1. 概述
当今核电站机组以大容量、高参数、超临界为趋势。为确保机组设备安全、可靠运行、提高生产率和经济效益, 要求材料具有高且优质的使用性能, 以满足高温高压要求。碳素结构钢强度随着工作温度的提高而急剧下降, 一般极限使用温度为350℃, 而加入铬、钼等元素可以有效提高钢的高温强度和持久强度。
三门AP1000核电主蒸汽及主给水管道选用的材料牌号为SA355P11 (属于铬钼合金钢, 钢中添加铬、钼元素来提高高温蠕变强度, 其最高工作温度可达550℃) , 其中最大管径为965mm, 最大壁厚为44.2mm。焊接工作量大, 焊接工艺复杂, 焊接质量要求高。
2. SA335 P11焊接性分析
铬钼钢SA335 P11化学成分及力学性能分见 (表1和表2) 。因钢中添加了铬、钼等合金元素, 在焊接过程中, 存在的主要问题是冷裂纹、热影响区的硬化以及焊后热处理或高温长期使用中的消除应力裂纹 (SR裂纹) 。
热影响区硬化及冷裂纹:铬、钼元素能显著提高钢的淬硬性, 同时这两种合金元素推迟了冷却过程中的组织转变, 提高了过冷奥氏体的稳定性。在焊接热输入过小时, 热影响区易出现淬硬组织, 焊接热输入过大, 热影响区晶粒明显粗化。冷裂纹倾向一般随着钢材中铬钼含量的提高而增大。当焊缝中扩散氢含量过高、焊接热输入较小时, 由于淬硬性组织和扩散氢的作用, 常出现冷裂纹。可采用低氢焊条和控制焊接热输入在合适的范围, 加上适当的预热、后热措施, 有效避免焊接冷裂纹。
消除应力裂纹:一般出现在焊接热影响区的粗晶粒区, 与焊接工艺及焊接残余应力有关, 尤其是采用大热输入时, 焊层间的过热区易出现应力裂纹。选择合适的焊接材料, 限定焊接材料的化学成分, 控制预热及层间温度、采用合适的焊接热输入, 可有效的控制消除应力裂纹。
3. 焊接工艺
3.1 焊接方法
针对SA335 P11合金钢主蒸汽管道焊接, 焊接工艺方法采用手工钨极氩弧焊。
3.2 焊材
SA335 P11合金钢主蒸汽管道对材料的力学性能和抗腐蚀性能要求高, 选用焊材的化学成分与母材成分相匹配, 焊缝金属的力学性能达到母材的水平。焊丝EER80S-B2的化学成分及力学性能见下表。
3.3 坡口准备
为减少焊材填充量, 保证根部熔合良好, 采用“U+V”组合坡口形式。管道焊接端内壁进行镗孔以满足焊缝在役检查要求, 镗孔深度不小于两倍的tm, 镗孔部位的壁厚不小于设计要求的最小壁厚1.599" (40.6mm) , 坡口详图见图1。
3.4 组对及点固
坡口表面及两侧20mm范围内打磨干净, 露出金属光泽, 去除表面的氧化皮、油污等有害杂质。根部间隙控制在1~5mm范围内, 管道内错边控制在0.8mm以内, 满足要求后进行点固。用8个φ36×50mm的点固棒进行点焊固定, 点固棒材质为SA335 P11, 沿焊缝周向均匀分布, 点固焊缝长度不小于20mm。点固棒去除后进行MT检测, 确保去除表面无裂纹等缺陷。
3.5 预热
母材的焊接性较差, 采取预热措施降低接头区域的温差和冷却速度, 促使焊缝金属中扩散氢逸出, 避免产生冷裂纹。根据标准推荐的预热温度并结合现场施工经验, 确定最低预热温度为150℃, 层间温度不超过250℃。
为了达到预热温度要求并使焊缝受热均匀, 采用电加热方式进行预热, 陶瓷加热片布置宽度为焊缝宽度的4倍, 加热片包裹至距坡口边缘10mm。然后用保温棉对加热绳片进行包裹并用铁丝固定。保温棉距包裹至坡口边缘10mm处, 以免妨碍焊接操作。保温棉外侧用石棉布对进行包裹并用铁丝固定, 避免因高温烫伤焊工, 对焊工操作造成严重的不利影响。
3.6 焊接
主蒸汽管道规格为965×44.2mm, 焊缝收缩量大, 控制不当会产生较大的焊接变形, 影响焊缝质量和管道安装。
