周利東，薛源，劉金貴，白哲宇，王為輝

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

就目前的情況來(lái)看，我國(guó)大部分的核電站建設(shè)過(guò)程中，焊接管道依然選用的進(jìn)口管道。當(dāng)下，隨著國(guó)內(nèi)核電站的陸續(xù)開(kāi)工，核電站常規(guī)島（A691）焊接管道用量持續(xù)增大，如果繼續(xù)進(jìn)口，不僅成本高昂，且難以滿足我國(guó)核電站大規(guī)模建設(shè)需求。為此，探究核電站常規(guī)島（A691）焊接管道國(guó)產(chǎn)化具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 核電站常規(guī)島（A691）焊接管道國(guó)產(chǎn)化原則

1．1 精準(zhǔn)把握國(guó)產(chǎn)化內(nèi)涵

核電站常規(guī)島（A691）焊接管道國(guó)產(chǎn)化并非是不經(jīng)過(guò)任何分析的一刀切，國(guó)產(chǎn)化的主要目的是在保證核電站常規(guī)島（A691）焊接管道質(zhì)量的前提下，降低核電站建設(shè)成本。為此，企業(yè)應(yīng)當(dāng)瞄準(zhǔn)那些用量大、價(jià)值高，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)水平完全滿足要求的管道選擇國(guó)產(chǎn)。而對(duì)于那些用量小、價(jià)值低以及不具備國(guó)產(chǎn)化條件的焊接管道可以選擇國(guó)外進(jìn)口。

1．2 結(jié)合市場(chǎng)與國(guó)際接軌

就目前的情況來(lái)看，我國(guó)的核電站建設(shè)施工主要依賴西方發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)的技術(shù)，焊接管道生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范依然被少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷，特別是核反應(yīng)堆依然掌控在少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家和核企業(yè)中。由于考慮到（A691）焊接管道國(guó)產(chǎn)化，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)各管道供應(yīng)商的調(diào)查和交流，了解到國(guó)內(nèi)供貨商具備焊接管道ASME/ASTM的生產(chǎn)能力。為此，核電站常規(guī)島（A691）焊接管道應(yīng)立足國(guó)際市場(chǎng)，并快速實(shí)現(xiàn)與國(guó)際接軌。

1．3 持續(xù)有力帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

核電站常規(guī)島（A691）焊接管道國(guó)產(chǎn)化的最終目標(biāo)為了降低核電站的建設(shè)成本，但這并不是唯一的目的。為此，我們應(yīng)當(dāng)盡早的認(rèn)識(shí)到核電總是要走出國(guó)門的。雖然說(shuō)，我國(guó)的核電技術(shù)尚未具備知識(shí)自主產(chǎn)權(quán)，但對(duì)于那些需要建設(shè)核電站而資金又不充足的企業(yè)依然具有很大的吸引力。因此，在焊接管道國(guó)產(chǎn)化的研究過(guò)程中，我們應(yīng)當(dāng)持續(xù)有力帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，嘗試“走出去戰(zhàn)略”，這也是我們應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的一份社會(huì)責(zé)任?；谝陨峡紤]，如果相同材料與相同標(biāo)準(zhǔn)制造管道，其造價(jià)與性能與進(jìn)口管道相差并不是很大，也容易被西方國(guó)家認(rèn)可，從而為“走出去”戰(zhàn)略奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1．4 虛心借鑒吸納已有研究成果

核電站常規(guī)島（A691）焊接管道國(guó)產(chǎn)化，還應(yīng)虛心借鑒吸納已有研究成果，進(jìn)行深入研究。在具體的工程項(xiàng)目建設(shè)中，要綜合考慮焊接管道材料采購(gòu)成本、供貨周期，若經(jīng)濟(jì)條件允許，還可以多個(gè)項(xiàng)目聯(lián)合批量采購(gòu)。這樣一來(lái)，可以幫助企業(yè)降低采購(gòu)成本，同時(shí)還有利于供貨商批量生產(chǎn)，保證供貨質(zhì)量。

2 A69121/4CrCL22鋼的主要性能

A69121/4CrCL22鋼是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)鋼材，ASMEA691是美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)高溫高壓服役條件用電熔焊碳鋼和合金鋼管標(biāo)準(zhǔn)：21/4Cr表示鋼管等級(jí)，該鋼中w（Cr）為2.25%，w（Mo）為1%；CL22是如處理消除應(yīng)力狀態(tài)。A69121/4CrCL22鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2。

表1 A69121/4CrCL22鋼的化學(xué)成分

表2 A69121/4CrCL22鋼的力學(xué)性能

3 常規(guī)島合金鋼焊管材料國(guó)產(chǎn)化

常規(guī)島合金鋼焊管原材料鋼板選用國(guó)內(nèi)制造的屬于貝氏體鋼范疇的ASTMA387/A387MGr.22CL2鋼，采用轉(zhuǎn)爐煉鋼+爐外精煉工藝，其原材料化學(xué)成分、原材料力學(xué)性能如表3和表4。

