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【摘要】本文针对20控Cr核电用钢的焊接工艺进行了技术研究，确定20控Cr钢的焊接工艺参数，选定焊丝PP-TIG-J50KG、焊条PP-J507KG等材料，提高了20控Cr新材料钢材的焊接质量，通过施工应用严格过程控制，确保了焊缝质量优良，制定出完整一套的焊接技术工艺，为今后此类钢材的焊接提供了有利的技术支持，为核电的安全运行保驾护航。
【关键词】20控Cr 核电用钢 焊接工艺
【中图分类号】TG47
0 引言
核电站出于安全角度考虑，一般运行温度和压力都比较低，为了保证发电功率，只有提高介质的流速，但流速的提高却带来了管道的流动加速腐蚀（FAC），管道往往在设计寿命的时间内发生突然失效，导致严重事故的发生。根据有关研究发现，Cr会抑制管道流体腐蚀（FAC）现象的发生，所以对凝结水、中低压给水等给水管道特别提出了控制Cr含量的要求。20控Cr钢由于具有优良的高温抗冲刷腐蚀能力，在核电运行中有效的防止管道的磨损，防止管道流体加速腐蚀，因此在核电站中多使用20控Cr钢制作的汽水管道。20控Cr钢管道的焊缝质量好坏直接影响到整个核电安全运行，所以通过对该材质钢的焊接工艺进行研究，制定出完整一套的焊接技术工艺，确保核电相关钢材的焊缝质量优良，对整个核电的安全运行起着至关重要的作用。
1 20控Cr钢的焊接性
1.1 20控Cr钢化学成分
20控Cr钢材作为一种核电用钢，属于一种低碳钢，国内核电用20控Cr钢材冶炼方式采用电炉冶炼+炉外精炼+真空脱气的冶炼方式，是在20G的基础上通过添加一定的Cr元素，将Cr元素含量控制在0.1～0.3％，并施以正火热处理工艺，因此钢材晶粒度≥5级，显微组织为铁素体+珠光体，具有良好的高温拉伸性能，所含合金元素总量＜3%，P、S含量控制严格，低温冲击韧性良好，各项力学性能表现优异。焊接热烈倾向小、回火脆性不明显、淬硬倾向小，焊接性良好。控Cr的主要目的是为了防止管道的磨损，防止管道流体加速腐蚀。
PP-J507KG是低氢钠型药皮的控铬碳钢焊条，采用直流反接，短弧操作，全位置焊接操作性能良好。焊缝金属除普通J507焊条所具有良好的塑性、韧性及抗裂性能外，还由于加入了适量的Cr元素而提高了抗流体加速腐蚀（FAC）性能。主要适用于抗拉强度为500MPa级控铬碳钢（如控铬20钢）及碳钢铸件的焊接，是核电站抗流体加速腐蚀的合适焊接材料。
2 焊前准备
2.1 焊前培训
在改进型多功能焊前模拟架上进行焊前模拟练习，能全方位模拟20控Cr钢现场实际施焊条件，相比传统且效果单一的模拟架，此焊前模拟练习架具有可同时模拟多位置、多材质和不同口径的管道及试件的功能，特别是在每根模拟管之间增加了调节装置，可同时调节每根模拟练习焊管之间的距离，满足了现场不同管位置的模拟需求，减少了传统模拟架上调整管间距需多次拆除、点焊模拟管件的重复性工作，提高了对20控Cr钢的模拟效率，使焊接人员通过与现场环境一致的模拟练习，可快速适应现场施工环境，焊接出优良的焊缝。
2.2 焊接材料管理
焊材进库前应按质量体系程序文件规定进行检查验收。焊材存放于干燥、通风良好、温度大于5℃，且相对空气湿度小于60%的库房内。使用的焊条焊前必须经过烘焙，烘焙温度为350℃，烘焙1小时，烘焙好的电焊条必须放在100～150℃的恒温箱内。领用的焊条应装入保温温度为80～110℃的专用保温筒内，焊工到达施焊地点应立即将保温桶接线、通电扣盖，施工时随用随取。氩弧焊工艺所用氩气纯度不低于99.95%，施工前检查，若出现群孔，检查氩气表、焊枪、氩气皮带是否漏气，如不漏气，需更换氩气。
2.3 组对
接头组对前，应将坡口及坡口边缘20mm范围内母材金属内、外壁表面的油、漆、垢、锈、氧化皮等有害杂质清理干净，直至露出金属光泽。焊前检查对口情况，是否做到内壁齐平，若有错口，管道外径大于100的其错口值不超过1.0mm，管道外径小于100的其错口值不超过0.8mm，对口间隙保持2-3mm。
3 焊接关键控制要点
3.1. 焊接方法及材料选择
