中国能源建设集团广东火电工程有限公司 510730
摘要：20控铬钢是CPR1000型核电机组设计开发的新钢种，能够提高管道抗流体加速腐蚀性能。详细分析钢材的焊接性能，通过焊接工艺试验和多台核电机组给水系统20控铬钢管道的焊接实践，总结20控铬钢焊材选择的合理性及焊接要点，可供同行借鉴。
关键词：20控铬钢；CPR1000型核电机组；焊接；FAC性能
前言：20+Cr是我国核电站重要的国产化管道用钢，在我国核电建设中具有非常重要的意义。随着我国核电建设速度的加快，核电装机容量的增加，20+Cr钢用量将大大增加。
20+Cr钢化学成分标准值参考了中广核工程公司国产化20+Cr管道技术协议对母材的要求。核电厂内介质流速高、流量大（约为火电的1.7~1.9倍），会产生因输送蒸汽和水的流动速度较高而导致的“流体加速腐蚀（FAC）”现象，即碳钢管内表面在大量的高速流动的汽水冲刷下，内壁具有保护功能的氧化膜脱落、变薄，使钢基体变差、年腐蚀率增加的现象。流体加速腐蚀现象严重时可能造成爆管事故，因此需要提高输送管的抗汽水冲蚀性能。根据现有的研究资料显示，碳钢中FAC的腐蚀速率取决于介质温度、流速、PH值、电极电位、管材合金元素，其中管材合金元素是可以通过选择钢种成分来解决的。经研究表明，在碳钢中增加Cr含量可以明显降低FAC的腐蚀速率，“相对减薄率-钢中Cr%关系”试验结果显示，当碳钢中的Cr含量＞0.04%时，FAC速率迅速下降。核电主要管道20+Cr钢焊接施工工法在国内首台百万核级发电机组工程建设中成功实施，为核电国产化进程做出重大贡献，是核电国产化道路上的一座丰碑，鼓舞核电国产化工作不断前进。
20+Cr钢焊接施工工法的实施，规范了该钢的焊接施工工序和工艺，有效地解决了该钢种在焊接施工过程中出现工艺难点，保证焊接质量，为核电机组的稳定运行提供安全保障。
1、工法特点
1.1 采用手工钨极氩弧焊打底的方法，有利于推广使用。
1.2 本工法的实施为核电机组使用国产管材迈出坚实的一步。
1.3 采用手工钨极氩弧焊打底、焊条电弧焊填充及盖面的焊接方法保证根部焊接质量，避免根部未熔合、未焊透、根部清渣等，提高工作效率，保证焊缝综合性能，有利于机组今后安全运行。
1.4 焊前预热和焊后热处理过程，增加监测温度梯度均匀下降的热电偶，以更好的保证焊前预热和焊后热处理的效果，确保焊接接头金相组织和力学性能。
1.5 本工法的焊接工艺参数选择范围较窄，要求更严，减少焊接热输入量，保证焊接接头的各项性能指标接近或等同于母材相对应的各项性能指标。
2、适用范围
2.1 本工法适合核能发电机组建设和检修工程中20+Cr钢管材壁厚在30mm以下的凝结水抽取、给水除氧器、低压给水加热、启动给水等系统管道的焊接施工工作。
3、工艺原理
20+Cr钢是国产化管道材料，主要解决了流体加速腐蚀问题，延长管道的使用寿命，保证机组安全运行。该钢为渗碳型合金结构，具有良好的焊接性能。化学成分如下表4.1，机械性能如下表4.2：
表1 20+Cr钢化学成分
该钢主要应用于CPR1000核电机组的凝结水抽取系统、给水除氧器系统、高压给水加热系统等系统管道，要求焊接接头具有良好的机械性能和金相组织，各项性能指标要求与母材等同或匹配。本工法通过合理的选择焊接材料，选择正确的工艺参数，制定有效的工艺保证措施，以保证焊接接头的焊接质量。
3.1 焊接材料的选择
目前该钢的焊接材料主要采用进口焊材，氩弧焊丝采用ER70S-G，手工电弧焊条采用E7018-G。
3.2 焊接方法的选择
焊条电弧焊（SMAW）钨极氩弧焊（GTAW）熔化极气体保护焊（GMAW）等焊接方法均能完成20+Cr钢的焊接工作。由于现场施工条件的限制，以及对管子内部清洁度的要求，本工法采用钨极氩弧焊（GTAW）+焊条电弧焊（SMAW）焊接方法。
3.3 焊前预热
3.3.1 壁厚＞12mm的20+Cr焊前要进行预热。管焊前预热主要是提高母材本身温度，减少焊接前后焊缝的温差，降低焊缝温度的冷却速度，有利于焊接施工的操作，也有利于预防焊缝出现裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷。
3.3.2 20+Cr钢是渗碳型合金结构钢，根据相关的技术资料及规范要求，确定钨极氩弧焊（GTAW）焊接预热温度为100~150℃，手工电弧焊（SMAW）焊接预热温度为150~200℃。
3.4 层间温度及焊接线能量输入的控制
3.4.1 过高的层间温度会使母材的合金元素以氧化物的形式析出，降低焊缝的力学性能和组织性能，进而降低了焊缝耐流体加速腐蚀的能力。在焊接施工过程中，层间温度要控制在400℃以内。