表3 原材料化學(xué)成分

表4 原材料力學(xué)性能

根據(jù)表3和表4的分析檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，可見(jiàn)，目前國(guó)產(chǎn)材料在化學(xué)成分和力學(xué)性能方面同國(guó)外材料相近，滿足常規(guī)島焊管材料國(guó)產(chǎn)化的要求。

4 常規(guī)島合金鋼焊管制造技術(shù)運(yùn)用

4．1 板邊加工技術(shù)

由于鋼板不平，且在運(yùn)輸過(guò)程中容易形成“死彎”，而刨邊機(jī)的刨刀不能隨著板邊浮動(dòng)，造成板邊坡口的不均勻“缺肉”，焊接時(shí)容易燒穿和未焊透，影響焊縫質(zhì)量，早期的LSAW鋼管機(jī)組采用氣割，后來(lái)改進(jìn)為刨邊工藝。本次研發(fā)過(guò)程中采用了銑削加工精度高的浮動(dòng)式銑邊機(jī)，通過(guò)相應(yīng)形狀的銑刀配置，可一次加工出N、Y、X等形狀的焊接破口，保證了坡口的均勻性，而且銑刀可隨板邊自由浮動(dòng)，進(jìn)而保證了焊接質(zhì)量。

4．2 JCO漸進(jìn)式成型技術(shù)

采用管體數(shù)控折彎和步進(jìn)式預(yù)彎的有機(jī)結(jié)合，涉及折彎過(guò)程的數(shù)控和液壓伺服控制、橫梁的同步測(cè)量和控制、下梁的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、進(jìn)給機(jī)構(gòu)的步進(jìn)控制等方面。

4．3 后彎邊技術(shù)

本次研究在研究后彎邊技術(shù)時(shí)所使用的設(shè)備為1臺(tái)數(shù)千噸的壓力式后彎?rùn)C(jī)，施工工藝為通過(guò)模具來(lái)以“步進(jìn)式”方法來(lái)后彎鋼板邊緣。經(jīng)驗(yàn)證，這一工藝不僅可以在有效避免傳統(tǒng)輥式預(yù)彎工藝焊縫四周出現(xiàn)“撅嘴”情況的同時(shí)防止擴(kuò)徑過(guò)程產(chǎn)生開(kāi)裂，還可以保障所得到的鋼板邊緣板邊形狀為理想形狀。

4．4 連續(xù)預(yù)焊技術(shù)

老式的LSAW鋼管機(jī)組在成型后直接進(jìn)行內(nèi)焊，沒(méi)有設(shè)置預(yù)焊機(jī)。后來(lái)改進(jìn)為多頭式點(diǎn)焊機(jī)，由于沒(méi)有完全打底，內(nèi)焊時(shí)容易燒穿。如果為了防止燒穿而減少電流，又容易造成未焊透。本次研究過(guò)程中采用了激光跟隨的大功率粗絲混合氣體保護(hù)焊，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)預(yù)焊，焊接速度可高達(dá)6m/min，焊接電流可高達(dá)2000A，可為后續(xù)的精焊創(chuàng)造最佳的焊接條件。

4．5 四絲串列埋弧焊技術(shù)

老式的LSAW鋼管機(jī)組采用單絲或雙絲埋弧焊，本次研究要求焊縫與母材的過(guò)渡良好，無(wú)咬邊，焊縫余高小等等，還要求滿足焊縫和熱影響區(qū)的強(qiáng)度、硬度和沖擊韌性要求，采用單絲或雙絲焊接很難全面滿足這些要求。多絲串列埋弧焊接工藝焊接接頭質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到鋼管最后的成型質(zhì)量，其是厚壁直縫焊管生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，在研究過(guò)程中采用了3種控制技術(shù)，分別為激光跟隨技術(shù)、焊接參數(shù)自動(dòng)控制技術(shù)、四絲串列埋弧焊技術(shù)。這是因?yàn)椋纸z高速混合氣體保護(hù)連續(xù)預(yù)焊，四絲串列埋弧焊進(jìn)行內(nèi)外焊需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究，最終通過(guò)焊接工藝評(píng)定，獲得實(shí)用的焊接技術(shù)。其可以控制多絲參數(shù)的方式來(lái)滿足鋼管對(duì)于大壁厚、高韌性的焊接要求。

4．6 焊接工藝技術(shù)

