ASME MC級安全殼容器的焊后熱處理工藝

吳崇志，朱瑞峰，陶　軍，張增魁

（國核工程有限公司，上海200233）

ASME MC級安全殼容器的焊后熱處理工藝

吳崇志，朱瑞峰，陶軍，張增魁

（國核工程有限公司，上海200233）

系統(tǒng)分析基于ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅲ卷第1冊NE分卷的MC級鋼制安全殼的焊后熱處理工藝。以AP1000項目鋼制安全殼容器的建造為例，焊后熱處理工藝的選擇需以結(jié)構(gòu)特點和部件選材為基礎(chǔ)，根據(jù)ASME規(guī)范條款、材質(zhì)標準、設(shè)計要求、材料制造參數(shù)以及工程建造實際綜合考慮來確定焊后熱處理的各項參數(shù)、焊后熱處理時機和加熱方式等。

ASME；AP1000；鋼制安全殼容器；焊后熱處理

0　前言

壓力容器在制作過程中因其焊接區(qū)域存在溫度梯度而產(chǎn)生不均勻塑性應變，導致焊接后在焊接接頭區(qū)域存在殘余應力[1]。為避免殘余應力影響壓力容器的使用性能，應根據(jù)容器的使用工況、材質(zhì)性能、結(jié)構(gòu)形式和部件壁厚等進行綜合考慮，判斷是否需要進行焊后熱處理PWHT（Post weld heat treatment）并確定其工藝，以消除殘余應力。

ASMEMC級鋼制安全殼容器按照ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅲ卷第1冊NE分卷（簡稱ASMEⅢ-NE）設(shè)計建造，由鋼板拼接焊制而成。在此以AP1000核電為例，分析鋼制安全殼容器的PWHT工藝，為具體的建造過程提供明確的指導。

1　安全殼材料的特點

根據(jù)NE-2121（a）-1[2]，可用于MC級部件的碳鋼鋼板均屬于ASME IX中QW/QB-422分類的P No.1材料，組號為1、2或3。在這些材料中，SA-537 Class 2和SA-738 Grade B均為P No.1-3材料，它們已分別應用于AP600和AP1000的鋼制安全殼容器制造，國內(nèi)即將開展的CAP1000和CAP1400項目的安全殼容器也將采用SA-738 Grade B。SA-537為“壓力容器用經(jīng)熱處理的碳錳硅鋼板”的標準，SA-738為“中、低溫壓力容器用熱處理的碳錳硅鋼板”的標準，由表1可知，隨著板材厚度的增加，SA-537 Class 2的抗拉強度和屈服強度顯著降低，而SA-738 Grade B的強度不受厚度增加的影響，相對于SA-537 Class 2具有高的抗拉強度和屈服強度，并且在厚壁板材中優(yōu)勢更為顯著[3]。試驗還表明，在-45℃SA-738 Grade B仍具有良好的低溫韌性[4-5]。因而，近年來SA-738 Grade B可以應用于以前使用SA-537 Class 2的場合。

SA-537 Class 2材料通過SA-537標準對熔煉分析的碳當量提出了0.57％的限定。SA-738 Grade B材料通過NE-2121（a）-1注明按照SA-20中的S20對50 mm以下壁厚板材熔煉分析的最大碳當量提出了0.48％的限定，當進行模擬PWHT時可增大至0.50％；對50 mm以上的不限制碳當量。兩者所使用的碳當量公式均為ASME規(guī)范指定的：Ce=C+Mn/ 6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15。作為評價鋼材冷裂傾向的參考指標，從碳當量的數(shù)值可以看出，這兩種材料均存在一定的氫致裂紋傾向，但大量的工程實踐證明，通過合適的焊接工藝可有效避免，包括采取適當?shù)念A熱措施、層間溫度控制、采用低氫焊材或進行PWHT等。

表1　SA-537 Class 2與SA-738 Grade B的力學性能對比Tab.1ComparisonofmechanicalpropertiesbetweenSA-537 Class 2 and SA-738 Grade B

