李玉良

（國(guó)核工程有限公司，上海200233）

AP1000主蒸汽管道焊接技術(shù)

李玉良

（國(guó)核工程有限公司，上海200233）

分析AP1000核電站主蒸汽管道焊接性能，介紹AP1000主蒸汽管道的焊接方法、焊接工藝和焊接過程控制。實(shí)踐表明通過焊接工藝評(píng)定，制定合理的焊接工藝，施工中加強(qiáng)焊接過程中控制，就可以獲得綜合性能優(yōu)良的焊接接頭和焊接質(zhì)量。

核電；AP1000；SA335 GR P11鋼；焊接性

0 前言

AP1000核電站核反應(yīng)堆廠房包括兩條主蒸汽系統(tǒng)回路，主蒸汽管道材料為SA335 GR P11，規(guī)格為φ965mm×44mm。主蒸汽管道焊接性相對(duì)較差，由于焊縫為核安全級(jí)，對(duì)焊接質(zhì)量要求高，因此采用合適的焊接方法，制定合理的焊接工藝，能顯著提高焊接質(zhì)量。

1 SA335 GR P11鋼的焊接性

SA335GR P11屬于珠光體耐熱鋼，焊接易出現(xiàn)冷裂紋、熱影響區(qū)硬化以及焊后熱處理和長(zhǎng)期在高溫狀態(tài)下使用易出現(xiàn)再熱裂紋[1]。

1.1 化學(xué)成分和機(jī)械性能

SA335GRP11的化學(xué)成分和機(jī)械性能見表1、表2。

表1 SA335P11鋼的化學(xué)成分％

表2 SA335P11鋼的機(jī)械性能

1.2 再熱裂紋敏感性

根據(jù)合金元素對(duì)再熱裂紋敏感性的影響，可采用再熱裂紋敏感性指數(shù)法進(jìn)行評(píng)定。

當(dāng)ΔG≥2時(shí)，對(duì)SR裂紋敏感，易裂；當(dāng)2＞ΔG≥1.5時(shí)，對(duì)再熱裂紋敏感性中等；當(dāng)ΔG＜1.5，對(duì)再熱裂紋不敏感，不易裂。

經(jīng)計(jì)算SA335 GR P11ΔG=1.78，屬對(duì)再熱裂紋敏感性中等的高溫耐熱合金鋼。

2 焊接工藝

2.1 焊接方法

從蒸汽發(fā)生器（SG）到鋼制安全殼（CV）筒體貫穿件間的焊縫設(shè)計(jì)要求事故工況時(shí)為先漏后破，必須采用鎢極氬弧焊工藝（GTAW）。雖然手工鎢極氬弧焊的焊接質(zhì)量高，可以減少過熱的粗晶區(qū)，但考慮到生產(chǎn)效率比較低，現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度壓力較大，故從CV貫穿件到輔助廠房11軸貫穿件之間的焊縫采用手工氬弧焊打底加焊條電弧焊（SMAW）填充蓋面的組合焊接方法。

2.2 焊接材料

焊接材料的選用應(yīng)保證焊縫性能與母材匹配，并具有必要的熱強(qiáng)性，焊縫化學(xué)成分與母材相近。為防止焊縫有較大的熱裂傾向，焊縫中的含碳量應(yīng)比母材的含碳量低。焊條氬弧焊焊絲選用ER80S-B2，焊條電弧焊焊條選用E8018-B2-H4。填充金屬的化學(xué)成分和機(jī)械性能分別見表3和表4。

表3 化學(xué)成分％

表4 機(jī)械性能

2.3 焊接工藝評(píng)定

AP1000主蒸汽管道現(xiàn)場(chǎng)焊接標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該符合ASMEⅢNC和ND的要求，為使焊接工藝評(píng)定覆蓋更廣，減少施工焊接工藝評(píng)定數(shù)量，焊接評(píng)定按ASMEⅨ和ASMEⅢNB（按ASMEⅢNC-4335.1和ND-4335.2要求，NB分卷工藝評(píng)定可以覆蓋NC和ND工藝評(píng)定）要求進(jìn)行，評(píng)定母材使用規(guī)格為φ508mm× 38mm，實(shí)施了兩份評(píng)定，一份是手工GTAW，另一份是手工GTAW打底，SMAW填充和蓋面。

