AP1000核电主蒸汽管道焊接工艺

AP1000核电主蒸汽管道焊接工艺

李俊明

中国核工业第五建设有限公司上海市金山区201512

摘要：本文通过对AP1000核电站中主蒸汽管道SA335P11的焊接性进行分析研究，针对SA335P11管道材质特性并结合管道焊接特点，从焊接的坡口形式、焊接材料选择、焊接工艺参数、焊接层道分布、焊后热处理等制定了主蒸汽管道的焊接工艺措施。并通过实践验证了该焊接工艺的可行性和适用性。

关键词：主蒸汽管道；焊接工艺；SA335P11合金钢

0、前言

AP1000核电是我国从美国西屋公司引进的国际先进的第三代核电技术。AP1000核电反应堆厂房中有两台蒸汽发生器，每台蒸汽发生器连接一根主蒸汽管道，主蒸汽管道为核岛蒸汽输送到常规岛蒸汽轮机的蒸汽通路。主蒸汽管道材质SA335P11，规格为Φ965×44.2mm，设计压力7.52MPa，设计温度292℃，设计寿命60年。反应堆厂房内的主蒸汽管道采用先漏后破的设计理念，需要全氩弧焊接，其余主蒸汽管道主管的焊接可以采用氩电联焊来完成。作为AP1000核电现场焊接的重大技术问题，主蒸汽管道SA335P11的焊接意义重大，其焊接工艺研究的成果对AP1000核电的建造有着重要的意义。

1、焊接性分析

焊接性是金属材料在一定的焊接工艺条件下获得优质接头的难易程度以及焊接接头能否在使用条件下可靠运行的特性。常把钢中含碳量的多少作为判别钢材焊接性的主要标志。AP1000核电主蒸汽管道材质为SA335P11，管道规格为Φ965×44.2mm，其母材的化学成分见表1。

表1母材化学成分

注：化学元素成分（%）。

根据国际焊接学会推荐的用于评估低合金高强钢焊接性的碳当量公式[1]：

CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15（%）

根据表1中的化学成分，计算出AP1000主蒸汽管道SA335P11的碳当量CE=0.55%。

根据冷裂纹敏感指数公式[1]：

Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B（%）

根据表1中的化学成分，计算出SA335P11的冷裂纹指数Pcm=0.27%。

由以上数据可知SA335P11的焊接性相对较差，并且Cr和Mo含量较高，在焊接过程中存在淬硬倾向和冷裂倾向。

2、焊接方法和材料

为保证核岛的安全性，AP1000的设计方西屋公司限定核岛反应堆厂房的主蒸汽管道采用全氩弧焊接方法，核辅助厂房的主蒸汽管道可以采用氩电联焊的焊接方法。SA335GR.P11，属于耐热低合金钢，在450～550℃时有较高的热强性。选用ER80S-B2的合金钢焊丝和E8018-B2的合金钢焊条作为SA335P11的焊接填充材料。

3、焊接工艺

AP1000主蒸汽管道焊接工艺技术，主要从坡口形式、组对焊接、焊前预热、焊接、后热处理、焊后热处理等方面进行控制。通过对焊缝坡口型式、组对间隙、焊接时的操作技巧等方面进行采取措施，来获得较好的焊缝成型效果，同时又免去焊缝背面充氩保护的工序，并对焊缝进行了预热、后热、焊后热处理等热处理操作，获得良好的焊缝质量，满足设计要求。

3.1焊接坡口

坡口形式既要便于焊接操作，特别是保证根部焊道的焊接操作便利性，以保证焊缝根部及各层道之间的熔合和焊缝质量，又要尽量减少焊缝的填充金属量，以降低焊接应力减少变形提高工作效率。为减少焊接填充量同时保证焊缝熔合良好，将主蒸汽管道焊缝坡口设计成组合的坡口形式，如图所示。

3.2组对

为保证根部的背面成型，组对时坡口根部间隙控制在2-5mm范围内。对于不同的焊接位置，组对间隙要求有所差别。当管道水平固定放置即焊接位置为5G时，组对间隙控制在2-2.5mm范围内，当管道垂直固定放置即焊接位置为2G时，控制在2.5-5mm范围内。

组对间隙和内错边满足要求后进行组对点固，点固所采用的点固棒材质与主蒸汽管道材质相同，均为SA335GR.P11,点固棒的尺寸为φ36×50mm。经过计算，将8个点固棒在主蒸汽管道的圆周方向进行对称点焊固定，点固棒焊缝长度应不小于20mm，每两个相邻点固棒间隔角度为45°。

