不銹鋼復(fù)合板的焊接工藝附加評定方法探討

韓麗娟等

摘要： 沿用NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》中“焊接工藝附加評定”這一概念，根據(jù)不銹鋼復(fù)合板的特性與焊接工藝特點，針對化學(xué)成分和晶間腐蝕敏感性兩方面，圍繞評定范圍、評定條件、評定因素、評定規(guī)則、評定方法、試件形式與尺寸、檢驗要求與結(jié)果評定，提出了相應(yīng)的焊接工藝附加評定方法。

關(guān)鍵詞： 不銹鋼；復(fù)合板；晶間腐蝕敏感性；焊接工藝附加評定

中圖分類號： TG442

0前言

在現(xiàn)行焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》中，焊接工藝評定主要是以焊接接頭力學(xué)性能準(zhǔn)則評定焊接工藝，只規(guī)定了針對焊接接頭的力學(xué)性能、彎曲性能、堆焊層的化學(xué)成分、換熱管與管板之間焊接接頭剪切強(qiáng)度的評定方法。而對于不銹鋼復(fù)合板的試件，有時還需要對其覆層的化學(xué)成分和晶間腐蝕敏感性等附加特性進(jìn)行測定或檢驗，試件附加特性的影響因素與力學(xué)性能的影響因素是不相同的，而NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》等標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了以力學(xué)性能為準(zhǔn)則的評定規(guī)則及要求，但沒有涉及到這方面的內(nèi)容。

在JB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定 標(biāo)準(zhǔn)釋義》的“二、標(biāo)準(zhǔn)原理”中提到：“當(dāng)按照焊接接頭力學(xué)性能準(zhǔn)則評定焊接工藝時，如果產(chǎn)品有其他使用性能要求，則由焊接工藝人員按照理論知識和科學(xué)實驗結(jié)果來選擇條件并規(guī)定焊接工藝適用范圍?！?（雖然JB 4708—2000標(biāo)準(zhǔn)已換版更新，但其評定思想未改變，判定準(zhǔn)則依然未變。）

為此，施工單位還需要在鍋爐壓力容器監(jiān)督檢驗機(jī)構(gòu)的監(jiān)檢與幫助下，制定出專門對此的焊接工藝附加評定方法。依據(jù)NB/T 47014—2011和GB/T 21433—2008《不銹鋼壓力容器晶間腐蝕敏感性檢驗》，并結(jié)合其它相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，編寫了下述方法，作為工程實踐的探討，對于不銹鋼復(fù)合板焊接接頭要求附加特性（在本方法中特指覆層的化學(xué)成分和晶間腐蝕敏感性）時，對焊接工藝附加評定的規(guī)則、評定方法、檢驗方法和結(jié)果評價等作出了明確規(guī)定。

1適用范圍

本方法規(guī)定了不銹鋼復(fù)合板制壓力容器的對接焊縫和角焊縫、耐蝕堆焊焊接接頭附加特性（在本方法中特指覆層的化學(xué)成分和晶間腐蝕敏感性）焊接工藝附加評定的規(guī)則、評定方法、檢驗方法和結(jié)果評價。不銹鋼制壓力容器可參照對于覆層的相應(yīng)評定要求進(jìn)行焊接工藝附加評定。

本方法所適用的不銹鋼包括奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼，但不包括馬氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼。

2總則

不銹鋼復(fù)合板制壓力容器的設(shè)計文件中規(guī)定有其它特殊檢驗要求時（在本方法中特指覆層的化學(xué)成分測定和晶間腐蝕敏感性檢驗），則必須在進(jìn)行焊接工藝評定同時，增加焊接工藝附加評定；未規(guī)定有其它特殊要求時，則視為設(shè)計不要求，可只進(jìn)行焊接工藝評定，不需進(jìn)行焊接工藝附加評定。

不銹鋼復(fù)合板制壓力容器的焊接工藝附加評定，除遵守本方法規(guī)定外，還應(yīng)符合壓力容器產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)文件和設(shè)計文件的要求。

焊接工藝附加評定的評定方法，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)要求，按照NB/T 47014—2011及其它相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)文件和設(shè)計文件制定，并取得有關(guān)質(zhì)量監(jiān)督部門的認(rèn)可。