2.3.1 焊接參數(shù)

焊接設(shè)備采用ZX-315ST焊機(jī)，焊接參數(shù)如表5所示。

表5 焊接工藝參數(shù)

2.3.2 試件焊后熱處理

試件焊接完成后，根據(jù)ASMEⅢNB-4620規(guī)定，應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理，焊后熱處理恒溫時(shí)間至少等于施工熱處理所需最長(zhǎng)恒溫時(shí)間的80％，技術(shù)要求如表6所示。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)格書要求，熱處理包含三個(gè)熱處理循環(huán)，恒溫時(shí)間共6 h，熱處理曲線如圖1所示。

表6 熱處理技術(shù)要求

圖1 熱處理曲線

2.3.3 評(píng)定試驗(yàn)

按ASMEⅨQW451.1要求，焊接工藝評(píng)定焊件應(yīng)在規(guī)定的位置制備成試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和橫向彎曲試驗(yàn)。拉伸試樣取2個(gè)，彎曲試樣面彎取2個(gè)，背彎取2個(gè)。拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度不小于母材規(guī)定的抗拉強(qiáng)度，彎曲試樣在彎曲后的凸面上沿任何方向測(cè)量，在焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)都不得有超過3.2mm的開口缺陷[2]。

另外按ASMEⅢNB-4335要求，應(yīng)對(duì)焊縫、焊縫熱影響區(qū)和母材在不高于服役最低溫度進(jìn)行缺口韌性沖試驗(yàn)，每個(gè)部位取3個(gè)試樣，試驗(yàn)要求橫向膨脹量不小于1.0mm，夏氏V型沖擊吸收能量不小于68 J[3]。

3 焊接過程控制

3.1 坡口設(shè)計(jì)

坡口采用機(jī)械方法加工，管道坡口內(nèi)側(cè)按在役檢查要求為管道0.875壁厚的兩倍進(jìn)行內(nèi)鏜孔，坡口形式如圖2所示。

3.2 組對(duì)

裝配采用點(diǎn)固棒形式點(diǎn)固在坡口內(nèi)，點(diǎn)固棒應(yīng)沿焊縫周向均勻分布，不同管徑使用的點(diǎn)固棒規(guī)格及數(shù)量8件。點(diǎn)固棒宜對(duì)稱布置，點(diǎn)固用的材料與母材一致相同。點(diǎn)焊采用與正式焊縫相同的焊接工藝規(guī)程及具有焊接資質(zhì)的焊工焊接。

圖2 對(duì)接坡口形式及尺寸

按ASME NC-4223要求，組對(duì)時(shí)坡口內(nèi)側(cè)圓周上各點(diǎn)的均勻錯(cuò)邊量最大不能超過0.8mm，當(dāng)存在外錯(cuò)邊時(shí)，應(yīng)在焊縫表面焊接成不小于3∶1的斜坡過渡，并在焊后將焊縫表面打磨光滑，斜度不小于3∶1。

3.3 焊接

3.3.1 焊接技術(shù)要點(diǎn)

（1）GTAW打底焊或全氬弧焊。

預(yù)熱溫度升至150℃～200℃后進(jìn)行GTAW打底焊，焊縫背面應(yīng)進(jìn)行充氬保護(hù)。打底焊時(shí)正面保護(hù)氣應(yīng)提前1.5～4 s輸送氬氣，排除輸送皮管內(nèi)及焊口處的空氣；熄弧后，應(yīng)適當(dāng)延時(shí)5～15 s熄氣，保護(hù)尚未冷卻的鎢極及熔池，降低焊縫表面氧化程度。GTAW焊打底至少兩層，每層厚度應(yīng)為2.0～2.5mm，層間溫度控制在200℃～250℃。操作上應(yīng)特別注意收弧質(zhì)量，收弧時(shí)先將焊接電流衰減下來，填滿弧坑后移向坡口邊緣收弧，防止產(chǎn)生弧坑裂紋。

