核电厂P280GH主蒸汽厚壁管道焊接质量控制

胡鑫

摘 要：在核电厂常规岛的建设中，有许多大径厚壁管道，此类管道因管径大、管壁厚、拘束度大，易产生裂纹。而液态焊缝金属在结晶过程中，由于受到气体的作用易形成气孔，因此，在核电厂中焊接大径厚壁管时，需要优化焊接工艺。以某核电站常规岛主蒸汽管道为例，介绍了焊接、热处理工艺，以及预防裂纹和气孔产生的措施。

关键词：主蒸汽管道；P280GH；焊接工艺；碳素钢

中图分类号：TM623 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.16.069

常规岛主蒸汽系统的设计压力为8.5 MPa，设计温度为316 ℃，运行压力为6.77 MPa，运行温度为283.1 ℃，用于将来自核岛的主蒸汽输送至汽轮机、汽水分离再热器、辅助蒸汽系统和辅助蒸汽转换器等设备。来自核岛的2根主蒸汽管道进入常规岛后合并为1根母管，在母管上引出2根分支管将主蒸汽送到汽轮机主汽门进口。

主蒸汽管道的材质为P280GH，管道的最大规格为φ813×32 mm，对焊接的质量要求较严格。所有焊口均采用钨极氩弧焊打底、手工电弧盖面的焊接方法，焊前需预热，焊后需进行热处理。

1 材料

1.1 母材

P280GH含碳量<0.22%，此钢种为碳素钢（含碳量≤0.35%为碳素钢），并含有少量的Cr（≤0.10%）、Mn（1.60%）等合金元素。根据碳当量公式得：Ceq=C+2.5S+P/2.5+（Si-0.4）/5+（Mn-0.8）/6≈0.4.由此可见，其可焊性较高。具体如表1和表2所示。

1.2 焊材

焊接主蒸汽焊口时，氩弧焊采用ER50-6焊丝，手工电弧焊采用E5015焊条。其焊接材料的主要化学成分、焊材熔敷金属力学性能分别如表3和表4所示。

根据焊材选用原则，焊缝的熔敷金属化学成分、力学性能应与母材一致，并以此选择焊材。将表3和表4中焊接材料的主要化学成分、力学性能与表1和表2的主要化学成分、力学性能进行对比可见，焊丝ER50-6和焊条E5015两种焊材的化学成分、力学性能完全满足P280GH钢材的焊接要求。

2 焊接缺陷的预防

冷裂纹产生的原因主要为焊接过程中扩散的氢含量较高，使接头性能脆化，并在焊接缺陷处聚集了大量氢分子，形成了非常大的局部压力。因此，应采取以下措施控制冷裂纹的产生：选用碱性焊条，减少焊缝金属中氢含量、提高焊缝的金属塑性；减少氢来源，烘干焊材、清洁接头（无油、无锈、无水）；做到焊前预热（可提高气体的溢出速度、可焊性）、焊后缓冷；降低焊接应力，采用合理的工艺，且在焊后热处理等。

产生气孔的原因很多，比如焊条和焊件合金成分的种类和含量、焊条涂料的酸碱度、焊件的清洁度、焊件的预热温度和焊缝的冷却速度、焊接线的能量大小等。具体原因有以下6点：①焊件上的油、水、锈未清理彻底，焊条未烘干、烘干温度不足或恒温下保温时间不足，进而可能产生氢气孔。②空气湿度大的情况下，烘干的焊条易吸潮，可能出现氢气孔。③在焊缝清理宽度过窄的情况下，焊接电弧高温会使焊缝周围油漆等有机物燃烧，释放出水蒸气或使碳氢化合物分解，进而浸入未保护好的熔池，可能出现氢气孔或一氧化碳气孔。④焊接电流过大，导致合金元素锰、硅大量烧损，在熔池中脱氧反应就只能依靠碳元素来完成，碳与氧生成一氧化碳，可能出现一氧化碳气孔。⑤焊接速度过快时，熔池停留时间过短，气体无法及时逸出，易出现气孔。⑥焊接电流过小时，气体外逸时受阻，易在焊缝内产生气孔。

冷裂纹和气孔等缺陷产生的原因繁多，需在焊材管理、焊前准备、焊接过程和焊后热处理等环节中加强控制，最大程度上避免缺陷的产生，从而确保焊接质量。

3 焊接和热处理控制

3.1 焊前准备

焊前准备分为以下5步：①焊条在焊接前需经350～400 ℃的温度烘干，并恒温保持1.5 h（120 ℃）。现场使用时必须装入保温筒，通电使其温度保持在80～110 ℃，并做到随用随取。②保护气体采用的氩气的纯度不低于99.99%.③焊接坡口的加工和焊接组对（间隙、错边等）应符合规范要求，内、外壁坡口和两侧25 mm内应打磨干净，使之露出金属光泽。为了减小焊接应力、变形，应采用U形坡口。④在焊接场所放置温湿度计，监测焊接场所的湿度≤85%，保证焊接时不受外界湿气的影响。⑤在焊接场所做好防风挡雨措施，以保证焊接、热处理过程的顺利进行。