3.4.2 小的焊接线能量输入，有利于层间温度的控制，有利于焊缝的力学性能和组织性能，因此，焊接线能量不超过20KJ/cm。
3.5 主要机具的选择
3.5.1 焊接设备应选用焊接性能良好、稳定可靠的逆变式焊机，其容量应能满足焊接规范参数的要求，本工法的焊机采用同诚直流逆变焊机，具有高频引弧和衰减功能，型号为WSM-350CIGBT，额定电流为350A。焊机电流表必须经过具有相应检定资质的单位进行计量检定，并出计量检定合格证书，确保焊机仪表的正常使用。
3.5.2 热处理设备采用自动温度记录仪、智能温控仪或电脑温控仪（额定功率为30KW、60KW、90KW等），平衡记录仪（型号EH-1000，温度记录范围为0~1000℃）K型工业测温热电偶（需经过0~800℃计量鉴定）柔性陶瓷电阻加热器。热处理用的设备仪表、记录仪、测温热电偶、补偿导线必须经过具有相应检定资质的单位进行计量检定，并出计量检定合格证书，且只能在有效期内使用。
3.5.3 选用气冷式氩弧焊枪，同时具有高频引弧功能。钨极氩弧焊使用的氩气减压流量计的质量和特性应符合国家或行业颁布标准，且经过具有相应检定资质的单位进行计量检定，并出计量检定合格证书。
3.5.4 修整接头和清理焊渣、飞溅，采用小型轻便的砂轮机、钢丝刷、钢铲，电动工具具有良好的保护装置，绝缘良好无漏电。
3.6 本工法应用于核能发电厂建设和检修工程中20+Cr钢管道的焊接工作，科学、实用、能有效保证该钢管焊接质量。
4、效益分析
4.1 经济效益
4.1.1 随着国家对能源战略的调整，加速核电机组的建设，加大清洁能源的使用比重，发展低碳经济。核电跨越式的发展也势必要求核电机组国产化，加大我国自主知识产权在核电技术领域的比重。作为核电管材重要钢种，具有良好的抗流体腐蚀性能的20+Cr钢，将会普遍使用，具有良好的经济前景。
4.1.2 20+Cr钢的问世，打破了一直国外垄断的核电管材市场，为国内核电领域经济发展创造了契机。同时，减少了设备的供货周期。本工法的实施，也标明我们拥有20+Cr钢安装施工技术和工艺的自主知识产权，节约了以往需要聘请国外技术专家指导的费用。以往聘请国外专家，费用少则100万美元，多则1000万美元，并且还需要增加额外的附加条件，比如购买他们的设备或材料等等，我们几乎没有选择的余地，致使我们增加了很多没必要的成本和额外支出。本工法实施将打破这种怪圈，自己拥有了焊接施工技术，选材和使用设备，我们自己定，减少了巨大额外费用支出。
4.1.3 焊接质量的保证，才能体现到焊接产品的效益。对于20+Cr钢管道，主要用在核电机组的主凝结水抽取、给水除氧器、低压给水加热、启动给水等系统，鉴于核电站运行安全性，对工程质量提出更高的要求，如果焊缝出现大批量返修，不仅花费大量的人力、物力、财力，而且对今后核电机组的安全运行留下安全隐患，对公司的名誉造成重大损失。
4.1.4 通过工程实践，本工法可以有效地保证20+Cr钢焊接接头的焊接质量和综合性能，确保核电站的安全运行的可靠性，避免非计划性停机维修，提高电厂的经济效益，降低运行成本，为核电机组运行创造更大的经济效益。
4.2 社会效益
4.2.1 核电作为一个清洁能源，被世界所公认。我国在未来10年间，将大力发展核电机组。本工法可以有效地保证20+Cr钢焊接接头的焊接质量和综合性能，有利于20+Cr钢作为核电站重要管道用钢的在核电普遍使用，进一步加快核电建设的步伐。
4.2.2 本工法成功实施，为核电国产化进程做出重大贡献，是核电国产化道路上的一座丰碑，鼓舞核电国产化工作不断前进。加速了核电机组建设的进程，增加了核电发电量比重，有效控制火电机组CO2和NO2的排放量，有利于环境保护。
4.2.3 核电国产管道20+Cr钢焊接施工工法成功实施也标志着我们的焊接技术水平和能力，步入了核电工程建设技术的崭新领域，获得国内技术领先地位，为公司创造良好的社会效益。
5、结论
20控铬钢是CPR1000型核电机组应用的新钢种，其焊接质量直接关系到设备安全和运行，20控铬钢的焊接技术研究不仅推动了钢材和焊材的发展，也是核电机组批量化建设的需要。
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论文作者:李传明
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/8/13
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