胡鑫

摘 要：在核電廠常規(guī)島的建設(shè)中，有許多大徑厚壁管道，此類管道因管徑大、管壁厚、拘束度大，易產(chǎn)生裂紋。而液態(tài)焊縫金屬在結(jié)晶過(guò)程中，由于受到氣體的作用易形成氣孔，因此，在核電廠中焊接大徑厚壁管時(shí)，需要優(yōu)化焊接工藝。以某核電站常規(guī)島主蒸汽管道為例，介紹了焊接、熱處理工藝，以及預(yù)防裂紋和氣孔產(chǎn)生的措施。

關(guān)鍵詞：主蒸汽管道；P280GH；焊接工藝；碳素鋼

中圖分類號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.16.069

常規(guī)島主蒸汽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力為8.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度為316 ℃，運(yùn)行壓力為6.77 MPa，運(yùn)行溫度為283.1 ℃，用于將來(lái)自核島的主蒸汽輸送至汽輪機(jī)、汽水分離再熱器、輔助蒸汽系統(tǒng)和輔助蒸汽轉(zhuǎn)換器等設(shè)備。來(lái)自核島的2根主蒸汽管道進(jìn)入常規(guī)島后合并為1根母管，在母管上引出2根分支管將主蒸汽送到汽輪機(jī)主汽門(mén)進(jìn)口。

主蒸汽管道的材質(zhì)為P280GH，管道的最大規(guī)格為φ813×32 mm，對(duì)焊接的質(zhì)量要求較嚴(yán)格。所有焊口均采用鎢極氬弧焊打底、手工電弧蓋面的焊接方法，焊前需預(yù)熱，焊后需進(jìn)行熱處理。

1 材料

1.1 母材

P280GH含碳量<0.22%，此鋼種為碳素鋼（含碳量≤0.35%為碳素鋼），并含有少量的Cr（≤0.10%）、Mn（1.60%）等合金元素。根據(jù)碳當(dāng)量公式得：Ceq=C+2.5S+P/2.5+（Si-0.4）/5+（Mn-0.8）/6≈0.4.由此可見(jiàn)，其可焊性較高。具體如表1和表2所示。

1.2 焊材

焊接主蒸汽焊口時(shí)，氬弧焊采用ER50-6焊絲，手工電弧焊采用E5015焊條。其焊接材料的主要化學(xué)成分、焊材熔敷金屬力學(xué)性能分別如表3和表4所示。

根據(jù)焊材選用原則，焊縫的熔敷金屬化學(xué)成分、力學(xué)性能應(yīng)與母材一致，并以此選擇焊材。將表3和表4中焊接材料的主要化學(xué)成分、力學(xué)性能與表1和表2的主要化學(xué)成分、力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比可見(jiàn)，焊絲ER50-6和焊條E5015兩種焊材的化學(xué)成分、力學(xué)性能完全滿足P280GH鋼材的焊接要求。

2 焊接缺陷的預(yù)防

冷裂紋產(chǎn)生的原因主要為焊接過(guò)程中擴(kuò)散的氫含量較高，使接頭性能脆化，并在焊接缺陷處聚集了大量氫分子，形成了非常大的局部壓力。因此，應(yīng)采取以下措施控制冷裂紋的產(chǎn)生：選用堿性焊條，減少焊縫金屬中氫含量、提高焊縫的金屬塑性；減少氫來(lái)源，烘干焊材、清潔接頭（無(wú)油、無(wú)銹、無(wú)水）；做到焊前預(yù)熱（可提高氣體的溢出速度、可焊性）、焊后緩冷；降低焊接應(yīng)力，采用合理的工藝，且在焊后熱處理等。

產(chǎn)生氣孔的原因很多，比如焊條和焊件合金成分的種類和含量、焊條涂料的酸堿度、焊件的清潔度、焊件的預(yù)熱溫度和焊縫的冷卻速度、焊接線的能量大小等。具體原因有以下6點(diǎn)：①焊件上的油、水、銹未清理徹底，焊條未烘干、烘干溫度不足或恒溫下保溫時(shí)間不足，進(jìn)而可能產(chǎn)生氫氣孔。②空氣濕度大的情況下，烘干的焊條易吸潮，可能出現(xiàn)氫氣孔。③在焊縫清理寬度過(guò)窄的情況下，焊接電弧高溫會(huì)使焊縫周?chē)推岬扔袡C(jī)物燃燒，釋放出水蒸氣或使碳?xì)浠衔锓纸猓M(jìn)而浸入未保護(hù)好的熔池，可能出現(xiàn)氫氣孔或一氧化碳?xì)饪?。④焊接電流過(guò)大，導(dǎo)致合金元素錳、硅大量燒損，在熔池中脫氧反應(yīng)就只能依靠碳元素來(lái)完成，碳與氧生成一氧化碳，可能出現(xiàn)一氧化碳?xì)饪住＂莺附铀俣冗^(guò)快時(shí)，熔池停留時(shí)間過(guò)短，氣體無(wú)法及時(shí)逸出，易出現(xiàn)氣孔。⑥焊接電流過(guò)小時(shí)，氣體外逸時(shí)受阻，易在焊縫內(nèi)產(chǎn)生氣孔。