对于壁厚大于6mm的焊接方法采用GTAW+SMAW，不大于6mm的管道焊接方法采用GTAW；打底层及定位焊焊接宜选用焊条（焊丝）直径不大2.5mm，填充层焊条（焊丝）直径不宜大于4.0mm。打底层焊层厚度不宜小3mm，打底层焊接接头金属经目视检查合格方可焊接填充层。
3.2 定位焊及打底层焊接
定位焊采用根部定位焊，且作为正式焊缝的组成部分。其焊接工艺与正式焊接相同，定位焊尺寸的要求应符合下表的规定，并保证焊透且熔合良好，无裂纹、焊瘤、气孔、夹渣等缺陷。为保证底层焊道成型良好，减小应力集中，定位焊缝应平缓过渡到母材，且应将焊缝两端磨成斜坡。
焊接打底过程中，使用了新型TIG焊氩气自动送停控制装置，将焊机内的电磁阀放入遥控器盒内，在遥控器盒及焊机之间使用导线连接，接通焊机内的电磁阀电源，从而实现了氩气起弧送气、延时停气的功能，提高了20控Cr钢根部焊缝氩气保护效果，提高了焊缝的焊接质量。同时该装置也减少了电磁阀外氩气管长度，节约了现场施工成本。
3.3 焊接过程控制
3.3.1施焊采用线性焊道方法,有效控制热输入的同时，后续焊道对先前焊道有回火热处理的作用，从而细化晶粒，有效提高焊缝强度；因热输入降低，有效防止热影响区焊缝晶粒过大；线性焊道热输入较小，可预防475℃脆化的出现。而传统的采用摆动焊道时会产生的问题：摆动焊道使焊接热输入增加，使热影响区晶粒长大，从而降低了焊缝强度；同样由于热输入过大，使母材在350～500℃内长时间保留，发生脆化，即475℃脆化；焊缝组织晶粒过大，降低焊缝强度。因此控制好焊接线能量输入，按照焊接工艺评定中规定的技术参数进行控制，来提高焊缝内部焊接质量，确保20控Cr钢管所有现场焊缝优良率达到100%。
3.3.2管道外径大于194mm的管子、管件或容器对接接头及要求控制变形的构件，宜采取二人或多人对称施焊。对称施焊的焊工不得同时在同一位置收弧。大径厚壁管焊接应采用多层多道焊，单层焊道厚度不宜大于所用焊条直径加2mm，单焊道宽度不宜超过所用焊条直径的4倍。多层多道焊应将焊道接头错开15mm～20mm。多层多道焊每焊完一道均应清理焊道表面及坡口两侧，并经焊工自检合格后，方可施焊下一层（道），但不得分段多层焊接。单个焊接接头宜连续完成施焊工作。
3.3.3焊接过程中，焊工应随时目视检查焊接质量，发现缺陷应及时处理。管理技术人员和焊接人员对焊口组对、氩弧焊打底、层间温度以及焊接热输入的控制、焊后清理等过程全程指导、跟踪、记录。
3.3.4焊接过程中被迫中断焊接时，应采取后热、缓冷等工艺措施。再次施焊时，应检验并确认无裂纹等超标缺陷后，方可按原焊接工艺规范继续施焊。盖面层焊接宜合理设计次表面层预留厚度及焊道排列，并使盖面层焊接接头金属与母材金属圆滑过渡，达到焊接接头外观质量要求。
3.4 热处理工艺要求
对于壁厚大于或等于26mm的管道要进行预热，壁厚大于30mm时必须进行焊后热处理，焊接过程中严格控制层间温度，使层间温度不大于350℃，层间温度过高会导致Cr元素与C元素形成Cr的碳化物，使焊缝的高温抗腐蚀性能下降。
3.5 焊缝检验
焊缝完成清理干净后，质量检验人员加强对焊缝的质量检测验收，符合相关规范和标准的验收指标，并完善质量管理制度。
4 结论
通过核电项目现在施工中严格20控Cr核电用钢焊接过程控制，确保了焊缝质量优良，一次探伤合格率≥96%，验收优良率100%；通过试验本技术的焊缝与使用国内同类普通焊接技术焊缝各种力学性能，本技术研究项目焊接接头的力学性能明显优于国内同类其他焊接技术；优化了传统焊接施工工艺，提高了劳动生产效率，预计项目完成后可省施工成本约250万元。取得良好效果的同时，可为全国核电建设领域20控Cr钢焊接提供技术支持和参考依据。
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论文作者:李海1,, 杨俊茵2,,王伟3,, 张彬1
论文发表刊物:《中国电业》2019年第10期
论文发表时间:2019/9/11
标签：核电论文; 焊条论文; 管道论文; 晶粒论文; 质量论文; 焊工论文; 温度论文; 《中国电业》2019年第10期论文;