在鋼制安全殼容器的組成部件中，除了鋼制安全殼容器的殼體焊縫，涉及到PWHT的還包括貫穿件套筒以及與套筒相連接的管件等，這些部件材質(zhì)的選擇也限于NE-2121（a）-1，包括：碳鋼鍛件SA-350 GradeLF2，碳鋼管件SA-106 Grade B、SA-333 Grade6，不銹鋼鍛件SA-182 Grade F304L，不銹鋼管件SA-312 Grade TP304L等。

2　是否進行PWHT的判斷

為建造的便利，ASMEⅢ-NE基于材質(zhì)的化學成分、力學性能和焊接性等，對部分P No.1材料的某些形式和厚度的接頭可以免除PWHT，這一要求見于NE-4622.7（b）-1。其中決定PWHT的厚度稱為名義厚度：對于全熔透焊縫是指以下三者中的較小值，焊縫厚度、用于結(jié)構(gòu)性附件的承壓材料的厚度、被連接的承壓材料的壁厚；對于角焊縫是指角焊縫的高度；對于部分焊透焊縫和材料修補焊縫是指焊接坡口的高度或焊透的深度。

根據(jù)NE-4622.7（b）-1的規(guī)則，對于安全殼殼體對接焊縫，包括安全殼殼體與插入式補強板之間的對接焊縫，當采用SA-537或SA-738等標準的材料且母材沖擊韌性值按指定要求試驗合格、母材的最大含碳量不超過0.24％、焊前預熱溫度高于95℃、且焊縫名義厚度不大于44mm時，可以免除PWHT。AP1000的設(shè)計中，鋼制安全殼殼體的組成部分除了插入式補強板因補強需要，和筒體第一圈因抗腐蝕需要，而將壁厚設(shè)計為大于44mm的SA-738Grade B外，其他筒體部分、上封頭、下封頭均設(shè)計為40～44 mm的SA-738 Grade B。這一設(shè)計充分利用了前述的免除PWHT規(guī)則，只需對名義厚度超過44 mm的焊縫進行PWHT，從而能夠在滿足規(guī)范要求并確保性能的前提下，有利于施工成本的降低和建造周期的縮短。

部分貫穿件套筒貫穿安全殼補強板，它們之間以雙面坡口全熔透焊縫+角焊縫的組合焊縫形式連接。同樣根據(jù)NE-4622.7（b）-1的規(guī)則，對于內(nèi)徑大于50 mm的貫穿件套筒與安全殼殼體的連接焊縫，只有當殼體壁厚不超過38 mm并滿足其他條件時才可以免除PWHT。由于補強板壁厚大于44 mm，這些貫穿件套筒與安全殼補強板之間的組合焊縫，應進行PWHT。

此外，對于部分貫穿件套筒、套筒延長管、保護管或封頭管之間的管對接焊縫，只要接頭材料厚度不大于38 mm，含碳量滿足0.30％以下，按照95℃以上預熱，就可以免除PWHT。

3　PWHT工藝參數(shù)的確定

安全殼容器承壓部件的焊接工藝評定試驗遵循ASMEⅨ加ASMEⅢ-NE的要求。ASMEⅢ-NE對部件熱處理工藝的各環(huán)節(jié)提出了具體的指導，其中一些要求是推薦性質(zhì)的，另一些是強制性的。而ASMEⅨ則根據(jù)預熱、層間溫度和PWHT參數(shù)等對部件力學性能和沖擊韌性的影響而將這些參數(shù)列為重要變素或附加重要變素。部件熱處理工藝應以這些要求和推薦為基礎(chǔ)進行綜合考慮確定，以下主要以SA-738 Grade B板材的SMAW工藝為例進行說明。