本方法中所提到基層和覆層焊縫金屬厚度都以母材中基層和覆層各自厚度為準(zhǔn)。

3附加評定因素

3.1 影響覆層化學(xué)成分的因素

影響覆層化學(xué)成分的因素按照NB/T 47014—2011中表16“各種焊接方法的堆焊工藝評定因素”的規(guī)定執(zhí)行。

3.2影響覆層晶間腐蝕敏感性的因素

影響覆層晶間腐蝕敏感性的因素分重要因素、規(guī)則因素和次要因素，見表1。

4附加評定規(guī)則

4.1覆層化學(xué)成分附加評定規(guī)則

覆層化學(xué)成分附加評定規(guī)則按照NB/T 47014—2011中“7 耐蝕堆焊工藝評定”的規(guī)定執(zhí)行。

以母材覆層厚度作為適用于焊件覆層的最小評定厚度，以試件覆層焊縫金屬厚度作為適用于焊件覆層焊縫金屬的最小評定厚度。

5評定方法

5.1分別評定

按照NB/T 47014—2011的規(guī)定進(jìn)行焊接工藝評定。依據(jù)對接焊縫試件評定合格的焊接工藝，編制焊接工藝附加評定的焊接工藝卡。

按本方法規(guī)定，對焊接工藝附加評定的焊接工藝卡進(jìn)行附加評定。在保證焊接接頭力學(xué)性能基礎(chǔ)上，獲得晶間腐蝕敏感性符合規(guī)定的焊接工藝。

5.2合并評定

在同一試件上將焊接工藝評定與焊接工藝附加評定合并進(jìn)行。

焊接工藝評定規(guī)則應(yīng)按NB/T 47014—2011的規(guī)定；焊接工藝附加評定規(guī)則按照本方法中的規(guī)定執(zhí)行。

6試件的形式與尺寸

焊接工藝附加評定采用對接焊縫全焊透試件，可采用單條焊縫、T字形焊縫或十字形交叉焊縫試件。試件的形式、數(shù)量與尺寸應(yīng)當(dāng)滿足制備試樣的要求，并應(yīng)當(dāng)符合NB/T 47014—2011和GB/T 21433—2008的規(guī)定，且應(yīng)同時滿足設(shè)計文件和相應(yīng)試驗標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。試件形式與尺寸見圖1。

試件焊縫斷面形式如圖2所示。

7.1外觀檢查

外觀檢查不得有裂紋。

7.2無損檢測

無損檢測（按JB/T 4730）不得有裂紋，檢測方法應(yīng)采用射線檢測和滲透檢測。

7.3化學(xué)成分測定

板狀試件在焊接接頭長度方向中間位置，或力學(xué)性能試驗和彎曲試驗取樣后的備用位置進(jìn)行化學(xué)成分測定。

直接在覆層焊接接頭焊態(tài)表面上進(jìn)行測定，或從焊接接頭表面制取屑片。 測定部位應(yīng)包括焊縫區(qū)、熔合區(qū)，各取一處。

覆層熔敷金屬的主要合金元素的含量不得低于覆層材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，并且同時滿足設(shè)計文件的規(guī)定，若無規(guī)定時應(yīng)當(dāng)符合焊材標(biāo)準(zhǔn)要求。

7.4晶間腐蝕敏感性檢驗

覆層晶間腐蝕敏感性檢驗按照GB/T 21433—2008的規(guī)定執(zhí)行。

試樣的截取與試樣的數(shù)量、形式、尺寸、受檢試樣狀態(tài)、加工方法、檢驗方法選擇以及檢驗結(jié)果的評定應(yīng)當(dāng)符合GB/T 21433—2008的規(guī)定，不銹鋼晶間腐蝕試驗方法應(yīng)符合GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》的要求，且應(yīng)當(dāng)同時滿足設(shè)計文件和相應(yīng)試驗標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。8結(jié)論