3.3焊前预热

在坡口两侧分别分布2个热电偶，对管道加热时，由于过程中热量对流循环的原因往往使上部的温度比下部的温钟方向，距离坡口边缘的距离分别为10mm和40mm的位置。热电偶布置好之后，用陶瓷式电加热绳对坡口两侧管道进行缠绕，每侧加热绳绕的宽度不少于75mm，为便于焊接操作加热绳距坡口边缘10mm。用保温棉对加热绳进行包裹并用铁丝固定，坡口每侧保温棉宽度至少为150mm，且保温棉距坡口边缘10mm，以免妨碍焊接操作。

3.4焊接

3.4.1打底焊

AP1000核电主蒸汽管道在焊接时采用双人对称焊的焊接顺序。坡口根部的打底焊是焊接作业的关键步骤，主蒸汽管道焊接操作难点在于焊缝打底时保证焊缝背面的成型。焊接时采用直径为Φ2.0mm的ER80S-B2的焊丝进行打底，焊缝成形较好，焊工操作比较容易。5G焊接位置，采取立向上的方式进行焊接。

焊缝第一层打底焊接完成之后，焊接第二层时，焊接速度与焊接第一层的速度保持一致的情况下，焊接电流要比第一层小约5A。第二层焊接的过程中，焊道应当分层，避免单道焊接热输入过大，造成第一层焊缝金属根部熔池塌陷，形成内凹缺陷。采用此打底方式，在焊缝背面不采用充氩保护的情况，控制了焊缝背面成型的均匀性和完成性，避免了因焊缝氧化而发渣的情况，为后续的焊接打好了基础。

3.4.2填充焊和盖面焊

在进行填充和盖面焊接时，可根据实际操作情况选用不同直径的焊材。在填充和盖面焊接时，焊缝的层道分布。每焊完一层，用钢丝刷将层道清理干净。

3.5后热和焊后热处理

3.5.1后热

SA335P11具有冷裂纹倾向，且主蒸汽管道壁厚较厚，焊接过程中产生较大的拘束应力，焊接后若不采取措施，易产生冷裂纹。当焊接完成后不能及时进行焊后热处理时或无法连续焊接完成整条焊缝时为避免出现冷裂纹，应采取后热保温缓冷的工艺措施。后热处理的温度需不低于150℃，保温时间不少于4小时，150℃以上保温满足4小时后进行自然缓冷，避免焊缝产生冷裂纹。

3.5.2焊后热处理

主蒸汽管道在整条焊缝焊接完成后需进行焊后热处理，以此来细化焊缝晶粒，改善焊缝组织的力学性能，同时还可以消除焊接过程中产生的残余应力，降低焊缝金属的扩散氢含量，起到避免焊接裂纹的产生的作用。焊后热处理要布置4个热电偶，分别在管道的12点钟方向上，焊缝两侧距离焊缝边缘10mm和44.2mm处，管道3点钟方向上距离焊缝边缘10mm处和在管道6点钟方向上距焊缝边缘44.2mm处。主蒸汽管道的焊后热处理用陶瓷加热绳进行加热。布置加热绳时以焊缝中心为基准，距焊缝边缘各自缠绕至少70mm的宽度，然后用保温棉对加热绳包裹。保温棉包裹时，每侧超出加热绳边缘至少150mm。

焊后热处理的过程中，当温度在425℃以上的区间时，升温速率和冷却速率应控制在56-117℃/h之间；保温温度控制在620±15℃之间；焊后热处理的最短保温时间为105分钟。

焊后热处理的效果，可根据4个热电偶对应的4条温控记录曲线结合紧密程度进行判断。4个热电偶对应的4条温控记录曲线结合越紧密，证明在同一时刻管道一周温度温差较小，管道受热均匀，热处理效果较好；4条温控记录曲线越发散，说明在同一时刻，管道一周温差较大，管道受热不均匀，热处理效果较差。

4、焊接检测

AP1000主蒸汽管道焊缝设计要求的检测为100%VT+100%MT+100%RT检测。采用本文论述的焊接工艺措施对AP1000主蒸汽管道进行焊接和焊后热处理，焊接完成后对焊缝进行检测，所有焊缝外观成型良好，VT、MT和RT全部合格。

5、结论

本文通过对AP1000主蒸汽管道SA335P11的焊接性特点进行分析研究，制定出合理的焊接工艺措施。并通过实践验证了工艺的可行性，证明了本文所论述的AP1000主蒸汽管道焊接工艺的可行性和适用性。

（1）通过对SA335P11的焊接性分析，提出了解决其焊接性差的工艺措施，确定了其焊接工艺，并经过实际案例验证了其可行性。

（2）通过采用特定的坡口形式和焊接工艺参数的组合，解决了SA335P11合金钢焊接背面免充氩焊接的难题，即节省了施工成本又有利于提高了焊接生产率。

参考文献：

[1]李亚江.焊接冶金学（材料焊接性）.[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]姚继光.焊接变形的控制措施研究.[M].北京：机电信息，2013.