中国核工业第五建设有限公司 上海 201512
摘要：本文通过制定合理的焊接工艺、焊接顺序及焊接施工优化措施，有效控制了主蒸汽LBB管道的焊接变形，确保焊接质量满足设计要求，为后续AP1000核电主蒸汽系统LBB管道的焊接施工提供参考与借鉴。
关键词：主蒸汽LBB管道；焊接工艺；焊接质量
1 概述
在AP1000核电中，主蒸汽管道属于主蒸汽供应系统，是蒸汽发生器系统（SGS）的重要组成部分，主蒸汽管道材质为SA335 GR P11，规格为Φ965×44.2mm，主蒸汽LBB管道分布在核反应堆厂房，安全等级为核二级，QA1级，满足“先漏后破”的准则，设计要求焊接方法必须采用GTAW，两条回路共有16道主蒸汽LBB管道焊口。
2 SGS系统LBB管道焊接分析
2.1 SA335 P11焊接性分析
AP1000核电SGS系统LBB管道材质为SA335P11，属于耐热低合金钢，成分中铬含量较高，抗氧化性和耐腐蚀性优于普通低合金钢。依据厂家提供的材料质量证明书，其化学成分如下表1。
表1 SA335 P11的化学成分表
通过计算，SA335 P11的CE约为0.55%，其焊接性差，焊接时需控制焊接热输入，采取预热、后热、热处理措施来改善母材的焊接性，避免焊缝产生冷裂纹。
2.2 焊材选用
主蒸汽管道焊材选用时，需保证焊缝的性能与母材匹配，具备必要的热强性；同时为了降低焊缝冷裂倾向，碳含量比母材略低，经对比分析，焊材选用ER80S-B2。
2.3 工艺评定准备
根据设计要求，主蒸汽LBB管道焊接工艺评定按照ASME Ⅸ卷和ASME Ⅲ NB分卷标准进行。现场制定两份工艺评定可满足主蒸汽LBB管道焊接施工，如下表2。
表2 主蒸汽LBB管道焊接工艺评定（PQR）表
2.4 焊接难点分析
主蒸汽LBB管道位于核反应堆厂房，结合管道结构特点和现场施工条件，焊接施工存在以下难点：
1）SGS系统LBB管道规格为Φ965×44.2mm，焊材填充量大，焊接时主蒸汽管道易产生较大的收缩变形。
2）管道材质为SA335 P11，焊接性差，且为全氩焊接，焊缝质量难以控制。
3）主蒸汽管道每米重量达到1吨，竖直管段焊接时由于自身重力作用，焊缝存在较大残余应力倾向，影响焊缝性能。
3 焊接施工工艺
3.1 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）。
3.2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。
采用调节夹具、丝杆、倒链等工具进行组对，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。
3.3在役焊缝标识
主蒸汽LBB管道焊缝属于在役体积检查焊缝，根据技术规格书要求，管道组对完成后进行在役检查焊缝标识。标识要求如下：
在焊口两侧距离坡口边缘76.2mm处，采用低应力钢印或震动笔沿焊缝环向每间隔90°打一个“＜”标识，“＜”尖端朝向焊缝，标识垂直于焊缝方向的高度为6-10mm，焊缝两侧相对应的标识在同一直线上。
3.4预热
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。
用红外线测温仪监控预热温度和层间温度，焊缝一周至少均匀测量四个点，最低预热温度为150℃，层间温度不超过250℃。
3.5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。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。
施焊时，焊接电流、电压、焊接速度等工艺参数要满足WPS的规定，焊道接头要错开，避免造成应力集中，每道焊缝完成后焊工要进行自检，并将焊缝清理干净。
1）打底焊接
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。
2）填充焊接
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）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。
3.4.6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，如下图1。
图1 电偶的数量及布置图
3.6在役焊缝打磨
主蒸汽LBB管道焊口属于在役体积检查焊缝，要求对焊缝进行打磨处理，去除焊缝表面余高，使焊缝与邻近母材表面平齐，然后进行抛光处理，焊缝每侧打磨宽度为190mm，打磨区域表面粗糙度要求至少达到6.3Ra，且25.4mm范围内不能出现超过0.79mm的凹坑。管道打磨后要满足最小壁厚要求，打磨过程中要控制打磨速度和磨削量，避免伤及母材，防止管道局部过热。
3.7 焊缝无损检测（NDE）
根据AP1000核电现场管道安装技术规格书要求，主蒸汽LBB管道焊缝完成后要进行100% VT+MT+RT。2#机组主蒸汽LBB管道焊缝VT 和MT一次合格率达到100%，RT一次合格率为98.3%，缺陷去除后按原焊接工艺进行返修，返修焊缝全部合格，焊接质量得到有效控制，满足设计要求。
4 结束语
经过充分的焊接技术准备，制定合理的焊接工艺，保证了AP1000核电主蒸汽LBB管道焊接施工的顺利开展，焊缝成型良好，焊接质量得到有效控制，为后续AP1000核电主蒸汽管道的焊接施工奠定了良好基础。
参考文献：
[1]《ASME 第Ⅲ卷NB、NC分卷》 锅炉及压力容器规范
[2]《ASME 第IX卷》 钎焊及焊接评定标准
论文作者:盛世宝
论文发表刊物:《基层建设》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/8
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