采用双人对称焊方式进行控制, 如图2所示, 甲、乙焊工对管道焊缝实施焊接, 甲焊接A段时, 乙对称焊接C段;甲在焊接B段时, 乙对称焊接D段。在焊接过程中两人尽可能保持焊接速度和焊材填充量一致, 使焊缝环向收缩量一致。根据焊接变形的大小, 通过控制焊接热输入, 适当调整焊接参数等措施控制变形。
3.6.1 打底焊接
合金钢主蒸汽管道焊口的焊接位置有2G和5G两种, 打底时选用Φ2.0mm焊丝。对于5G位置焊口, 采取立向上的方式进行焊接。打底时焊接电流和氩弧把的氩气流量要随位置变化调整, 从仰焊位置到平焊位置不断增加, 钨极与熔池的角度保持在70-85°, 均匀送丝, 避免打底焊缝出现未熔合, 内凹缺陷, 形成良好的打底焊缝。对于2G位置焊口, 打底焊接电流和氩弧把的氩气流量基本不变, 电流保持在120-130A的范围内, 氩气流量控制在17-20L/min, 焊接过程中均匀送丝, 避免出现过长停顿。操作时可适当增大焊接电流, 并稍稍加快焊接速度, 避免熔池金属下坠, 形成缺陷。
3.6.2 填充焊接
合金钢主蒸汽管道焊缝填充为多层多道焊, 正确的焊道布置是保证焊缝质量的关键, 不合理的层道布置会增大焊缝产生未融合、夹渣等缺陷的概率。对于5G位置焊口, 优先对坡口两侧焊道进行焊接, 由两侧向中间依次焊接;对于2G位置焊口, 焊道自下而上逐层焊接。加强焊缝打磨清理, 避免层道间出现焊接“死角”, 减少未熔合缺陷的产生。填充金属达到3-5mm后去除点固棒, 防止焊缝收缩导致打底焊缝开裂。
3.6.3 盖面焊接
焊缝盖面时, 要适当增加焊接电流和焊接速度。由于焊缝收缩导致焊趾处易出现凹陷, 在役焊缝打磨后, 焊缝表面与母材的过渡区会出现明显的凹陷, 因此盖面焊缝平滑过渡延伸至母材, 延伸部分的焊缝热输入要尽量低。
3.7 后热及焊后热处理
为了加快焊缝中残余扩散氢逸出, 降低焊缝和热影响区的氢含量, 防止产生冷裂纹, 焊接过程中如需中断或焊缝完成后不能立即进行热处理, 需对焊缝进行后热处理。后热最低温度为150℃, 保温时间4小时。
为了进一步消除残余应力, 获得良好的焊缝接头组织, 焊接完成后对焊缝进行热处理, 采用电加热方式进行加热, 使焊接接头受热均匀。焊后热处理的保温温度为620±15℃, 保温时间2小时, 温度在425℃以上时, 升温速率和冷却速率控制在56℃/h~117℃/h之间。加热范围以焊缝中心为基准, 在焊缝宽度最大的一面, 焊缝以外每侧受控加热最小宽度为45mm;保温宽度应比加热片的边缘宽100mm以上, 避免产生有害的温度梯度, 布置热电偶进行温度监控如图3所示。
4. 结论
通过对SA335 P11合金钢主蒸汽管道焊接工艺的研究, 焊材的选择、工艺的制定以及焊接过程的控制等工作, 能够避免裂纹产生。主蒸汽管道的焊缝经层间RT、最终MT和RT均合格。不仅保证AP1000主蒸汽管道的焊接质量, 而且产生了显著的经济效益。SA335 P11合金钢焊接工艺技术应用前景广阔, 对于石油化工等其他领域类似合金钢管道的焊接均具有借鉴意义
摘要：AP1000压水堆核电站主蒸汽管道的材质为SA335 P11, 属于铬钼合金钢, 焊接工艺较复杂, 焊接质量要求非常高。本文从如何选取焊接方法、焊接材料、坡口形式、组对间隙、预热、焊接过程控制, 焊接顺序等多个方面进行研究控制, 焊接完成及时对焊缝进行后热及焊后热处理, 经磁粉检测以及射线检测全部合格。SA335 P11合金钢焊接工艺在三门和海阳AP1000核电项目上已成功应用。
关键词：SA335 P11,铬钼合金钢,工艺参数
参考文献
[1] 李亚江.焊接冶金学 (材料焊接性) [M].北京:机械工业出版社, 2008.
[2] 张文钺.焊接冶金学-基本原理[M].北京:机械工业出版社1999
[3] 孙中原, 厚壁A335-P11超高压蒸汽管道的焊接工艺, 2005