壓力容器產(chǎn)品焊接的基礎(chǔ)質(zhì)量是焊接接頭的使用性能和焊接缺陷，當(dāng)進(jìn)行不銹鋼復(fù)合板焊接時，覆層的化學(xué)成分和金相組織是保證耐蝕性能的基礎(chǔ)，只有通過相應(yīng)的焊接工藝控制，才能保證焊接接頭性能達(dá)到耐蝕要求。有了正確的評定方法，才能預(yù)防焊件產(chǎn)生不良的后果，就能很好地保障產(chǎn)品的焊接接頭性能和質(zhì)量。本方法以國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為依托，根據(jù)不銹鋼復(fù)合板的特性與焊接工藝特點，針對化學(xué)成分和晶間腐蝕敏感性兩方面，提出了焊接工藝附加評定方法，這也是對實踐應(yīng)用的探討，希望能經(jīng)得起實際工程的檢驗。

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收稿日期： 2013-11-09

韓麗娟簡介： 1968年出生，工程師，本科學(xué)歷，主要從事壓力容器與鋼結(jié)構(gòu)焊接制造的相關(guān)質(zhì)量管理和培訓(xùn)工作。壓水堆蒸氣發(fā)生器橫向支撐墻體托架焊接工藝及實踐

解天俊，張榮儉，鄭東宏（國核工程有限公司，山東 海陽 265116）

0前言

蒸氣發(fā)生器（下文中簡稱SG）是壓水堆主設(shè)備，起到了核能和熱能的交換作用，其橫向支撐主要有上、中、下三套，如圖1所示，每套支撐均由托架與蒸汽發(fā)生器房間的墻體進(jìn)行焊接連接。蒸汽發(fā)生器在工作狀態(tài)下通過焊縫傳遞載荷至墻體，托架按照設(shè)計分級，屬于質(zhì)保等級、安全等級、抗震等級均為1級的核級支承件。

SG托架母材設(shè)計材質(zhì)為ASTM A588 Gr.A或Gr.B，屬高強(qiáng)度低合金可耐大氣腐蝕結(jié)構(gòu)鋼。托架母材的厚度分別為4 in（101.6 mm）、2.5 in（63.5 mm）、3 in（762 mm），設(shè)計圖紙標(biāo)明上部托架為角焊縫，中部和下部托架為全熔透焊接接頭。中部和下部托架受現(xiàn)場安裝位置限制，坡口形式只能加工成單邊V形，熔敷金屬填充量大，焊接作業(yè)周期長。

為確保托架焊接質(zhì)量，合理的焊接工藝和現(xiàn)場實施方案是關(guān)鍵，本文重點介紹SG托架焊接工藝的技術(shù)準(zhǔn)備和現(xiàn)場焊接工藝及產(chǎn)生問題的分析和處理。圖1蒸氣發(fā)生器上、中、下橫向支撐示意圖

1焊接性分析

SG托架制造廠商制作原材料選用了ASTM A588 Gr.B，表1和表2為A588 Gr.B的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能指標(biāo)。

A588中含有一定量的P，盡管P對提高耐大氣腐蝕能力有一定的積極作用，但P會導(dǎo)致裂紋敏感性增加，出現(xiàn)內(nèi)裂；P還會惡化鋼的韌性，特別是限制降低鋼的沖擊韌性[1]。美國標(biāo)準(zhǔn)材料在國內(nèi)核電站應(yīng)用不多，可借鑒的案例經(jīng)驗不多，制定焊接工藝除考慮材料本身的焊接性能外，相關(guān)的核電站建造標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行也須綜合考慮。表1ASTM A588GrB的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）CSiMnPSCrNiVNbCuTi0.120.281.330.03520.00250.410.410.0380.0230.290.007

表2ASTMA588GrB的力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度

Rm/MPa屈服強(qiáng)度

Rel/MPa斷后伸長率

A（%）沖擊吸收能量

（-10℃）Akv/J54039233166，166，167 2焊接工藝評定

SG墻體托架為核1級設(shè)備的支承部件，焊接工藝焊條評定必須遵循ASME B&P IX—2010[2]和ASME B&P Ⅲ Subsection NF—2010[3]。選用電弧焊方法，根據(jù)ASME第九卷，工藝評定過程中的試驗件、評定范圍、檢驗和試驗方法應(yīng)遵循QW-450的要求，QW-253列出了影響工藝評定的因素，在工藝評定準(zhǔn)備階段重點分析影響力學(xué)性能的焊接條件的變化，要求完成后的工藝評定可完全覆蓋SG架現(xiàn)場焊接的所有焊接接頭，主要有以下幾點：