對于預熱溫度，考慮以下因素：（1）按照ASME NE-4611，預熱溫度的選擇可參照ASMEⅢ第1冊附錄D非強制性預熱工藝規(guī)程。根據(jù)D-1210.3，對于P-NO.1-3組材料，如最低抗拉強度超過485 MPa或接頭厚度超過16mm，推薦預熱溫度為120℃。（2）前述ASME NE-4622.7（b）-1對于部分免除評定的部件要求最低95℃以上的預熱溫度。（3）ASMEⅨ將預熱溫度減少55℃視為重要變素。綜合考慮規(guī)范的要求和實際操作的便利，可將預熱溫度控制在100℃～120℃內(nèi)。

對于層間溫度，ASMEⅢ-NE未給出明確要求時，而ASMEⅨ將層間溫度增大55℃視為附加重要變素。由于層間溫度應不低于預熱溫度，考慮到實際操作效率的因素，可選擇200℃作為層間控制溫度。

對于升、降溫速率，按照ASMEⅢ-NE給出的公式，當溫度高于425℃進行控溫，升、降溫速率為220/T（T是以英寸為單位的壁厚值），且須介于56～220℃/h。

對于PWHT溫度，需考慮以下因素：

根據(jù)ASMEⅨ的QW-407.1和QW-407.4，PWHT溫度相對于母材金屬的下轉(zhuǎn)變溫度和上轉(zhuǎn)變溫度的高低為重要變素，因此應根據(jù)母材的熱處理溫度確定PWHT溫度。分析過程如圖1所示。對于母材的熱處理溫度：（1）根據(jù)SA-738標準，SA-738 Grade B應進行調(diào)制處理（淬火加回火），最低回火溫度為595℃。（2）鋼板采購技術(shù)規(guī)格書按照設(shè)計方給出的要求對最低回火溫度的具體數(shù)值進一步明確為620℃。（3）在前兩項要求的基礎(chǔ)上，鋼材廠家根據(jù)自身的制造工藝參數(shù)對SA-738 Grade B鋼板實際回火溫度為640℃。（4）NE-4622.1-1的強制性要求規(guī)定P No.1材料的PWHT溫度為595℃～675℃。（5）為進一步收窄PWHT溫度控制的范圍，可參照相關(guān)標準如JB/T 4709-2000，其規(guī)定調(diào)制鋼PWHT溫度應低于調(diào)制處理時的回火溫度。（6）綜合以上各項因素的限定和參照，SA-738 Grade B板材PWHT的溫度應介于595℃～640℃，考慮到PWHT加熱和保溫的實際效果，實際操作中宜取中間值。

圖1　確定PWHT溫度Fig.1Determination of PWHT temperature

異種鋼焊接時，預熱溫度按照預熱溫度要求高的一側(cè)進行控制；PWHT溫度按PWHT溫度要求較高的一側(cè)母材執(zhí)行，但不應超過兩者中任一材料的下轉(zhuǎn)變溫度。

對于PWHT保溫時間，假設(shè)名義厚度為T，根據(jù)NE-4622.1-1：當T≤13mm時，最短保溫時間30min；當13 mm＜T≤50 mm時，最短保溫時長為30 min+ 2×（T－13）min；當T＞50mm時，最短保溫時長為2h+ 0.5×（T－50）min。

ASMEⅢ-NE還對無損檢驗與熱處理時機的關(guān)系給出了限制。如除裂紋傾向相對較低的P No.1材料外，其他材質(zhì)部件焊縫的MT或PT都應在PWHT之后進行；對于貫穿容器壁的異種鋼接頭，如奧氏體材料與鐵素體材料的焊接，應在PWHT以后進行無損檢測；對容器壁上所有焊縫的RT檢測與PWHT的先后關(guān)系不作規(guī)定等。

此外，根據(jù)ASMEⅢ-NE，當部件需要進行PWHT時，不僅其焊接工藝評定試驗需進行PWHT，母材試驗和焊材試驗也需進行模擬PWHT。這一要求在ASMEⅨ的QW-253中也作為SMAW的附加重要變素。根據(jù)NE-2211，NE-2431.1（c）和NE-4333，三項PWHT試驗的熱處理保溫時間應不少于產(chǎn)品焊縫金屬最長熱處理時間的80％，并可以在一次熱處理循環(huán)中完成。其目的是充分考慮部件在建造過程中焊后或焊縫返修后的熱處理次數(shù)，以預估多個熱處理循環(huán)來驗證部件各項性能仍能滿足標準要求。實踐中，一般以10h作為相應試驗的熱處理保溫總時長。兩種可選的熱處理循環(huán)示意如圖2所示。