3.2 组对

采用楔形块点焊固定，保证内壁齐平，错口值不得>1 mm。对口时用4块锲形（材料与母材相同）均匀分布定位焊在坡口上，定位焊工艺及其参数与正式施焊相同。由于坡口为U形，为了防止打底焊烧穿产生焊瘤，U形坡口底部采用1～1.5 mm的钝边，对口方法和尺寸如图1所示。在焊完2层电弧焊后，才能用砂轮机磨掉焊点、去除锲形块，以保证打底后不产生拉裂裂纹。

3.3 焊前预热

为了防止气孔的产生、可焊性和氢原子逸出速度的提高，预热温度应控制在150～200 ℃，升、降温速应≤300 ℃/h，并在打底全过程中进行温度的监测和控制。

3.4 焊接工艺参数

焊接线能量综合了焊接电流、电弧电压与焊接速度三个工艺因素对焊接热循环的影响。线能量增大时，韧性、硬度降低；线能量减小时，焊接热输入不足、冷却速度快，易造成未焊透、焊接应力集中等。因此，在保证焊缝成型良好的前提下，应选用适当的焊接工艺参数，以保证线能量焊接顺利进行、焊接接头具有良好的性能。具体的工艺参数如表5所示。

3.5 焊接操作过程

3.5.1 氩弧焊打底

焊口的氩弧焊打底是保证焊口质量的关键。采用二人对称焊接，氩气流量为8～12 L/min。当预热温度达到200 ℃时，由于管壁太厚，为了使内、外壁均达到预热温度，应先恒温保持30 min。焊接时，由2名焊工分别在6点钟和3点钟或6点钟（水平管道焊口）的位置引弧焊接，具体如图2所示，垂直管道焊口由2名焊工对称引弧焊接。

焊丝随焊枪的摆动一同移动，两侧填充金属熔合后，焊丝以50～80 mm/min的焊接速度连续地向熔池中均速送进，焊枪稍有摆动前行即可使整个根部突出一致，以获得优质的根部质量。收弧时，要将焊弧引到坡口边上使焊接熔池慢慢变小、收弧，以免因接头温度速降而导致缩孔和产生裂纹倾向。主蒸汽管氩弧焊打底的电流一般选择在80～140 A，氩弧焊打底的焊层厚度应≥3 mm。

3.5.2 填充和盖面

第一层焊接采用φ3.2 mm的焊条，电流选择在80～155 A，其他层次的焊接选用φ4.0 mm的电焊条，电流选择在120～200 A。两人对焊时接头要错开。运条时，焊缝与坡口边夹角处的停留时间应稍长，以免产生夹渣；引弧时，在原收弧点稍前处引燃电弧后，再移至原收弧处，以免因引弧时电弧不稳而导致气孔产生。两人应选择相同的规范参数，防止因焊接层数和焊缝道数的差别而增加不必要的应力。焊接层间堆积的厚度应不大于焊条的直径+2 mm。采用多层多道的焊接方法，当焊至2/3时，坡口焊缝尺寸增大，焊缝的道数从分道开始的每层2道增加至焊缝加强面的每层3道。摆宽原则为不超过焊条直径的5倍。层间焊接要将焊渣和飞溅物清理干净。为了避免表层咬边，填充至表面时应先焊焊缝1和2，如图3所示。坡口边缘停留时间稍长，然后焊焊缝3.用此焊接方法既可保证焊缝不咬边、焊缝余高在0～3 mm，且焊缝成形美观、过渡圆滑。

3.6 焊后热处理

焊后热处理为高温回火。加温时，力求内、外壁与焊缝两侧温度均匀。恒温时，在加热范围内任意两测点间的温度差应<50 ℃。为了避免焊缝产生冷裂倾向，焊后应立即升温至（625±15）℃，并恒温保持1.5 h，温度降至300 ℃以下时可自然空冷。对于热处理的保温宽度，从焊缝中心算起，每侧不小于管子壁厚的5倍，以减小温度梯度。预热和焊后的热处理曲线如图4所示。

4 焊接质量检验

焊接质量检验分为以下3步：①焊工自检和QC均应重视焊接接头的外观质量，除焊缝均整、尺寸符合规定外，如果发现咬边、表面气孔等缺陷，则应及时打磨处理，以降低焊接接头的应力水平；②对于外观检查合格后的焊接接头，可按规定委托进行100%无损检验；③焊口热处理完毕后，进行100%磁粉检验和射线检验。无损检验结果表明，所采用的焊接工艺可行，焊接检验一次合格率达100%，焊接质量优良。

5 结束语

经采取以上措施，预防了延迟裂纹的产生、消除了残余应力、降低了接头区域的温差、减小了焊接热影响区的淬硬性倾向、有利于氢气的逸出、降低了焊缝中含氢量、减少了气孔、防止了冷裂纹的产生和改善了接头的塑性和韧性，从而解决了焊接过程中易产生气孔和冷裂纹的问题，大大提高了焊接质量。

参考文献

[1]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

〔编辑：张思楠〕

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