（1）QW403.5材料組號。按照ASME第九卷材料的分組，A588材料分組是P-No.3，組號是1。對于鐵基材料，焊接工藝評定應(yīng)使用和蒸汽發(fā)生器托架相同的P-No.和組號，方可覆蓋托架母材的P-No.和組號，因此工藝評定材料選用A588Gr.B。

（2）QW403.6 試件厚度的范圍。評定的母材最小厚度為試件厚度或16 mm，取兩者中的最小值。托架母材最大厚度是101.6 mm，結(jié)合QW451.1的要求，焊接試件厚度不少于38 mm，那么可覆蓋母材厚度最大值為200 mm，則工藝評定所用母材厚度選用38 mm，即可覆蓋現(xiàn)場托架焊接，也可減少評定時熔敷金屬量。

（3）QW403.9 對于單道焊或多道焊，其中任一焊道的厚度大于13 mm，厚度的增加超過試件評定厚度的1.1倍。托架焊接采用多道多層焊，必須控制任一焊道的厚度不得大于13 mm，不超過工藝評定的覆蓋范圍。

（4）QW404.4、QW404.5和QW404.12填充金屬從某一F-No.、SFA或A-No.改變?yōu)榱硪籉-No. 、SFA或A-No.，或改變?yōu)锳SME中未列出的任何其它填充金屬。為不改變填充金屬的F-No.、SFA分類號和A-No，并根據(jù)A588的材料力學(xué)性能和化學(xué)成分，工藝評定所用材料可從現(xiàn)場庫存的焊接材料中選擇，填充材料選用E7018，E7018分組號為F-No.4，ASME標(biāo)準(zhǔn)號為SFA-5.1，化學(xué)成分分類號為A-No.1，如表3～表4為ESAB生產(chǎn)的E7018焊條的化學(xué)成分和力學(xué)性能。

表3ESAB公司生產(chǎn)的E7018焊條主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%） CSiMnPSCrNiVMoCo0.0680.501.310.0110.0070.040.050.020.010.01

表4ESAB公司生產(chǎn)的E7018焊條的力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度

Rm/MPa屈服強(qiáng)度

Rel/MPa斷后伸長率

A（%）沖擊吸收能量

（-10℃）Akv/J55444637145，153，130

（5）QW404.30焊縫熔敷金屬厚度的變化超過工藝評定的厚度范圍，則需重新評定。工藝評定的試件采用全熔透焊縫，保證工藝評定熔敷金屬厚度可覆蓋托架的厚度。

（6）QW406.3 最大層間溫度比工藝評定記錄值高56℃，則評定不可覆蓋托架的現(xiàn)場焊接。在工藝評定焊接過程中，須記錄層間溫度值，以限制SG托架焊接過程的層間溫度。

（7）QW407.1 P-No.3材料如果工藝評定改變焊后熱處理條件，或不進(jìn)行焊后熱處理，則不可覆蓋產(chǎn)品焊接。根據(jù)ASME-NF-4622的要求，蒸汽發(fā)生器托架焊接需在595～675℃之間進(jìn)行焊后熱處理，則工藝評定試件焊后也須在此溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱處理。

（8）QW407.2 工藝評定試件在熱處理溫度下的累計時間不得少于產(chǎn)品所用時間的80%，但可在一次熱循環(huán)中完成。SG托架厚度最大為101.6 mm，焊后熱處理的恒溫時間根據(jù)ASME-NF-4622.1規(guī)定不得少于2.5 h，考慮到如果施工中出現(xiàn)返修，補(bǔ)焊后仍需要重新進(jìn)行熱處理。因此工藝評定試件焊后熱處理恒溫時間延長為5 h，保證工藝評定熱處理循環(huán)可覆蓋托架焊接及返修工藝。

（9）QW409.1 產(chǎn)品熱輸入的增加超過評定值，金屬的力學(xué)性能產(chǎn)生變化。工藝評定過程的電特性應(yīng)進(jìn)行記錄，計算熱輸入的最大值限制SG托架焊接過程的參數(shù)。

