核電廠主管道手工焊與自動焊工藝對比分析

黃宗仁，董岱林，馮琳娜

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川成都610213）

核電廠主管道手工焊與自動焊工藝對比分析

黃宗仁，董岱林，馮琳娜

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川成都610213）

以M310核電機組主管道Z3CN20-09M奧氏體不銹鋼為試驗對象，研究手工焊與脈沖TIG自動焊在焊接收縮量、焊接接頭組織、力學(xué)性能等方面的差異。研究結(jié)果表明，脈沖TIG自動焊焊接收縮量較小，焊縫組織分布更均勻，晶粒尺寸更細小，焊縫的強度、塑韌性和抗變形能力更優(yōu)異。

核電廠；主管道；手工焊；自動焊；對比分析

0　前言

在國家加快核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展前，我國在建的M310核電機組主管道由離心鑄造而成，現(xiàn)場安裝所采用的仍然是傳統(tǒng)的手工焊，焊工勞動強度高，焊接效率低；同時，手工焊容易受工作環(huán)境、焊工狀態(tài)等諸多因素的影響，焊縫質(zhì)量不夠穩(wěn)定[1]。在西方發(fā)達國家，自動焊工藝已成功應(yīng)用于核電機組主管道的安裝。為適應(yīng)我國核電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展、縮短安裝周期、提高焊接質(zhì)量，有必要研究核電站主管道自動焊工藝，并逐步應(yīng)用于工程建設(shè)中。

1　試驗方法

1.1試驗設(shè)備

手工焊采用瑞典ESAB公司生產(chǎn)的Tig 3000i焊接電源，工作電壓400 V，最大輸出電流300 A，可在交/直流模式下獲得優(yōu)異的起弧性能和穩(wěn)定的電弧。自動焊選用加拿大Liburdi公司生產(chǎn)的GoldTrackVI全位置脈沖TIG自動管焊機，其具有操作簡單、過程可控、適用管徑范圍寬等優(yōu)點。

1.2試驗材料

試驗?zāi)覆臑閆3CN20-09M奧氏體不銹鋼離心鑄造直管，化學(xué)成分如表1所示[2]。管件尺寸規(guī)格為：外徑φ828 mm，壁厚66 mm，長度300 mm，如圖1所示。試驗使用4根管件，其中兩根用于手工焊，另外兩根用于自動焊。

表1　Z3CN20-09M化學(xué)成分Tab.1Chemical composition of Z3CN20－09M％

圖1　φ828 mm×66 mm試驗管件Fig.1φ828 mm×66 mm test tube

手工焊填充材料采用φ1.6mm的焊絲ER316L和φ3.2mm的焊條E316L，前者用于打底焊道焊接，后者用于填充焊道焊接，其化學(xué)成分如表2所示[2]。自動焊填充材料為φ0.8 mm的焊絲ER316L和φ1.0 mm的焊絲ER316LSi，前者用于熔透焊道和支撐焊道的焊接，后者用于填充焊道和蓋面焊道的焊接，其化學(xué)成分如表3所示[2]。

表2　手工焊填充材料化學(xué)成分Tab.2Chemical composition of manual welding filler material ％

表3　自動焊填充材料化學(xué)成分Tab.3Chemical composition of automatic welding filler material ％

1.3坡口形式

手工焊和自動焊的坡口形式如圖2所示。手工焊采用U型坡口，鈍邊高度1.5mm，組對間隙1～4mm，內(nèi)錯邊量小于等于0.5mm；自動焊采用深U型坡口，鈍邊高度2.5 mm，組對間隙小于等于1 mm，內(nèi)錯邊量小于等于1.5 mm。

圖2　兩種焊接工藝的坡口型式Fig.2Groove type of two welding methods

1.4工藝參數(shù)

手工焊采用TIG打底+SMAW填充的焊接方法，TIG焊正面采用99.999％高純氬、背面采用99.99％純氬進行保護，其工藝參數(shù)如表4所示。自動焊采用脈沖TIG焊接方法，正面采用99.999％高純氬、背面采用99.99％純氬進行保護，工藝參數(shù)如表5所示。