圖2　熱處理循環(huán)示意Fig.2Schematic diagram of heat treatment cycle

4　加熱方法

AP1000鋼制安全殼容器建造過程中PWHT的范圍包括：壁厚大于44 mm筒壁的對接縱縫，壁厚大于44 mm筒壁與補強板之間的環(huán)形對接焊縫，壁厚大于38 mm的貫穿件保護管與封頭管之間的管對接環(huán)焊縫，以及內(nèi)徑大于50 mm的貫穿件套筒與補強板之間的環(huán)焊縫等。對于即將開展的CAP1400項目，因安全殼壁厚的增加，熱處理作業(yè)還包括壁厚大于44 mm的筒壁對接環(huán)縫。

4.1整體加熱

根據(jù)NE-4624.1，在密閉的爐內(nèi)一次加熱為優(yōu)先選用的PWHT工藝。對于需要進行PWHT的貫穿件套筒與補強板之間的環(huán)焊縫，除非因尺寸或組裝工序等原因，應在制造廠內(nèi)使用熱處理爐進行整體熱處理。

4.2局部加熱

當受制于尺寸或組裝工序等原因無法進行整體加熱時，為確保加熱效果，對于局部PWHT以及預熱、層間溫度控制，均宜采用電加熱方式進行。局部PWHT時為準確測溫，熱電偶應布置于焊縫表面與焊縫貼緊，或連接到與焊縫接觸的金屬塊上，在熱電偶與加熱元件之間還應采用陶瓷材料隔離。局部PWHT加熱方式、加熱寬度和保溫寬度的確定，需要考慮在加熱和冷卻過程中不產(chǎn)生有害的溫度梯度。

（1）加熱方式。

①采用雙面對稱加熱鋼制安全殼殼體的對接焊縫。施工條件允許的情況下應采取一次加熱，或?qū)τ诳v縫多條、對于環(huán)縫多段分次對稱加熱。

②當筒體的縱縫和環(huán)縫均需進行PWHT且相互交叉時，應先處理縱縫，并將縱縫兩端各預留一段長度與環(huán)縫一同進行處理。

③對于殼體與補強板之間的環(huán)形對接焊縫，以及由于尺寸或工序受限無法進行整體加熱的貫穿件套筒與補強板之間的環(huán)焊縫，如聯(lián)合補強的情形，可采用“牛眼式”加熱方式。如圖3所示，采用適當尺寸的加熱元件分別在焊縫兩側(cè)的補強板和套筒外壁上形成圓周布置。熱電偶除根據(jù)加熱元件布置情況固定在焊縫上，還可在套筒內(nèi)壁的中心位置設(shè)置兩個測溫點。熱處理加熱和保溫寬度按后文所述，或保溫時將較短的套筒全部包覆，并對套筒內(nèi)壁進行保溫封堵。

圖3　貫穿件套筒與補強板之間環(huán)焊縫的“牛眼式”加熱Fig.3“Bulls eye”heating between penetration sleeve and reinforcement plate

（2）加熱寬度。

根據(jù)NE-4624.3進行局部PWHT時，應沿容器或物項的整個圓周加熱一個環(huán)形帶，在焊縫寬度最大的一面，焊縫每邊的加熱寬度不小于焊縫寬度或50mm兩者中的較小值。ASMEⅢ-NE對于此要求過于簡單，在實際施工中應按照設(shè)計方給出的具體要求并參照ASMEⅧ、RCC-M或JB/T 4709等相關(guān)規(guī)范[6-8]，以保守的加熱和保溫寬度進行PWHT，如表2和圖4所示。