冷裂紋和氣孔等缺陷產(chǎn)生的原因繁多，需在焊材管理、焊前準(zhǔn)備、焊接過(guò)程和焊后熱處理等環(huán)節(jié)中加強(qiáng)控制，最大程度上避免缺陷的產(chǎn)生，從而確保焊接質(zhì)量。

3 焊接和熱處理控制

3.1 焊前準(zhǔn)備

焊前準(zhǔn)備分為以下5步：①焊條在焊接前需經(jīng)350～400 ℃的溫度烘干，并恒溫保持1.5 h（120 ℃）?，F(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)必須裝入保溫筒，通電使其溫度保持在80～110 ℃，并做到隨用隨取。②保護(hù)氣體采用的氬氣的純度不低于99.99%.③焊接坡口的加工和焊接組對(duì)（間隙、錯(cuò)邊等）應(yīng)符合規(guī)范要求，內(nèi)、外壁坡口和兩側(cè)25 mm內(nèi)應(yīng)打磨干凈，使之露出金屬光澤。為了減小焊接應(yīng)力、變形，應(yīng)采用U形坡口。④在焊接場(chǎng)所放置溫濕度計(jì)，監(jiān)測(cè)焊接場(chǎng)所的濕度≤85%，保證焊接時(shí)不受外界濕氣的影響。⑤在焊接場(chǎng)所做好防風(fēng)擋雨措施，以保證焊接、熱處理過(guò)程的順利進(jìn)行。

3.2 組對(duì)

采用楔形塊點(diǎn)焊固定，保證內(nèi)壁齊平，錯(cuò)口值不得>1 mm。對(duì)口時(shí)用4塊鍥形（材料與母材相同）均勻分布定位焊在坡口上，定位焊工藝及其參數(shù)與正式施焊相同。由于坡口為U形，為了防止打底焊燒穿產(chǎn)生焊瘤，U形坡口底部采用1～1.5 mm的鈍邊，對(duì)口方法和尺寸如圖1所示。在焊完2層電弧焊后，才能用砂輪機(jī)磨掉焊點(diǎn)、去除鍥形塊，以保證打底后不產(chǎn)生拉裂裂紋。

3.3 焊前預(yù)熱

為了防止氣孔的產(chǎn)生、可焊性和氫原子逸出速度的提高，預(yù)熱溫度應(yīng)控制在150～200 ℃，升、降溫速應(yīng)≤300 ℃/h，并在打底全過(guò)程中進(jìn)行溫度的監(jiān)測(cè)和控制。

3.4 焊接工藝參數(shù)

焊接線能量綜合了焊接電流、電弧電壓與焊接速度三個(gè)工藝因素對(duì)焊接熱循環(huán)的影響。線能量增大時(shí)，韌性、硬度降低；線能量減小時(shí)，焊接熱輸入不足、冷卻速度快，易造成未焊透、焊接應(yīng)力集中等。因此，在保證焊縫成型良好的前提下，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)，以保證線能量焊接順利進(jìn)行、焊接接頭具有良好的性能。具體的工藝參數(shù)如表5所示。

3.5 焊接操作過(guò)程

3.5.1 氬弧焊打底

焊口的氬弧焊打底是保證焊口質(zhì)量的關(guān)鍵。采用二人對(duì)稱焊接，氬氣流量為8～12 L/min。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，由于管壁太厚，為了使內(nèi)、外壁均達(dá)到預(yù)熱溫度，應(yīng)先恒溫保持30 min。焊接時(shí)，由2名焊工分別在6點(diǎn)鐘和3點(diǎn)鐘或6點(diǎn)鐘（水平管道焊口）的位置引弧焊接，具體如圖2所示，垂直管道焊口由2名焊工對(duì)稱引弧焊接。

