在核电工业中镍基合金焊材的应用

在核电工业中镍基合金焊材的应用
从今年开始到2015年，我国的核电工业将进入一个高速发展的新时期。

因此，在这里占用一些篇幅来探讨一下核电工业专用的高镍合金焊材的应用及前瞻是很有意义的。

1. 特殊焊材的应用：本文所探讨的核电专用焊材INCONEL® FM 52及52M 和 INCONEL® WE 152及152M主要用在核岛蒸发器的管板焊接中；
l 所谓蒸发器实际上是一个放置在密闭容器中，将核子反应堆中核子连锁反应所产生的超高能量转换高压蒸汽的热交换器。

l 这个热交换器有二部份组成：
①管板——是一块直径约为4,000mm-5,000mm，厚度约为500-600mm的碳钢铸件（如5083钢），由于管板的底部要常年和纯水接触，所以必须在该表面堆焊一层10-12mm厚的高镍合金。

在INCONEL® 52出现以前，通常是选择INCONEL® 82焊带，在管板的底部做埋弧或电渣的多层堆焊。

②U型管——是热交换器的核心部件。

为了防止管内纯水的腐蚀，这类U型管通常是采用INCONEL® 600的高镍合金材料制成，其管径约为10-12mm，管顶高度约为7,000-8,000mm。

为了提高热交换的效率，一个蒸发器中往往有几千组的U型管。

组装时先在用深孔钻，按U型管的管径在管板上钻孔，然后将U型管的双管倒插在相应的孔位中，最后在管板带堆焊层的一面用INCONEL® FM 82或INCONEL® FM 52，并使用自动管板Tig焊机将管和板焊接在一起。

考虑到一
个蒸发器会涉及到数千对这一类的管板Tig 焊，以及蒸发器中纯水强烈的腐蚀作用……因此这一类焊接质量的优劣，将会对核电站日后的安全运行产生十分深远的影响。

以下有必要对如何选用最合适的材料来进行这一类焊接作一个全程的跟踪。

2. 历史的回顾：
国外的核电工业始于上一世纪的50年代，当时建造这类设备的材料主要是镍—铬—铁系的INCONEL ® 600合金，并主要采用INCONEL ® FM 82和INCONEL ® WE 182来焊接这类锻制合金。

直到上一世纪的70年代才发现了这类材料或其焊缝中存在晶间腐蚀开裂（IGSCC ）的现象。

此后的一系列研究证明镍合金中铬（Cr ）元素的含量与其抵抗IGSCC 的能力有直接的关系。

进一步的研究证明含铬30%的镍合金在核辐射和纯水的环境中，具有最佳抵抗应力腐蚀开裂的能力。

由此SMC 超合金集团开发出含Cr30%的INCONEL ® 690合金，并很快成为核电站中制造各种抗辐射，抗腐蚀部件的主要材料。

在80年代，和INCONEL ® 690相配合的焊接材料INCONEL ® FM 52（ERNiCrFe-7）和
INCONEL ® WE 152（ENiCrFe-7）也被相继的开发出来，并得到了广泛的应用。

以下是上述各种产品的化学成份：
Ni C Mn Fe S Cu
Si Cr Ti Nb P Mo Al Other INCONEL 600 72最少 0.15最多 1.0最多 6.0- 10.0 0.015最多0.50
最
多
0.50最多 14.0-17.0 INCONEL FM 82 67最少 0.10最多 2.5- 3.5 3.0最多
0.015最多
0.50
0.50最多 18.0-22.00.75最多 2.0- 3.0 0.030最多 0.50最多INCONEL WE 182 59.0最少 0.10最多 5.0- 9.5 10.0最多 0.015最多0.50
最
多
1.0最多 13.0-17.0 1.0最多 1.0-
2.5 0.030最多 0.50最多INCONEL WE 52 其余 0.04最多 1.0最多 7.0- 11.0 0.015最多0.30
最
多
0.50最多 28.0-31.5 1.0最多 0.03最多 0.03最多 0.50最多 1.10最多 0.50最多INCONEL WE 152 其余 0.05最多 5.0最多 7.0- 12.0 0.015最多0.50
最
多
0.75最多 28.0-31.50.50最多 1.0- 2.5 0.03最多 0.50最多 0.50最多
0.50最多
为最终了解这类产品的焊接性能，西屋公司（Westin House）和SMC超合金集团（当时的INCO Alloy International公司）委托爱迪生焊接研究所（EWI）对含30%铬的INCONEL® 52和含15%-20%铬的INCONEL® 82进行了热裂纹敏感度的对比试验，其目的是测试其抵抗热裂纹和凝固裂纹的能力。