表2　筒體環(huán)焊縫局部熱處理時的最小加熱寬度Tab.2Minimum heating width of local PWHT for circumferential welding

（3）保溫寬度。

為保證焊縫及其熱影響區(qū)的PWHT溫度不低于規(guī)定值，以及避免加熱帶邊緣的溫度梯度造成有害影響，應視加熱部件的具體情況而在施工程序中規(guī)定必要的保溫寬度，以免產(chǎn)生過大的熱應力。在工程實踐中，按照設(shè)計給出的加熱器每側(cè)加熱寬度增加250 mm執(zhí)行。

圖4　對接焊縫PWHT加熱和保溫寬度Fig.4Heating and insulation width of PWHT for butt weld

5　結(jié)論

鋼制安全殼容器PWHT工藝的選擇，需以結(jié)構(gòu)特點和部件選材為基礎(chǔ)，根據(jù)ASME規(guī)范條款、材質(zhì)標準、設(shè)計要求、材料制造參數(shù)以及工程建造實際綜合考慮來確定PWHT的各項參數(shù)、焊后熱處理時機和加熱方式等。

通過AP1000項目鋼制安全殼容器的建造實踐，國內(nèi)相關(guān)設(shè)計、施工及建造管理單位的工程技術(shù)人員對ASMEⅢ-NE相關(guān)要求深入理解和全面掌握，將有助于后續(xù)CAP1000及CAP1400項目建造過程中的PWHT的合理實施。

[1]陳泰煒.壓力容器焊后熱處理技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2002.

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圖4　焊接電壓PID閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由比例、積分、微分環(huán)節(jié)對偏差進行快速響應。運算響應結(jié)果經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，二次控制伺服電機驅(qū)動器PTO脈沖數(shù)并驅(qū)動伺服電機，調(diào)節(jié)后的電機轉(zhuǎn)速能對焊接弧長精確控制，以減小焊接電壓誤差，整個過程形成的基于送絲速度的PID閉環(huán)控制能夠保證焊接過程物理量焊接電壓控制精度在0.1 mV范圍內(nèi)。

5　結(jié)論

設(shè)計了埋弧焊機的控制系統(tǒng)，以西門子S7-200系列PLC為控制核心，實現(xiàn)基于焊接電壓反饋的PID閉環(huán)控制，精確調(diào)節(jié)了焊接電壓以得到良好的焊接質(zhì)量。設(shè)計控制系統(tǒng)硬件并完成選型。闡述焊接控制邏輯并給出PLC控制流程圖，以常規(guī)PID算法為控制策略，確定控制邏輯，并給出變量的控制結(jié)構(gòu)框圖，保證了自動埋弧焊機在焊接過程中電弧電壓的穩(wěn)定性。試驗結(jié)果表明，焊接電壓在焊接全過程超調(diào)不超過2％，保證了焊件的高質(zhì)量和穩(wěn)定性。

[1]李亞江，孫俊生．實用焊接技術(shù)手冊[M]．河北：河北科學技術(shù)出版社，2012：83－84.

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ASME MC class containment vessel post weld heat treatment process

WU Chongzhi，ZHU Ruifeng，TAO Jun，ZHANG Zengkui
（State Nuclear Power EngineeringCompany，Shanghai 200233，China）

The PWHT process of MC class steel containment vessel which based on ASME boiler and pressure vessel code section III division 1 subsection NE is analyzed systematically.Take AP1000 project for example，with the basis of structural character and component material，PWHT is decided about parameters，opportunity and heating mode，etc.，under the terms of ASME code，material standard，design requirements，material product parameters and construction situation.

ASME；AP1000；steel containment vessel；post weld heat treatment

TG441.8

B

1001－2303（2015）11－0084-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.17

2015-06-01；

2015-07-20

吳崇志（1979—），男，山東煙臺人，高級工程師，碩士，主要從事核電焊接技術(shù)管理和現(xiàn)場設(shè)計管理工作。