3主要施工工藝

3.1加設(shè)防焊接變形工裝

SG托架現(xiàn)場安裝的技術(shù)要求精確，角度變形值均不得超過±1°，焊接變形的控制必須非常嚴(yán)格。為防止焊接角變形，保證安裝的精度，中部和下部SG托架焊接前加設(shè)工裝進(jìn)行剛性固定。SG托架工裝由中部工裝和側(cè)部工裝構(gòu)成，如圖2所示，在車間加工完坡口后加裝中部工裝包裹住托架，在核島蒸汽發(fā)生器房間墻體上現(xiàn)場進(jìn)行定位后，調(diào)整托架位置使其滿足安裝要求，再加裝側(cè)部工裝，使托架牢固固定在測量定位的位置。圖2SG托架墻體工裝示意圖3.2根部襯墊和引弧、息弧板

按照ASME標(biāo)準(zhǔn)的要求，焊條電弧焊的全熔透焊縫必須在根部設(shè)置襯墊，這點和國內(nèi)的焊接相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)允許焊條電弧焊單面焊雙面成形。SG托架板與板之間的間距不到200 mm，加設(shè)了工裝后如果根部使用鋼制襯墊，焊接完成后襯墊無法按設(shè)計要求磨除?，F(xiàn)場進(jìn)行根部焊接時，使用了陶制襯墊，既可保證根部焊縫質(zhì)量，也可方便去除襯墊，滿足了設(shè)計要求。

為避免引弧和收弧時的缺陷，現(xiàn)場在SG托架坡口上端和下端設(shè)置了引弧板和息弧板，將引弧時的焊縫端部和收弧時的弧坑引到焊件外。按照ASME-NF要求，臨時附件的焊接也必須經(jīng)過工藝評定合格，材料與被焊材料相容，焊縫按NF-4620要求進(jìn)行熱處理。引弧板和息弧板材料選用A588 Gr.B，在施工邏輯上需要注意引弧板和息弧板設(shè)置和磨除的時間點，在SG托架加熱達(dá)到預(yù)熱溫度后，再定位焊引弧板和息弧板，焊接完成后整體進(jìn)行熱處理后再用機(jī)械方式磨除引弧板和息弧板。

3.3焊后熱處理

為了消除由于焊接過程引起的殘余內(nèi)應(yīng)力，托架焊后須按照ASME-NF要求進(jìn)行去應(yīng)力退火熱處理，需要注意的是焊后熱處理必須在蒸汽發(fā)生器房間墻體自密實混凝土澆筑前進(jìn)行，以避免對混凝土造成不利影響；焊縫每側(cè)受控加熱帶的最小寬度應(yīng)為焊縫或50 mm兩者中的較小值。表5是托架熱處理的技術(shù)參數(shù)。

表5SG托架焊后熱處理參數(shù)項目名稱恒溫溫度T/℃恒溫時間t/min425℃以上的加熱和

冷卻速率v/（℃·h-1）焊縫兩側(cè)加熱最小

寬度范圍B/mm下部托架620±1015056110中部托架620±101358580上部托架620±106056504焊接缺陷的產(chǎn)生及原因分析

中部和下部SG托架焊接完成后，進(jìn)行最終的無損檢測，包括VT、UT和PT。在UT檢測時，發(fā)現(xiàn)了線性缺陷，驗收不合格，開列了不符合項NCR進(jìn)行返修，耽誤工期近20天。因此必須對返修的原因進(jìn)行分析，防止托架的后續(xù)焊接出現(xiàn)缺陷，影響焊接質(zhì)量，延誤現(xiàn)場施工進(jìn)度。以下是根據(jù)現(xiàn)場施工的全過程，從人員、材料、機(jī)具、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行了原因分析，找出的SG托架焊接產(chǎn)生線性缺陷的重要影響因素。

4.1預(yù)熱溫度

按照批準(zhǔn)的焊接工藝規(guī)程要求，托架焊接預(yù)熱溫度不得低于110℃，施工過程監(jiān)控記錄實際預(yù)熱溫度為120℃左右。托架母材厚度均超過60 mm，且支架板長度最長為1.5 m，預(yù)熱溫度接近下限值致使熔敷金屬部位和近焊縫區(qū)母材溫度梯度大，焊縫及母材散熱過快，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力加大，焊縫的淬硬傾向加大。A588Gr.B本身存在一定的裂紋敏感性，內(nèi)應(yīng)力過大致使焊縫產(chǎn)生內(nèi)裂。