焊絲隨焊槍的擺動(dòng)一同移動(dòng)，兩側(cè)填充金屬熔合后，焊絲以50～80 mm/min的焊接速度連續(xù)地向熔池中均速送進(jìn)，焊槍稍有擺動(dòng)前行即可使整個(gè)根部突出一致，以獲得優(yōu)質(zhì)的根部質(zhì)量。收弧時(shí)，要將焊弧引到坡口邊上使焊接熔池慢慢變小、收弧，以免因接頭溫度速降而導(dǎo)致縮孔和產(chǎn)生裂紋傾向。主蒸汽管氬弧焊打底的電流一般選擇在80～140 A，氬弧焊打底的焊層厚度應(yīng)≥3 mm。

3.5.2 填充和蓋面

第一層焊接采用φ3.2 mm的焊條，電流選擇在80～155 A，其他層次的焊接選用φ4.0 mm的電焊條，電流選擇在120～200 A。兩人對(duì)焊時(shí)接頭要錯(cuò)開(kāi)。運(yùn)條時(shí)，焊縫與坡口邊夾角處的停留時(shí)間應(yīng)稍長(zhǎng)，以免產(chǎn)生夾渣；引弧時(shí)，在原收弧點(diǎn)稍前處引燃電弧后，再移至原收弧處，以免因引弧時(shí)電弧不穩(wěn)而導(dǎo)致氣孔產(chǎn)生。兩人應(yīng)選擇相同的規(guī)范參數(shù)，防止因焊接層數(shù)和焊縫道數(shù)的差別而增加不必要的應(yīng)力。焊接層間堆積的厚度應(yīng)不大于焊條的直徑+2 mm。采用多層多道的焊接方法，當(dāng)焊至2/3時(shí)，坡口焊縫尺寸增大，焊縫的道數(shù)從分道開(kāi)始的每層2道增加至焊縫加強(qiáng)面的每層3道。擺寬原則為不超過(guò)焊條直徑的5倍。層間焊接要將焊渣和飛濺物清理干凈。為了避免表層咬邊，填充至表面時(shí)應(yīng)先焊焊縫1和2，如圖3所示。坡口邊緣停留時(shí)間稍長(zhǎng)，然后焊焊縫3.用此焊接方法既可保證焊縫不咬邊、焊縫余高在0～3 mm，且焊縫成形美觀、過(guò)渡圓滑。

3.6 焊后熱處理

焊后熱處理為高溫回火。加溫時(shí)，力求內(nèi)、外壁與焊縫兩側(cè)溫度均勻。恒溫時(shí)，在加熱范圍內(nèi)任意兩測(cè)點(diǎn)間的溫度差應(yīng)<50 ℃。為了避免焊縫產(chǎn)生冷裂傾向，焊后應(yīng)立即升溫至（625±15）℃，并恒溫保持1.5 h，溫度降至300 ℃以下時(shí)可自然空冷。對(duì)于熱處理的保溫寬度，從焊縫中心算起，每側(cè)不小于管子壁厚的5倍，以減小溫度梯度。預(yù)熱和焊后的熱處理曲線如圖4所示。

4 焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

焊接質(zhì)量檢驗(yàn)分為以下3步：①焊工自檢和QC均應(yīng)重視焊接接頭的外觀質(zhì)量，除焊縫均整、尺寸符合規(guī)定外，如果發(fā)現(xiàn)咬邊、表面氣孔等缺陷，則應(yīng)及時(shí)打磨處理，以降低焊接接頭的應(yīng)力水平；②對(duì)于外觀檢查合格后的焊接接頭，可按規(guī)定委托進(jìn)行100%無(wú)損檢驗(yàn)；③焊口熱處理完畢后，進(jìn)行100%磁粉檢驗(yàn)和射線檢驗(yàn)。無(wú)損檢驗(yàn)結(jié)果表明，所采用的焊接工藝可行，焊接檢驗(yàn)一次合格率達(dá)100%，焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)采取以上措施，預(yù)防了延遲裂紋的產(chǎn)生、消除了殘余應(yīng)力、降低了接頭區(qū)域的溫差、減小了焊接熱影響區(qū)的淬硬性傾向、有利于氫氣的逸出、降低了焊縫中含氫量、減少了氣孔、防止了冷裂紋的產(chǎn)生和改善了接頭的塑性和韌性，從而解決了焊接過(guò)程中易產(chǎn)生氣孔和冷裂紋的問(wèn)題，大大提高了焊接質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： In the construction of nuclear power plant conventional island， there are many large diameter thick wall pipes， such as pipe diameter， Guan Bi thick， large constraint， easy to produce crack. In the process of crystallization， the liquid weld metal is easy to form pores. Therefore， it is needed to optimize the welding process in the welding of large diameter thick walled tube in nuclear power plant. In a nuclear power station conventional island main steam pipeline as an example， introduces the welding， heat treatment and prevention measures for the cracks and pores.

Key words： main steam pipe； P280GH； welding technology； carbon steel