（2）SMAW填充焊及蓋面焊。

施焊過程兩人對(duì)稱焊接，應(yīng)始終保持層間溫度為200℃～250℃，使得每道焊縫的金相組織在冷卻后全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，從而保證熱處理后焊接接頭的結(jié)晶組織為綜合機(jī)械性能最佳的回火馬氏體組織。施焊時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制線能量在工藝評(píng)定范圍之內(nèi)。單層焊道的厚度不大于所用焊條直徑，盡可能采用細(xì)條窄道焊，擺動(dòng)焊寬度不大于所用焊條直徑的3倍。多層多道焊接頭應(yīng)錯(cuò)開，每層焊道接頭錯(cuò)開10～15mm，同時(shí)注意盡量焊得平滑，便于清渣和避免出現(xiàn)死角。嚴(yán)禁同時(shí)在同一處收弧，以免局部溫度過高影響施焊質(zhì)量。注意層間清理，每層焊縫焊接完畢后，應(yīng)用角向磨光機(jī)等將焊渣、飛濺等雜物清理干凈，方可進(jìn)行次層焊接。施焊中，注意收弧質(zhì)量，收弧時(shí)將熔池填滿，避免出現(xiàn)弧坑。填充時(shí)為使坡口兩邊熔合良好，焊接時(shí)特別注意坡口兩邊的熔化情況，焊接速度不宜過快，否則易產(chǎn)生未熔合缺陷。

3.3.2 焊接變形控制

AP1000主蒸汽管道由于外徑大，壁厚較厚，焊接填充量大，焊接將有較大的焊接變形和焊接收縮。焊接時(shí)如果采用過大的焊接熱輸入，會(huì)增加焊接應(yīng)力和變形，熱影響區(qū)的過熱程度大，晶粒粗大，晶界的結(jié)合能力降低，產(chǎn)生再熱裂紋可能性增加，且接頭韌性也下降[1]。因此宜用小的焊接熱輸入，焊接時(shí)采用多層多道窄焊道，合理的焊接順序，對(duì)控制焊接變形控制非常重要。

主蒸汽管道單段較重，最大質(zhì)量6.4 t，焊接時(shí)使用環(huán)吊或手拉葫蘆，根據(jù)拉力計(jì)數(shù)值，調(diào)整管道承受的拉力，確保焊縫在焊接過程中不承受自身重量，以減少焊接應(yīng)力產(chǎn)生。

對(duì)每條焊縫，按下圖進(jìn)行分段分區(qū)，焊接過程中，采用分段退焊和分段跳焊的方法。焊接時(shí)，可安排兩名焊工對(duì)稱焊接，如圖3所示，兩名焊工站位在1、2號(hào)位，同時(shí)起弧和滅弧，不可一人單獨(dú)焊接。在焊接過程中還應(yīng)根據(jù)變形情況，調(diào)整焊接起弧和焊接位置，以防止產(chǎn)生過大的焊接變形。焊接時(shí)按照焊縫分段和焊接順序圖進(jìn)行焊接。

圖3 焊縫分段和焊接順序示意

4 焊后熱處理

焊后熱處理的目的是為了降低焊接接頭的殘余應(yīng)力，改善接頭組織，提高其

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W elding technology of AP1000main steam pipe

LIYuliang
（State Nuclear Power Engineering Company，Shanghai200233，China）

Through analyzing the weld ability ofmain steam pipe of the AP1000 nuclear power plant，introduce the weldingmethod，weld process technology and weld control.Practice shows that through welding procedure qualification，formulate the reasonablewelding process，strengthen thewelding processcontrolduring construction，can obtain good comprehensivepropertiesofweld andweldingquality.

nuclear power；AP1000；SA335 GR P11 steel plate；weldability

TG457.6

B

1001-2303（2015）07-0126-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.27

2015-02-09

李玉良（1975—），男，重慶榮昌人，學(xué)士，工程師，主要從事焊接質(zhì)量管理工作。