VVER-1000主管道焊接工藝性分析

徐井偉 馬尚國 王麗思

摘要：VVER-1000主管道（核電站主冷卻劑回路管道連接反應(yīng)堆壓力容器、蒸發(fā)器、主泵，構(gòu)成一回路壓力邊界）材料是大壁厚雙金屬復(fù)合管道，其焊接工藝十分復(fù)雜，焊接收縮也很難控制。本文從焊接材料的選擇，焊接工藝參數(shù)的制定等方面出發(fā)，科學(xué)的分析、制定有效合理的焊接工藝，以保證其焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：主管道;焊接性;冷裂紋;焊后熱處理

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田灣二期工程建設(shè)2臺單機(jī)容量106萬kW的俄羅斯VVER-1000型壓水堆核電機(jī)組，其設(shè)計壽命為40年，設(shè)計思路與歐洲壓水堆核電機(jī)型EPR相近，采用的工程措施也十分相似[1]。主管道在核電機(jī)組運(yùn)行期間，承載高溫、高壓、高放射性的冷卻劑。焊縫質(zhì)量不能出現(xiàn)任何問題，否則，后果不堪設(shè)想。因此對主管道焊接的母材、焊材、焊接工藝參數(shù)、焊接變形量的控制方面進(jìn)行分析，對后續(xù)的施工過程是有借鑒意義的。

1 母材及焊接填充材料

1.1 母材

主管道母材選用10ГН2-МФА和03Х22Н11Г2Б，03Х22Н11Г2Б具有耐化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕性能，10ГН2-МФА具有耐熱、耐高溫、耐低溫性能。其化學(xué)成分如表1所示，因10ГН2МФА的焊接過程是難點(diǎn)，所以文中重點(diǎn)分析該材料的焊接性能。

1.2 焊接填充材料

根據(jù)母材的運(yùn)行情況及焊接方法，在選用焊材時應(yīng)考慮：（1）焊材與母材等強(qiáng)度原則，要保證焊縫金屬機(jī)械性能指標(biāo)與母材機(jī)械性能指標(biāo)匹配;（2）防止冷裂紋。焊材的化學(xué)成分如表2所示。

2 母材的焊接性分析

在焊接條件下，熱源離開后被熔化的金屬快速連續(xù)冷卻，并發(fā)生結(jié)晶和相變過程，最后形成焊縫。在這一過程中有可能在焊縫金屬中產(chǎn)生偏析、夾雜、氣孔、淬硬、脆化、裂紋等缺陷，控制裂紋的產(chǎn)生是VVER-1000主管道焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

2.1 焊接裂紋

焊接裂紋按照產(chǎn)生的機(jī)理可以分為5類：熱裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂、冷裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋[2]。

2.1.1 焊接熱裂紋

在低碳鋼中，焊接熱裂紋的規(guī)律為：在一定含碳量的條件下，隨著含硫量的增高，裂紋傾向增大;隨著錳含量增多，裂紋傾向下降;隨著含碳量的增加，硫的作用加劇。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，即 根據(jù)式（1）計算B=55。從化學(xué)成分上分析10ГН2МФА的含碳量為0.1%，根據(jù)理論當(dāng)w（C）≥0.1%時，B≥22具有較好的抗熱性能，故10ГН2МФА焊接過程中出現(xiàn)熱裂紋的可能性較小。

2.1.2 焊接再熱裂紋

根據(jù)晶內(nèi)強(qiáng)化的觀點(diǎn)，按照合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)定量評估材料的再熱裂紋傾向的經(jīng)驗(yàn)公式為 根據(jù)式（2）得出ΔG=0.94，當(dāng)ΔG≥2時，對再熱裂紋比較敏感;1.5<ΔG≤2時敏感性為中等;ΔG<1.5時對再熱裂紋不敏感。

