2国核工程有限公司 上海市 201100）
摘要：主蒸汽管道母材采用SA335 P11合金钢，主厂房焊缝的焊接要求高，焊接工艺复杂。本文通过现场主蒸汽管道焊接工艺的确定以及焊接施工过程存在的问题和难点进行论述，并加以优化和改善，为后续主蒸汽管道焊缝的焊接提供参考与借鉴。
关键词：主蒸汽管道；合金钢；焊接工艺
1概述
主蒸汽管道是连接蒸汽发生器与汽轮机的主要通道，主蒸汽管道从蒸汽发生器的蒸汽出口开始，经贯穿件进入辅助厂房，最终进入汽轮机厂房连接到汽轮机进气口，管道外径965.2mm，壁厚44.2mm，主厂房内的主蒸汽管道的焊接要求非常高，焊接工作量大，焊接工艺复杂，其特点和难点如下：
1）SA335 P11低合金钢焊接容易产生冷裂纹；
2）大直径、厚壁管道的GTAW焊接；
3）焊口组对要求高，不易控制；
4）密闭及温度高的环境下进行施焊；
5）焊接周期长，对焊接人员要求高。
针对上述情况，必须采取适合现场的焊接施工工艺和防护措施，确保施工质量符合设计要求，同时也满足施工进度计划的安排。
2焊接性分析
SA335 P11属于铬钼合金钢，钢中添加铬、钼元素来提高高温蠕变强度，其最高工作温度可达550℃，其化学成分为：C：0.05～0.15、Mn：0.30～0.60、Si：0.50～1.00、P：≤0.025、S：≤0.025、Cr：1.0～1.5、Mo：0.44～0.65，最小抗拉强度415Mpa，最小屈服强度205Mpa、最小伸长率30%，需进行焊后热处理。
低合金钢的可焊性除直接采用焊接试验的方法来确定外，还可以通过计算法分析低合金钢的焊接性，钢材的化学成份对焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向存在直接影响，可以用化学成份来分析其冷裂敏感性。各种元素中，碳是对冷裂敏感性影响最显著的一个。因此，将各种元素都按相当于若干含碳量折合，并叠加起来，求得其碳当量，碳当量越大，冷裂倾向也越大，可焊性也越差。除碳当量外，焊缝熔敷金属中氢含量对冷裂倾向有较大的影响，可用冷裂纹敏感指数来衡量。
采用AWS标准推荐的计算公式，计算得碳当量Ce=0.63%，冷裂纹指数Pc=0.365%。一般情况下，碳当量大于0.5%时，钢材易于淬硬，如果冷裂指数超过0.3%时焊接性较差。通过上述对碳当量及冷裂指数的计算可以确定，SA335 P11的焊接性较差，可采用低氢焊条和控制焊接热输入在合适的范围，加上适当的预热、后热措施，有效改善焊接性及避免焊接冷裂纹。
3焊接工艺评定
3.1试件焊接
目前国内多数电站的主蒸汽管道均采用GTAW+SMAW的焊接工艺，经过对比，采用GTAW焊接的热输入相对SMAW焊接的热输入要低一些，对于焊缝的抗拉强度无明显影响，但是GTAW焊接焊缝的冲击韧性明显优于SMAW的焊缝性能。主厂房的主蒸汽管道为保证管线的焊缝性能满足设计要求，现场采用的焊接方法为GTAW。辅助厂房主蒸汽管道的焊接方法为GTAW或GTAW+SMAW其中之一。
主蒸汽管道坡口形式采用U+V组合坡口形式，坡口由两个角度组成，下部角度为30°，上部角度为10°。为满足焊缝在役检查的要求，需对管道焊接端进行镗孔，镗孔深度不小于两倍的tm，镗孔时要保证镗孔部位的壁厚不小于设计的最小壁厚40.6mm。
根据设计要求及现场实际情况确定焊接工艺试件规格为Φ219×23.01，焊接方法为GTAW、GTAW+SMAW，焊接材料为ER80S-B2、E8018-B2，GTAW焊缝的最大热输入26.5KJ/cm，GTAW+SMAW焊缝的最大热输入33.6KJ/cm，氩弧焊的保护气体为99.99%的氩气，预热和层间温度为150-250℃。按照ASME Ⅲ卷NB分卷及设计要求，进行3个热循环热处理工艺，保温时间为2小时，保温温度620±15℃，在425℃以上，加热和冷却速率为56℃/h～127℃。
3.2热处理及无损检测
根据设计要求，合金钢工艺评定时至少进行3个热循环热处理工艺，即经历三个升温、保温、降温的焊后热处理过程。热处理完毕对试件焊缝进行RT检测，未发现超标缺陷，结果合格。
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3.3评定试验