表4　手工焊工藝參數(shù)Tab.4Parameters of manual welding

表5　自動焊工藝參數(shù)Tab.5Parameters of automatic welding

2　試驗結(jié)果與對比分析

2.1焊接收縮量

在每層焊道焊接完成后記錄焊縫的軸向收縮量，最終計算得到手工焊的焊接收縮量為10.20mm，自動焊的焊接收縮量為8.62 mm，手工焊的焊接收縮量大于自動焊，這與手工焊的焊接熱輸入及焊接填充量較大有關(guān)。

手工焊與自動焊兩種焊接工藝的焊縫軸向收縮量與焊縫厚度的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，在初始焊接階段，兩種工藝的焊接收縮量均隨焊縫厚度增大而增加，增加的趨勢基本一致；焊接至50％焊縫厚度時，兩種工藝的焊接收縮量相當(dāng)；在50％焊縫厚度以后的焊接過程中，自動焊焊接收縮量基本保持不變，而手工焊焊接收縮量持續(xù)增加，直到75％焊縫厚度后才趨于穩(wěn)定。

圖3　焊接收縮量與焊縫厚度關(guān)系Fig.3Relationship between welding shrinkage and weld thickness

2.2宏觀金相

手工焊與自動焊焊接接頭的宏觀金相如圖4所示，兩種焊接工藝的焊縫成形良好，無裂紋、未焊透等焊接缺陷。手工焊不同焊道分界線清晰可見，熔敷金屬填充量相比自動焊大大增加；而自動焊蓋面焊道數(shù)量多，覆蓋范圍寬，焊縫徑向收縮量比手工焊大。

2.3微觀金相

兩種焊接工藝熔合線附近的金相組織如圖5所示，手工焊焊縫熔合區(qū)尺寸較大，焊縫中的柱狀晶發(fā)達，粗大的柱狀晶垂直于熔合線由母材向焊縫金屬延伸，熔合線附近的晶粒尺寸較大；自動焊焊縫熔合區(qū)尺寸較小，焊縫中的柱狀晶尺寸較小，熔合線附近的晶粒粗化不明顯。

圖4　焊接接頭宏觀金相組織Fig.4Macrographic organization of welding joint

圖5　熔合線附近金相組織（200×）Fig.5Metallographic organization of weld bond（200×）

兩種焊接工藝焊縫的金相組織如圖6所示，其中黑色組分為鐵素體組織，白色組分為奧氏體組織，焊縫組織均為柱狀奧氏體基體上斷續(xù)分布著樹枝狀鐵素體[3]，自動焊焊縫中的組織相比手工焊分布更加均勻，晶粒更加細小。一方面是由于自動焊熱輸入較小，冷卻速度較快，抑制了晶粒的長大；另一方面，樹枝狀鐵素體打亂了奧氏體柱狀晶的方向性，細化了奧氏體晶粒。

圖6　焊縫金相組織（200×）Fig.6Metallographic organization of weld（200×）

根據(jù)Delong圖計算得手工焊焊縫的鐵素體含量為8.0％，自動焊焊縫的鐵素體含量為11.5％，大于手工焊鐵素體含量[2]。這是因為自動焊比手工焊熱輸入小，冷卻速度快，在低于固溶相線溫度下鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變被抑制，導(dǎo)致殘留的鐵素體增多[4]。鐵素體對S、P等元素溶解度較大，能有效防止雜質(zhì)元素的偏析，從而減少焊縫金屬的熱裂紋傾向；同時鐵素體中Cr含量大于奧氏體中的Cr含量，在冷卻過程中鐵素體中的Cr會及時析出，減少晶界貧鉻區(qū)的形成，從而提高焊縫抗晶間腐蝕的能力[5]。由此可見，自動焊焊縫組織中更多的鐵素體均勻分布在奧氏體基體上，有利于減少焊縫金屬的熱裂紋傾向及提高抗晶間腐蝕能力。