2.1.3 層狀撕裂

根據(jù)主管道的力學(xué)結(jié)構(gòu)，在z向沒有力的作用，所以不用考慮層狀撕裂。

2.1.4 焊接冷裂紋

鋼中的碳元素是引起淬硬組織的關(guān)鍵合金元素，碳當(dāng)量是評價鋼材的冷裂紋傾向的重要指標(biāo)之一，根據(jù)國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量公式，即 由式（3）計算Ceq=0.5%，當(dāng)Ceq=0.4%～0.6%時，鋼材焊接性不好，所以10ГН2МФА焊接時需要預(yù)熱才能防止冷裂紋產(chǎn)生。10ГН2МФА碳當(dāng)量較高，并含有少量的合金元素，因而淬硬傾向高于一般的低碳鋼，且管道最小壁厚為70 mm，冷裂傾向增大，因而防止冷裂紋是主管道焊接過程中控制的重點(diǎn)。

2.1.5 應(yīng)力腐蝕裂紋

形成應(yīng)力腐蝕裂紋的基本條件是：（1）材料必須是合金，也包含微量元素的合金，純金屬一般不發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂;（2）材質(zhì)與介質(zhì)不相匹配;（3）存在殘余應(yīng)力。主管道是10ГН2МФА和03Х22Н11-Г2Б復(fù)合型鋼，焊接完成后可能存在焊接殘余應(yīng)力。所以必須采取措施消除焊后殘余應(yīng)力。

2.2 防止裂紋的措施

2.2.1 預(yù)熱

預(yù)熱對防止冷裂紋有效，但并非溫度越高越好，預(yù)熱溫度過高，反而促使冷裂紋的產(chǎn)生。根據(jù)預(yù)熱溫度的經(jīng)驗(yàn)公式，即式中 T0為預(yù)熱溫度（單位：℃）;Pc 為鋼材冷裂紋敏感性指數(shù);Pcm為合金成分冷裂紋敏感性系數(shù);[H]為擴(kuò)散氫含量（單位：mL/100g），經(jīng)查表可知為4.2 mL/100g，δ為管道等效厚度70 mm。根據(jù)式（4）～式（6）得出Pc =0.394 8，T0=200 ℃，Pcm=0.224 8，從而確定預(yù)熱溫度為200 ℃。

2.2.2 后熱

冷裂紋一般在焊后一段時間才產(chǎn)生，所以在裂紋產(chǎn)生之前能及時進(jìn)行加熱處理，即后熱，也能達(dá)到防止產(chǎn)生冷裂紋的目的。后熱的溫度可以參考經(jīng)驗(yàn)公式[2]，即式中 Tpc為后熱的下限溫度（單位：℃）;CEP為確定后熱下限溫度的碳當(dāng)量。根據(jù)式（7）、式（8）計算得出CEP=0.36，Tpc=50 ℃，由于后熱溫度一定要高于產(chǎn)生冷裂紋臨界的上限溫度T0，以便將擴(kuò)散氫充分地擴(kuò)散逸出，所以后熱溫度選擇為200 ℃。

2.2.3 控制t8/5

由于在實(shí)際條件下測定冷卻溫度較為麻煩，采用冷卻時間t8/5與臨界冷卻時間Cf對比來預(yù)測熱影響區(qū)的組織性能和裂紋傾向。根據(jù)德國鋼鐵協(xié)會t8/5的計算公式，即

式中 T0為焊接件的初始溫度（單位：℃）;η為相對熱效率;F3為三維傳熱時的形狀系數(shù);E為熱輸入量（單位：J/mm）;η0為熱效率;U為電弧電壓（單位：V）;I為電流（單位：A）;v為焊接速度（單位：mm/s）。

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)U=24 V，I=100 A，v=1.744 mm/s，查表可知η0=0.8，根據(jù)式（11）得出E=1 100 J/mm，預(yù)熱溫度T0=200 ℃，根據(jù)式（10）得出δcr=0.685 mm，查表得出F3=0.8，所以根據(jù)式（9）計算得出t8/5=17.68 s;根據(jù)式（13）得出CEf=0.28，根據(jù)式（12）得出Cf=6.31 s。根據(jù)Cf的臨界冷卻時間，可以利用式（9）反推得出最小焊接熱輸入量為1 050 J/mm。