图1所示是INCONEL®52熔敷金属线性可调拘束裂纹试验结果的照片，EWI的研究结果表明，INCONEL® 52填充金属比INCONEL® 82填充金属具有更好的抵抗热裂纹的能力。

进一步的研究又发现，除了热裂纹以外又出现了一种所谓的“冷裂纹”。

下面先来说明热裂纹和冷裂纹的差异；图2是INCONEL® 52熔敷金属的显微照片，照片放大了100倍，照片中可以看出晶间失延裂纹（DDC），这种裂纹有时也被称作为冷裂纹。

在二十世纪九十年代中期，一支美国海军科研小组在用含铬30%的焊丝进行焊接时，发现了一种不同寻常的固态开裂现象。

这种裂纹看上去像是一种凝固裂纹，但经过仔细研究发现，这种裂纹并不产生在液相凝固区，因此与液相或热裂纹并没有关系。

随着研究的深入，发现了越来越多的这种类型裂纹的案例。

偶尔会在裂纹尖端发现细小的再结晶晶粒，看上去好像被促使裂纹产生的能量在再结晶过程中吸收掉了一样。

因为这种裂纹不是在液相凝固过程中产生的，因此暂时把这类裂纹称作”冷裂纹”，以便与“热裂纹”相区分。

实际上，把这种裂纹称作“冷裂纹”是不恰当的，因为这种裂纹最容易产生的实际温度范围高达1400℉(760℃)-1900℉(1038℃)。

在进入90年代后出现了更多这类DDC的实例，并且伴随着这类裂纹出现的是发生在管板焊接交界处焊根裂纹的倾向。

同时也经常会观察到由于存在氧化物或氮化物而形成的夹渣。

DDC有时也称为“再热裂纹”，因为他们常常发生在焊接下一道焊道时，并出现在上一焊道的热影响区。

为此，SMC超合金集团制定了一个雄心勃勃的研究计划，开始了征服DDC的征途。

3. SMC公司的研究计划目标：
①研究考察“冷裂纹”的产生机理，这种裂纹有时也被称作“失延裂纹（DDC）”。

②建立一套实验体系，保证能可靠的再现这一类的DDC，同时要建立一套检测这类DDC的方法。

③提出一套防止这一类DDC产生的方案，并研制一系列可靠的，并适合于核电生产环境的焊接产品。

④继续保持良好的抵抗热裂纹的能力。

⑤提高抵抗焊根裂纹的能力。

减少铝和钛的成分，以减少氧化物和氮化物“夹渣”的产生，这种夹渣容易形成夹杂物并造成气孔（见图3）。

在经历了一段时间的试验和研究以后，SMC的科研工作者们提出了一种新的理论：即一些晶粒边界的高温延性比晶粒内部更低。

当冷裂纹敏感性较高的合金承受高温应变，例如大拘束多道焊接时，在某些部位就可能出现超出材料的屈服强度和晶界延性的临界值，从而产生裂纹。

在裂纹开口处应力下降，裂纹可能停止扩展，与此同时，能量的释放可能会在裂纹尖端诱发再结晶。

进一步的研究和持续观察通过外延方式长大的长晶界，并且利用了其他研究机构所得到的研究成果，初步认定“冷裂纹”的产生与氧、碳和硫元素的作用有关。

在下一步的量化研究中又确认这些元素能够降低晶界延性。

因此SMC的研究人员决定在材料中添加少量晶界脱氧剂，强化剂及脱硫剂来阻止有害元素向晶界聚集。

在实施以上设想的过程中，所添加元素的种类、数量以及添加这些元素后所产生的综合影响的评定是十分复杂的。

这里如何使添加元素的数量“恰到好处”是最困难的。