2.4力學(xué)性能

手工焊和與自動焊兩種焊接工藝的焊接接頭力學(xué)性能如表6所示。橫向拉伸平行于管道軸向取樣，得到的是母材和焊接接頭試樣，取樣8個，結(jié)果取平均值；縱向拉伸平行于管道徑向取樣，得到的是焊縫金屬試樣，取樣2個，結(jié)果取平均值；熔敷金屬和熱影響區(qū)沖擊試樣各取樣18個，結(jié)果取平均值。手工焊和自動焊橫向拉伸抗拉強度分別為567 MPa和574 MPa，試樣均斷裂在母材上。手工焊縱向拉伸抗拉強度為561 MPa，自動焊縱向拉伸抗拉強度為625 MPa，可見手工焊焊縫強度與母材相當(dāng)，自動焊焊縫強度明顯高于母材。

表6　焊接接頭力學(xué)性能Tab.6Mechanical properties of welding joint

由表6可知，自動焊焊縫縱向拉伸屈服強度和斷后伸長率均大于手工焊，自動焊焊縫相比手工焊具有更高的強度和更優(yōu)異的塑韌性。一方面是由于鐵素體強度高于奧氏體，自動焊焊縫中鐵素體含量高于手工焊；另一方面與自動焊焊縫中的組織分布更加均勻、晶粒更加細小有關(guān)。自動焊熔敷金屬與熱影響區(qū)的沖擊功明顯高于手工焊，這表明自動焊焊接接頭相比手工焊具有更優(yōu)異的抗變形能力。

3　結(jié)論

（1）自動焊焊縫軸向收縮量小于手工焊，在50％焊縫厚度前，焊接熱循環(huán)對焊縫收縮量影響較大，隨著焊縫厚度的增加，焊接熱循環(huán)對焊縫收縮量的影響減弱。

（2）自動焊熔合區(qū)比手工焊小，焊縫組織分布更均勻，晶粒尺寸更細小，且焊縫中的鐵素體含量大于手工焊焊縫，有利于減少焊縫的熱裂紋傾向及提高抗晶間腐蝕能力。

（3）手工焊焊縫強度與母材相當(dāng)，自動焊焊縫強度高于母材，自動焊焊縫相比手工焊具有更高的強度、更優(yōu)異的塑韌性和抵抗變形的能力。

[1]王海東，任偉，裴月梅，等.壓水堆核電站主回路管道窄間隙自動焊工藝研究[J].電焊機，2010，40（8）：21-27.

[2]RCC-M，壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則（2000版+2002補遺）（焊接）[S].

[3]毛楠.316L不銹鋼焊接接頭的組織和力學(xué)性能研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[4]張仁軍，朱洪軍，管曉光，等.鐵素體對奧氏體不銹鋼性能的影響[J].機械工程師，2013（6）：41-42.

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（3）通過優(yōu)選焊材、坡口及焊接方法設(shè)計，制定了適當(dāng)?shù)暮附庸に?，焊接接頭力學(xué)性能符合要求，能夠滿足六高氣田的耐蝕要求。

[1]孫育祿，白真權(quán)，張國超，等．油氣田防腐用復(fù)合管研究現(xiàn)狀[J]．全面腐蝕控制，2011，25（05）：10-13．

[2]NACE International Standard，TM0284-2011，No.21215. Evaluation of Pipeline and Pressure Vessel Steels for Resistance to Hydrogen-Induced Cracking.America NACE[S].

[3]NACE International Standard，TM0177-2005，NO.21212. Laboratory Testing of Metals for Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking in H2S Environments.America NACE[S].

Comparison and analysis of manual welding and automatic welding in primary piping of nuclear power plant

HUANG Zongren，DONG Dailin，F(xiàn)ENG Linna
（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute of China，Chengdu 610213，China）

Z3CN20-09M austenite stainless steel of M310 nuclear power plant primary piping was welded by manual welding and pulsed TIG automatic welding process.Shrinkage，microstructure and mechanical properties of welded joint were compared.Results indicate that the shrinkage of automatic welding is smaller than that of manual welding.The distribution of welded microstructure is more even，the grain size is smaller and the intensity，ductility and non-deformability of welded joint are more excellent than that of manual welding.

nuclear power plant；primary piping；manual welding；automatic welding；comparison and analysis

TG457.6

B

1001－2303（2015）11－0107-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.22

2015-05-12；

2015-06-04

黃宗仁（1984—），男，福建人，工程師，碩士，主要從事核反應(yīng)堆總體設(shè)計與管理工作。