 电站热管段
10、管咀焊缝处的穿透管壁的裂纹位置2 ) 热膨胀系数的差异导致焊接残余应力奥氏体材料的热膨胀系数比铁素体材料要大很多，在铁素体一奥氏体接头中，这种差别能导致应力和塑性应变【1 】。当接头曝露于温度变化的环境时，由于热疲劳导致的现场失效已有报道。而且这种残余应力的存在，也增强了材料的应力风险。为了克服这一问题，9西安工业大学硕十学位论文用镍基合金焊一层一种热膨胀系数在奥氏体钢和铁素体钢的中间层。但镍基合金本身可能对应力腐蚀敏感。3 ) 焊后热处理的影响通常进行焊后热处理有两个目的：a 、减小残余应力；b 、为焊缝金属和热影响区提供一个适当的微观结构。因此，进不进行热处理将取决于焊接接头的使用要求。对
11、于铁素体一奥氏体接头来说，特别需要关注两个问题：a 、由于热膨胀系数的差别，焊接残余应力不能被消除；b 、热处理温度必须依据部件材料的特殊性能而定。最高的热处理温度通常取决于铁素体钢，通常低于7 0 0 。但是在这种温度下，将导致奥氏体钢的抗腐蚀能力和机械性能降低。c 、这种焊后热处理过程将会导致碳扩散，这对焊接接头来说是致命的。许多低合金钢和马氏体不锈钢的焊接是需要焊后热处理的，以优化热影响区的强度。对于低合金钢和奥氏体钢的焊接，如果需要热处理，则需要分成两步走，不能简单的进行焊后热处理。具体的方法是：首先，在低合金钢上堆焊一层合适的焊缝金属，然后进行合适的热处理，最后奥氏体钢与堆焊层进行焊
12、接，焊后不再进行热处理。4 ) 腐蚀问题铁素体钢和奥氏体钢相比，其耐蚀性能相对要低，如果在腐蚀性环境下，有发生电偶腐蚀的风险。另外，如果在焊接过程中或焊后热处理过程中发生了碳迁移，且有C r 的碳化物析出，则接头有发生晶间腐蚀的敏感性。同时由于热膨胀系数导致的焊接残余应力的存在，加实际承压载荷，部件有发生晶间应力腐蚀开裂的风险。而且，对低合金钢而言，由于脱碳区的疲劳腐蚀性能降低，如果接头在腐蚀环境下使用，则有腐蚀疲劳的风险。不过，这种接头在核电站应用时，低合金钢表面都会堆焊一层奥氏体不锈钢，不会直接与环境接触，不存在腐蚀疲劳的风险。因此，如果奥氏体不锈钢堆焊层必须进行焊后热处理以优化铁素体钢部
13、件的性能，在这种情况下，需要特别小心以避免堆焊层腐蚀性能降低，例如使用低碳的或含铌的含材。如果热处理对于基体材料并不是必需的，奥氏体堆焊层就保持焊后的状态，以获得最大的抗腐蚀性能。5 1 焊缝金属对接头性能的影响相对于不锈钢的焊条，镍基合金焊条的优点是较不容易形成马氏体，碳不易扩散，内应力较低，室温强韧性和高温蠕变抗力较高，缺点是热裂敏感性高，价格较高。而且过去通常使用的1 8 2 合金和8 2 合金，大量运行经验表明，它们对应力腐蚀开裂l O西安工业大学硕士学位论文敏感。新的替代焊缝金属是1 5 2 合金和8 2 合金，还没有应力腐蚀开裂的运行经验报道。大亚湾和岭澳核电站，不锈钢管道与低合金
14、钢容器之间异种金属焊缝采用焊材都是3 0 8 L 和3 0 9 L 奥氏体不锈钢。由于核电站属于高投入高产出设施，百万千瓦级核电站停堆一天，可损失数十到上百万美元。核电研究先进的国家，如美国、日本、法国、瑞典、德国、英国、芬兰等，已充分认识到以应力腐蚀破裂为代表的环境促进破裂及其它腐蚀失效是压水堆长期的、经常的、慢性的、损失巨大的工程问题，对此投入大量的人力物力研究其产生原因、过程、预测、防治和相关延寿方法，异种金属焊接的应力腐蚀行为是其中一项重要的研究内容。1 2 研究现状、水平及趋势其中关于异种金属焊接应力腐蚀开裂行为的研究，则主要有以下一些方面：1 ) R a o 掣2 J 综述了1 9
15、 7 3 1 9 9 1 年期间美国压水堆异材焊接件的破裂状况，表明主要原因是焊接过程中的热裂；不锈钢敏化和污染物共同导致的应力腐蚀破裂，这些污染物来自隔热材料或维修后清洁不干净的遗留物。2 ) B o u v i e r 等1 3 J 报导了在法国压水堆安全端外壁上发现的下列缺陷：点蚀：位于母材紧靠F A 界面的铁素体内；0 晶界破裂：位于3 0 9 L 奥氏体不锈钢堆焊的第一层里。现场和模拟实验分析认为属于大气腐蚀，应力和空气中的S O 。对其有促进作用。国内已有的关于异种钢的腐蚀性能研究主要集中晶粒度、夹杂物，焊后热处理等，而高温高压水环境下对于接头应力腐蚀开裂的影响研究偏少。董俊明等人
16、【4 J 用插销法评定了O C r l 8 N i g T i 钢及其焊接接头在1 4 3 、4 2 M g C I 溶液中的应力腐蚀开裂敏感性，测定了接头各区抗S C C 的临界值，指出奥氏体晶粒度是热影响区S C C 抗力的最主要因素，其中热影响区的晶粒度与S C C 临界值成线性关系。因此晶粒度越细越能防止微裂纹的产生，而夹杂物常常作为微裂纹的起源，要严加控制。传统观点认为焊后热处理可以消除残余应力，降低应力腐蚀敏感性，提高焊缝金属塑性等。但另一些人士认为应该避免焊后热处理的影响【5 - 7 1 ，主要理由为：1 ) 碳化物和仃相析出将导致焊缝金属脆化和耐腐蚀性能降低等不利后果2 ) 由于再结晶会导致热影响区中晶粒粗化3 ) 不能达到消除残余应力的目的，只能使其重新分布最新研究表明p J ，通过S E M 、T E M 以及动电位极化测试，发现焊后热处理会引起6 铁素体向仃相的转化，造成了焊接接头抗点蚀性能明显下降。褚武杨等人【9 J 讨论了应力腐蚀的基本机理，利用特殊的恒位移加载台，在投射电镜进行了位错组态变化及应力腐蚀微裂纹形核、扩展的原位观察。认为对金属材料而言，任何裂纹的