特别是敏感程度非常高的元素如硼和锆，如果处置不当反而会造成严重的负面影响。

总的来说，为了使合金的性质的最大优化，需要控制的元素有以下几种：铝、钛、硅、铌、锰、硼和锆。

最后，SMC公司开发和推出了一种新合成的焊材—INCONEL® FM 52M （ERNiCrFe-7A），其成份和性质有以下特征：
①在加入了适量的脱氧剂后，材料中铝的含量可以控制到0.01%左右；
②在加入了适量的氮固定剂后，钛的有效成份可高达0.4%左右；
③硅的含量应当控制在0.05%-0.40%之间，具体是多少取决于未来将采用哪一
种焊接工艺；
④当所有相关因素处于一个平衡状态时，并铌的含量在0.5%-0.8%之间时已足以控制焊接热裂纹的产生；
⑤当材料同时含有铌和硅，并锰的含量在0.5%-0.8%之间时，已足以将硫控制在一个合理的水平；
⑥当所有相关元素都处在一个合适的范围以内，晶界元素硼和锆即可以控制DDC（或“冷裂纹”）的产生。

在我们的实验中发现，残留的硼的含量在
0.0005%-0.004%之间、锆的含量在0.004%-0.015%之间就已经可以产生明显的果效；
⑦总的来看，在进行上述控制的同时“焊根开裂趋势”有了极大的缓解；
⑧当所有元素处于恰当平衡之际，即使降低铝和钛元素的含量也不会带来负面影响。

控制铝和钛的含量的一个直接结果是大大减少了“浮渣”产生的可能性；
⑨控制铝和钛的含量并减少“浮渣”同时，也使部分氧化物和氮化物分解，并极大地减少了焊缝夹杂物所产生气孔等的缺陷。

4. 对新焊材INCONEL® 52M性能的评估：
为了正确的评估新材料的性能，SMC和EMI公司的研究工作者，设计了可以进行不同测试用的管板焊道的实体模型，具体如下：
样品的一个表面带有INCONEL® 690的堆焊层。

然后在带堆焊层的表面钻了若干个孔，这些孔的边缘可以模拟管板焊接自我拘束度的条件。

然后在孔的边缘进行360°全位置环缝Tig焊。

在所有焊接都完成后，沿孔的中心线把焊接模型（或称为焊接试样）切成二块。

并对所有表面进行打磨及腐蚀测试，然后对腐蚀后的表面用金相照片或直接采用高倍显微镜进行观察和分析。

测试的结果表明：INCONEL® 52M形成的焊缝和INCONEL® 52相比，具有优异的抵抗“冷裂纹”（DDC），热裂纹和焊根裂纹的能力。

另外INCONEL® 52M填充金属能大大减少浮渣，从而减少夹杂物及产生气孔等缺陷。

5. WSI公司对结构焊接材料所做的堆焊试验以及后来EPRI对这一试验所做的评估：
为进一步确认INCONEL® FM 52M在核电站现场可能出现的表现，WSI公司采用二种材料（52和52M）模拟了核电压力容器中的结构焊缝。

事实上，所有的这些结构焊缝都被安装在5G（水平）的位置上，并且所有的焊接都使用Tig焊及采用“环境温度回火”的焊接方法。

这种方法可以在ASME N-638规范案例中查到。

N-638规范案例还明确提供了有关的工艺条件和焊接生产应遵循的准则，所有焊接设计应该遵照ASME N-504-2规范案例中的有关规定，即允许利用外部焊缝来消除缺陷的影响。

