核电站屏蔽厂房用Q420NC钢的免除后热消氢处理工艺分析

都婧婧，修延飞，李娟，樊祥博，王刚

1.山东核电设备制造有限公司 山东海阳 265118

2.烟台市核电设备工程技术研究中心 山东海阳 265118

为提高核电站反应堆厂房抗飞机撞击的能力，首次在国内采用钢板混凝土结构设计屏蔽厂房，其预制、拼装、安装施工过程工艺复杂且精度要求高，在国内核电站建设中无相关施工经验，因此提高屏蔽厂房的制造工艺水平有着重要的意义。

屏蔽厂房SC结构起始位置为电厂设计西向（未被辅助厂房包围的区域）从±0.0m标高起，被辅助厂房包围的区域从辅助厂房顶标高起，如图1所示[1]，顶部为进气口、屋顶和水箱等。屏蔽厂房进气口区域对强度要求较高，因此采用低合金高强度结构钢Q420NC（以下简称Q420NC钢），钢板厚度38mm。在实际生产中，对厚度为38mm的Q420NC钢全熔透焊缝需进行焊前预热、后热消氢处理。

图1 屏蔽厂房位置示意

由于屏蔽厂房子模块体积较大，无法进行整体热处理，因此只能采用局部分段热处理的方式进行后热消氢，局部热处理方式施工过程复杂，温度控制、加热冷却过程中的变形控制困难，会给屏蔽厂房制造质量带来较大风险。

通过斜Y形坡口焊接裂纹试验，验证38mm厚Q420NC钢焊接热影响区及焊缝金属产生冷裂纹的倾向性，确定焊接Q420NC钢时的合理预热温度，并通过后热消氢与焊态的对比试验来考察后热消氢处理对接头力学性能的影响。基于试验结果评估38mm厚Q420NC钢的气体保护焊对接焊缝后热消氢处理的必要性，为免除后热消氢处理提供依据。

3.1 焊接裂纹试验

焊接裂纹试验（又称小铁研试验）是一种拘束程度较苛刻的冷裂纹试验方法。根据CB/T 4364—2013《斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》来验证Q420NC钢焊接热影响区及焊缝金属产生冷裂纹的倾向性，可以得到能够防止冷裂纹的临界预热温度，作为判定冷裂敏感性的指标。试验分别选取预热温度为室温、50℃、100℃[2]，在3种预热温度下采用熔化极气体保护焊（GMAW）施焊，焊接材料均采用上海大西洋焊接材料有限责任公司生产的牌号为ER80S-G、φ1.2mm的焊丝，保护气体为80%Ar＋20%CO2，试样形式如图2所示[3]，试验焊接参数见表1。

图2 焊接裂纹试验试样形式

表1 焊接裂纹试验焊接参数

试验项目包括表面裂纹、根部裂纹、断面裂纹。表面裂纹采用磁粉检测；
根部裂纹采用渗透液先对试样焊缝根部着色，然后将试样拉断或弯断后再检测；
断面裂纹采用对横截面进行研磨腐蚀，腐蚀剂采用5%硝酸酒精，然后采用放大20～30倍的显微镜来检测。按照CB/T 4364—2013标准[3]的方法计算裂纹率。试验报告数据见表2。

表2 试验报告数据

由表2可知，随着预热温度的升高，裂纹累计长度及裂纹率逐渐降低。初步分析其原因是预热温度的升高改善了焊接热循环，降低了在外部拘束条件下焊接引起的应力，且焊前预热可使氢在焊接接头中的扩散速度加快，焊接接头冷却速度减慢，预热温度越高，冷却越缓慢，扩散氢逸出时间越长，裂纹率就会显著降低[4]。斜Y形坡口对接试验接头拘束度大，且根部尖角应力集中，试验条件比较严苛，对于低合金钢，一般认为，若表面裂纹率＜20%且无根部裂纹，则用于生产是安全的[5]。本试验组中的3个预热温度下均未出现表面裂纹，同时随着预热温度升高，根部裂纹率逐渐降低，分别为49%、25%、0，当预热达到100℃时，表面和根部均无裂纹产生。因此，对于38mm厚的Q420NC钢，预热温度＞100℃时可有效防止焊接接头产生冷裂纹。

3.2 后热消氢与焊态焊接性能对比

为进一步验证Q420NC钢在后热消氢处理态和焊态下的焊接性能，对两组试件进行性能对比试验。采用上海大西洋焊接材料有限责任公司生产的牌号为ER80S-G、φ1.2mm焊丝，保护气体为80%Ar＋20%CO2，试件坡口形式为双面对称X形坡口（见图3），预热温度采用斜Y形坡口焊接裂纹试验中确定的最低预热温度，即100℃。

图3 试件坡口形式

第1组试件采用后热消氢处理，后热消氢处理温度为250～350℃，保温时间≥1h，达到保温时间后缓冷至常温；
第2组试件为焊态。两组试件的焊接参数见表3。

表3 后热消氢与焊态试件的焊接参数

对焊接完成的试件按照AWS D1.1：2010《Structural Welding Code—Steel》[6]的要求进行超声波检测和射线检测，均合格。然后进行常温拉伸、弯曲、0℃夏比（V型缺口）冲击的力学性能测试。

（1）缩减断面拉伸试验 常温拉伸试验按照ASTM A370—2017《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》规定进行，试验结果均大于GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》中Q420NC钢的最低抗拉强度（520MPa），且均塑断于母材，见表4。

表4 常温拉伸试验结果

（2）弯曲试验 弯曲试验按照AWS D1.1：2010《Structural Welding Code—Steel》[6]的要求进行，弯曲直径为50.8mm，试验结果均合格：焊缝及热影响区无可见裂纹及不可接受的缺陷，见表5。

表5 弯曲试验结果

（3）夏比V型缺口冲击试验 冲击试验按照ASTM A370—2017规定进行，试验结果见表6。由表6可知，试验结果均远高于GB/T 1591—2018中Q420NC钢在0℃的纵向冲击吸收能量最小值（34J），其中两组试件焊缝、热影响区及母材的冲击吸收能量相当，无明显差异。

表6 冲击试验结果

1）通过斜Y形坡口焊接裂纹试验，38mm厚Q420NC钢的预热温度＞100℃时，焊接接头中未产生冷裂纹，因此可有效控制38mm厚Q420NC钢焊接冷裂纹的产生。

2）后热消氢与焊态两组试验均采用斜Y形坡口焊接裂纹试验中确定的最小预热温度100℃时，两组试验的所有项目及结果（射线检测、超声波检测、拉伸试验、弯曲试验、冲击试验）均满足AWS D1.1：2010[6]标准的相关要求。相比焊态，经后热消氢处理的试件，其抗拉强度有所下降，但仍高于验收要求。两组试件的其余力学性能项目（弯曲试验、冲击试验）的结果相当，均远高于设计和规范的技术要求，说明后热消氢对Q420NC钢的焊接接头性能无明显影响。

3）经过试验验证和分析，实际生产时采用以下工艺措施，可有效保证Q420NC钢焊缝的性能：①采用扩散氢含量很低的ER80S-G焊丝。②严格控制焊接热输入（不宜＞31.8kJ/cm）。③严格执行焊前预热温度＞100℃。④加强对焊后试件的无损检测。以上措施为工程施工过程免除后热消氢提供了可行性。目前，已在某三代核电站屏蔽厂房产品上实现免除后热消氢的应用，有效降低了现场后热消氢带来的施工难度、成本和质量控制风险，对其他项目工程实践具有一定的借鉴作用。

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