A69121/4CrCL22鋼加入了一定量的Cr和Mo，但含有Cr和Mo的鋼焊后在空氣中冷卻時(shí)，具有明顯的淬硬傾向，這主要是因?yàn)椋?/p>

（1）Cr和C的含量越多，硬化越嚴(yán)重；焊件越厚，截面積越大（也就是焊件的剛性越大）硬化越嚴(yán)重。（2）焊件會(huì)受氣溫因素影響，尤其是冬季時(shí)期。當(dāng)沒(méi)有對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱（或預(yù)熱溫度不夠高）時(shí)，其就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的硬化現(xiàn)象；此外，在焊接過(guò)程中若線能量較小，則也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的硬化現(xiàn)象。（3）為保證焊接質(zhì)量，在焊接時(shí)必須選用堿性焊劑，焊縫中擴(kuò)散氫的含量較高也是導(dǎo)致A69121/4CrCL22耐熱鋼焊縫或熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋的重要原因。故而，嚴(yán)格按技術(shù)要求進(jìn)行預(yù)熱，保持層間溫度、焊后緩冷并及時(shí)進(jìn)行熱處理等工藝措施。

4．7 A69121/4CrCL22耐熱鋼高溫高壓管道的預(yù)熱方法

（1）預(yù)熱時(shí)應(yīng)使焊口兩側(cè)及內(nèi)外壁的溫度均勻，以防止局部過(guò)熱，用熱處理爐（或者焊接預(yù)熱機(jī)）進(jìn)行預(yù)熱，以便能夠均勻加熱，邊加熱邊用紅外線測(cè)溫儀控制其預(yù)熱溫度。預(yù)熱溫度為150～200℃，如焊縫需返修其預(yù)熱溫度應(yīng)比原來(lái)高。

（2）在焊接時(shí)，為了確保其接頭不會(huì)出現(xiàn)淬硬或裂紋現(xiàn)象，需保持層間溫度高于預(yù)熱溫度；需注意的是，層間溫度要控制在適宜范圍內(nèi)，不可過(guò)高導(dǎo)致發(fā)生過(guò)燒，從而造成晶粒粗大致使性能降低。此外，對(duì)A69121/4CrCL22進(jìn)行耐熱鋼焊后，則要及時(shí)采取熱處理（且速度要快）。這是因?yàn)?，該材質(zhì)所產(chǎn)生的裂紋帶具有一定滯后性，即及時(shí)焊接完成沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，但在焊件冷卻一定時(shí)間后也會(huì)發(fā)生裂紋。

5 常規(guī)島合金鋼焊管成品性能分析

通過(guò)對(duì)A69121/4CrCL22焊接管道成品進(jìn)行性能檢驗(yàn)試驗(yàn)，以此驗(yàn)證A69121/4CrCL22焊接管道國(guó)產(chǎn)化成品的符合性，并獲得實(shí)測(cè)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

5．1 化學(xué)成分

每根管道成品取1個(gè)試樣，依據(jù)ASTMA751進(jìn)行化學(xué)成分分析。

5．2 力學(xué)性能

（1）拉伸檢驗(yàn)。每根鋼管母材、焊縫各取1個(gè)試樣，取樣位置橫向，母材（距焊道180°）、焊縫各1個(gè)，依據(jù)ASTMA370、ASTME21，焊縫橫向拉伸試驗(yàn)僅測(cè)抗拉強(qiáng)度，母材僅進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，測(cè)350℃屈服點(diǎn)。（2）夏比沖擊。在一根鋼管母材、熱影響區(qū)、焊縫各取1組3個(gè)試樣。其中，方向?yàn)闄M向，母材需距焊縫90°。（3）晶粒度、非金屬夾雜物。在一根鋼管管體上取1個(gè)試樣，鋼管的實(shí)際晶粒度應(yīng)為5～10級(jí)，其驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按ASTME112執(zhí)行。鋼管的非金屬夾雜物按ASTME45A法評(píng)級(jí)，其A、B、C、D和DS各類夾雜物的級(jí)別和粗細(xì)級(jí)別應(yīng)分別不大于2.0級(jí)，各類夾雜物的細(xì)系級(jí)別總數(shù)與粗系級(jí)別總數(shù)應(yīng)個(gè)不大于6.5級(jí)。

6 結(jié)語(yǔ)

此次核電站常規(guī)島（A691）焊接管道國(guó)產(chǎn)化研究，通過(guò)優(yōu)化板加工技術(shù)，采用良好的JCO漸進(jìn)式成型技術(shù)和先進(jìn)的后彎邊技術(shù)保證了加工質(zhì)量，并在焊接時(shí)使用連續(xù)預(yù)焊技術(shù)和四絲串列埋弧焊技術(shù)獲得極好的焊接質(zhì)量。最終確保了拉伸檢驗(yàn)、夏比沖擊、晶粒度及非金屬夾雜等性能滿足設(shè)計(jì)、運(yùn)行要求，在今后的核電工程項(xiàng)目建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。