图5表示WSI管道试样焊接过程的常规布置。

总的来说，用ERNiCrFe-7填充材料和Tig焊进行结构焊缝堆焊的焊接特性完全可以与其它镍基焊丝（例如ERNiCr-3、ERNiCrMo-3等）相媲美。

“浮渣”可能漂浮在熔融的熔池表面，但是随着熔池的前进，这些熔渣可以完全的消散。

需要特别指出的是，用ERNiCrFe-7填充材料形成的堆焊缝比较容易夹杂氧化物和其他杂质。

这种杂质非常容易产生在管道外表面的熔池中，特别是当焊缝处在5G的位置。

在这种应用条件下，杂质可能会出现在整条焊缝的周围，并且更可能出现在焊缝中某些特定的位置。

考虑焊枪从管道圆周12:00钟的位置开始，并沿顺时针方向运动，夹杂最容易产生在从12:00-4:00钟的圆弧范围内。

这种夹杂看起来与熔融熔池受重力影响有关。

由于重力的影响，熔池所产生的形变，其边缘可能将夹杂物“翻卷”到熔池的表面。

一旦这种情况发生，未分解的夹杂物就可能沉积在熔池中。

尽管单个的夹杂物体积非常小，然而由于熔池有一种“收集”的作用，使夹杂物一个接一个的排列起来（所有夹杂物基本分布在同一层面上）。

但是采用超声检测很难分辨这一类的掺杂物。

当这一类掺杂物存在时，超声检查通常是出现“未熔合”的信号。

在测试INCONEL® 52同时对INCONEL® 52M的测试也在进行中，由于INCONEL® 52M填充金属是不以铝元素和钛元素作为主要脱氧剂，这种冶金特性被认为是减少氧化物/夹杂物的一个合理的结果，而这些氧化物/夹杂物正是导致超声检测时产生“未熔合”信号的主要原因。

WSI准备了一个实体试样模型来评定INCONEL® 52M填充金属的焊接性。

试样的直径为12”，管道截面的壁厚为0.844”，试样水平放置在管道支架上，保证管道外环缝焊接时能够处在 5G的位置。

此时管道的两端被封住，内部充满流动的冷水，目的是模拟在大的热沉条件下进行的焊接。

利用WSI独有的焊接参数控制方法（目的是要获得合格的ERNiCrFe-7熔敷金属）焊接进行两道结构焊缝。

一
道焊缝利用双侧向上的焊接方式，另一道则采用常规环缝焊接的方式。

图6所示是在管道试样上接近完成两道焊缝的情形。

6. INCONEL® 52M焊缝非破坏性检测
焊缝首先进行染色剂表面渗漏检测，看是否存在气孔或裂纹。

试样的表面被WSI 的测试人员用机械加工成光滑表面，没有发现任何重要缺陷的迹象。

接下来，模拟管道在现场所进行的测试，对这两道焊缝进行接触超声检测。

这是一种利用多角度超声波束进行自动监测的方法。

这两个试样都没有重要缺陷的迹象。

只检测到很少数量多焊层间熔合线的指示信号，但是，十分重要的是没有检测到未熔合信号。

另有一些检测信号如图9、10和11所示，这些被认为是边缘效应。

图6所示是管道试件，图9-11为环形焊道的超声检测信号图像。

双侧向上焊接焊缝也没有检测到明显的缺陷信号。

总之，在5G的位置施焊，无论是用环形焊接方式还是双侧向上焊接方式，INCONEL® 52M填充材料都能获得低压检测（LP）和超声检测（UT）合格的焊缝。

并且，根据ASME 2142-2规范案例的修正本，INCONEL® 52M填充材料还可以应用在原先ASME F-43系列焊接材料应用受到限制的场合。

总之，INCONEL® 52M得测试得到了圆满的成功，多年以来困扰人们的“冷开裂”终于找到了一个可靠的解决方案。

这是一个根据生产实践中所出现的问题，进而寻求解决方案的精彩实例。

今天INCONEL® 52M（ERNiCrFe-7A，或称为镍—铬—铁7A）已经被众多国际以及国内的核电制造厂所认识，并投入使用。

相信在不久的将来对这种核电新材料的应用会更加广泛。