根据ASME Ⅸ卷及Ⅲ卷要求，进行拉伸、弯曲和冲击试验，全氩焊缝的抗拉强度为530 Mpa、540 Mpa，氩电焊缝的抗拉强度为540 Mpa、550 Mpa，侧弯试验均合格。
根据技术规格书规定主蒸汽管道最低运行温度为4℃，作为ASME Ⅲ卷NB分卷中的要求，冲击试验的最低温度低于或等于最低运行温度，确定冲击试验温度为0℃。依据SA370规定对焊缝区、焊接热影响区、母材进行冲击试验，试验结果均符合设计文件和标准要求。
4焊接工艺应用
4.1焊接顺序
主蒸汽管道直径大，壁厚较大，焊缝层数和焊道数较多，在焊接过程中，主蒸汽管道由于受热不均容易产生变形，应采取双人对称焊和分段倒焊，同时根据焊接过程中变形的大小，采取合理的焊道布置，并在工艺允许范围内适当调整焊接参数，能够有效控制变形。
4.2组对及点焊
采用调节支架、倒链等工具进行调节组对，将焊口间隙调整到1～5mm，内错边调整到0～0.8mm，满足要求后用6～8个与管道材质相同的圆钢棒对称点焊固定，点固棒沿焊缝周向均匀分布，焊缝长度不小于20mm。
4.3现场焊接
现场首次使用φ3.2mm的焊丝，为更好地掌握电流、电压、焊接速度及加丝速度等工艺参数，采用与施工相同的焊材、规格为219*23.01mm的SA335 P11管子焊接模拟试验，对焊接试件进行RT检验结果合格。
在预热过程中，由于热对流的原因往往使上部的温度比下部的温度高40-50℃，在采用红外线测温仪进行测量确认温度是否达到规定要求时，需进行全面的测量，避免温度未达到要求。分别在管段的上、下部布置热电偶，当上部温度达到时，停止加热并进行保温；下部的加热片继续进行加热，直至下部的温度达到要求时开始进行下一道工序。
对于垂直管段的焊接，需考虑管段自身的重量，确保焊缝在焊接过程中不承受自身重力，在主厂房墙体上焊接临时支架，临时支架必须能够保证支撑安装管道的重量，在临时支架上设置临时吊点，采用手拉葫芦、吊装带和2台拉力计将管道调整就位，利用手拉葫芦将拉力计的指针调整至30KN（该处管段单重为6.4T）再进行焊接工作，在焊接及焊后热处理过程中适当调整手拉葫芦的拉力，使拉力计的指针一直维持在30KN的刻度。
主蒸汽管道焊接周期长，需在多个工作日焊接完成，在焊接过程中中断或停止焊接时，为防止焊接接头产生裂纹，应及时做好后热处理，后热温度为150-250℃，保温时间为4小时。
焊接完成后为进一步消除焊接残余应力，降低焊缝金属的扩散氢含量，避免管道焊接裂纹的产生，按照评定合格的工艺进行焊后热处理。
4.4焊接收缩量
为保证最后安装焊接的固定管段的顺利进行，需提前在焊接自由管段时获得实际焊接收缩量。焊接过程中实际测量获得管道焊缝轴向收缩量与焊缝焊接厚度有密切的关联，焊缝厚度30-50%的焊接对焊缝轴向收缩影响最大，随着焊缝厚度的继续增加，焊接热循环对焊缝轴向收缩的影响逐渐减小。
结论
通过对主蒸汽管道焊接工艺的确定以及现场焊接工艺应用，为同时满足设计和施工进度的要求，GTAW焊缝的焊接选用了φ3.2的焊丝进行填充和盖面，工艺评定试验件各项性能满足设计要求。通过合理的安装焊接顺序，很好的避免了正常焊接和跨多个工作日焊接的问题，尤其对于竖直管道的焊接采用拉力计施加预应力的方法很好的解决了焊接变形防护问题。主蒸汽管道焊接完成的主焊缝，经无损检验焊缝全部符合标准要求，为后续主蒸汽管道的顺利安装焊接打下良好基础。
参考文献：
[1] ASME SA370钢制品力学性能试样的标准试验方法和定义
[2] ASME Ⅸ2001版 焊接和钎焊工艺，焊工、钎焊工、焊接和钎接操作工评定标准
[3].ASME Ⅲ2001版 核设施部件建造规则
[4].AWS D1.1 2005版 钢结构焊接规范
作者简介：
作者1：姜文菊 职称：工程师 现就职于：中国能建浙江火电建设有限公司 单位省市和邮编：浙江省杭州市 310016 研究方向：电力建设焊接技术
作者2：李加华 职称：工程师 现就职于：国核工程有限公司 单位省市和邮编：上海市 201100 研究方向：电力建设焊接技术
论文作者:1姜文菊,2李加华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/1
标签：管道论文; 蒸汽论文; 温度论文; 当量论文; 裂纹论文; 焊接工艺论文; 抗拉强度论文; 《电力设备》2018年第30期论文;