比較（Cf=6.31 s）<（t8/5=17.68 s）可知，采取控制焊接線能量、預(yù)熱溫度以及層間溫度不小于預(yù)熱溫度等措施，能夠有效避免產(chǎn)生冷裂紋，另外，盡可能減小拘束度，焊后及時進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。由此可知，控制冷卻時間的關(guān)鍵性因素是預(yù)熱溫度、線能量、層間溫度。

3 焊接方法的選擇和工藝評定規(guī)劃

3.1 工藝評定的規(guī)劃

VVER-1000有4個環(huán)路，單個環(huán)路主管道焊口分布如圖1所示。根據(jù)焊接接頭基層材料和坡口形式的不同，按俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)將工藝評定的焊口分為兩種接頭形式：

（1）Ⅰ型壓力容器接管與主管道之間的工藝評定接頭（詳見圖2）。

（2）Ⅱ型主管道、主泵接管、蒸發(fā)器集流管與主管道之間的工藝評定接頭（詳見圖3）。

焊接工藝評定項(xiàng)目如表3所示。

3.2 焊接工藝參數(shù)

目前國內(nèi)核電站主管道的焊接主要采用：鎢極氬弧焊+焊條電弧焊（TIG+SMAW）和窄間隙自動焊（TOCE）兩種焊接工藝[3]。VVER-1000主管道焊接方法采用鎢極氬弧焊+焊條電弧焊（TIG+SMAW）+熱處理，與國內(nèi)的主管道焊接有所不同，具體焊接工藝參數(shù)詳見表4。

4 焊接收縮量變形控制

由于焊接過程中焊接熱輸入量不同，引起管道各個點(diǎn)的焊接收縮量不同，從而導(dǎo)致縱軸線角位移偏移，軸折線產(chǎn)生偏差，最終引起兩個對接管件不在一個軸線上。根據(jù)縱軸線角位移公式，即

式中 ΔN1、ΔN2為直徑相對各點(diǎn)收縮量（單位：mm） ;D為管道外徑（單位：mm）;L為焊接接頭到管件自由端的長度（單位：mm）。

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)（見圖4）分析得出結(jié)論：當(dāng)直徑在相對各點(diǎn)的橫向收縮量之差不超過0.3 mm時，焊接順序無需調(diào)整，否則應(yīng)調(diào)整。在氬弧層焊完成、焊接至1/3截面、焊接至2/3截面，是調(diào)整焊接變形量的最佳時機(jī)。

5 焊后消應(yīng)力熱處理

由于焊接引起焊接件溫度場分布不均勻、焊縫金屬的熱脹冷縮等原因，焊接過程必然會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，所以焊后要及時進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，熱處理工藝如圖5所示。

5.1 消應(yīng)力時間

5.2 焊后消應(yīng)力熱處理溫度

對于碳素鋼、低合金鋼的焊接件，焊后消除應(yīng)力熱處理的溫度為600～650 ℃，且不應(yīng)高于材料最終回火溫度。

5.3 消應(yīng)力熱處理加熱寬度

6 結(jié)論

（1）VVER-1000主管道采用03Х22Н11Г2Б和10ГН2-МФА雙金屬復(fù)合管道，焊材的機(jī)械性能指標(biāo)必須與母材機(jī)械性能指標(biāo)相匹配，焊接過程中防止冷裂紋產(chǎn)生是主管道焊接過程中的控制重點(diǎn)。

（2）焊接過程中預(yù)熱溫度、層間溫度、后熱溫度需要控制在200 ℃左右。

（3）焊接熱輸入量至少要控制在1 050 J/mm以上。

（4）氬弧層焊完成、焊接至1/3截面、焊接至2/3截面，是調(diào)整焊接變形的最佳時機(jī)。

（5）焊后消應(yīng)力熱處理保溫時間至少在6 h以上。

（6）焊后消應(yīng)力熱處理溫度為620～650 ℃，且不應(yīng)高于材料的最終回火溫度。

（7）焊后消應(yīng)力熱處理加熱寬度至少控制在912 mm以上。

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