CPR1000機(jī)組核島超低碳奧氏體不銹鋼薄壁管現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝探索

施建輝 楊 佳 王樹(shù)昌 劉政平 成 鵬

（1.陽(yáng)江核電有限公司 陽(yáng)江 529500）

（2.蘇州熱工研究院有限公司 蘇州 215004）

超低碳奧氏體不銹鋼成分中含有較高含量的Cr、Ni 合金元素，并加入了Mn、N 等奧氏體形成元素。超低碳奧氏體不銹鋼易在表面形成致密的氧化膜用以隔絕外界的腐蝕源，以獲得良好的抗腐蝕性。焊接熱過(guò)程會(huì)使焊縫及熱影響區(qū)的不銹鋼金屬經(jīng)歷一次快速高溫加熱和冷卻的過(guò)程，從而使焊接接頭區(qū)域的組織性能，特別是耐蝕性能與焊前母材發(fā)生較大變化[1-3]。

CPR1000 機(jī)組核島安裝過(guò)程中，管道安裝是其主要組成部分，為滿足設(shè)計(jì)需要和安全要求，核島中大量使用超低碳奧氏體不銹鋼管，與容器、水泵、閥門、法蘭相連接，質(zhì)保等級(jí)通常設(shè)為Q1 及Q2 級(jí)[4]。核島超低碳不銹鋼管道內(nèi)部工況常為高溫、高壓條件，并帶有較強(qiáng)的腐蝕性及放射性。因此管道焊接質(zhì)量是不銹鋼焊接接頭性能的保證，亦是核島管道安裝質(zhì)量的關(guān)鍵。

核電站建設(shè)對(duì)管道焊接提出了嚴(yán)格的質(zhì)量要求，核島安裝過(guò)程中，復(fù)雜的焊接施工環(huán)境條件，也進(jìn)一步提高了焊接難度。因此，摸索出一套適用于CPR1000 機(jī)組核島超低碳不銹鋼薄壁管焊接工藝的遵循原則，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)總結(jié)，對(duì)核島管道安裝質(zhì)量具有重要意義。

CPR1000 機(jī)組核島安裝所用超低碳不銹鋼薄壁管道的材質(zhì)主要為TP304L 及TP316L，壁厚在2～6mm，常選焊絲牌號(hào)OK16.30，規(guī)格為φ1.6mm，現(xiàn)場(chǎng)使用美國(guó)Powcon-300ST 及瑞典ESAB-LTN255 逆變直流電源。

1 工藝原則

如奧氏體不銹鋼焊接工藝選擇不當(dāng)，易產(chǎn)生晶間腐蝕和焊接熱裂紋等缺陷。而超低碳不銹鋼因含碳量較低（在0.03%以下），故降低了產(chǎn)生晶間腐蝕的可能性，但由于其膨脹系數(shù)較大，導(dǎo)熱性差，在受熱的過(guò)程中，易產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形，因此，在焊接過(guò)程中，應(yīng)盡可能采用小的線能量，即降低電流、增加焊速，采用多層多道焊時(shí)，層間溫度應(yīng)控制在175℃以下。

超低碳不銹鋼薄壁管的焊接采用手工鎢極氬弧焊，其優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)為：

1）氬氣保護(hù)隔絕大氣，防止氫、氮、氧等氣體對(duì)電弧及熔池的影響，保護(hù)母材及焊絲的元素不易燒損；

2）明弧焊接，施焊方便，電弧穩(wěn)定，焊縫成形美觀；

3）接頭組織致密，綜合機(jī)械性能好。

但由于管道壁薄，若使用規(guī)范不當(dāng)或操作手法不正確，焊接會(huì)造成未熔合、燒穿、焊瘤及內(nèi)凹等焊接缺陷，同時(shí)焊接產(chǎn)生的高溫極易使管道內(nèi)壁發(fā)生氧化，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生背面發(fā)黑和菜花狀缺陷等，因此在焊接前管道內(nèi)壁應(yīng)采取保護(hù)措施。

2 焊前準(zhǔn)備

2.1 坡口加工及組對(duì)

超低碳不銹鋼薄壁管道現(xiàn)場(chǎng)焊縫坡口的準(zhǔn)備均采用手工機(jī)械打磨，并用不銹鋼拋光刷及丙酮或工業(yè)酒精清理坡口內(nèi)外邊緣10～15mm處，以去除表面氧化物、油污等贓物。

坡口形貌和接頭組對(duì)示意圖，如圖1 所示。以常用典型焊接位置——管道水平固定，焊接方向?yàn)橛上孪蛏吓榔潞笧槔ㄈ鐖D2 所示），焊接過(guò)程涉及平焊（圖2 中12 點(diǎn)位置）、立焊（圖2 中3、9 點(diǎn)位置）、仰焊（圖2 中6 點(diǎn)位置）3 個(gè)基本位置。

圖1 坡口形貌及接頭組對(duì)示意圖

圖2 水平固定焊焊接方向示意圖

2.2 背面根部保護(hù)

1）氣室制作。超低碳不銹鋼管道焊接前，為防止背面氧化，必須在背面進(jìn)行充氬保護(hù)，在焊縫兩側(cè)的管內(nèi)制作氬氣保護(hù)室。

為防止鐵素體對(duì)超低碳不銹鋼管道的污染，防止高溫變形，堵板需用耐高溫橡膠制成，中間用膠合板或薄不銹鋼板以不銹鋼絲繩相連，利于焊接完成后取出。焊口用白色耐高溫含碳量相對(duì)較低的膠帶封住，由于氬氣比重大于空氣，充氣口應(yīng)設(shè)在管口下方，出氣口設(shè)在管口上方，利于空氣排出，如圖3 所示。

圖3 保護(hù)氣室示意圖

長(zhǎng)管段或最終碰口在無(wú)法采用橡膠堵板的情況下，可采用水溶紙和水溶膠帶代替堵板，用水溶膠帶將水溶紙粘貼在管子內(nèi)部，再由閥門或異徑三通處插入充氣管。焊接結(jié)束，水溶紙?jiān)跊_洗或水壓試驗(yàn)時(shí)溶成漿糊狀，隨水排走。

2）保護(hù)檢驗(yàn)。氣室制成后，進(jìn)行充氣，氣體流量的選擇對(duì)焊縫的質(zhì)量有一定影響。氣體流量過(guò)大，會(huì)使管內(nèi)氣體形成氣流紊亂，造成管內(nèi)空氣與氣流混合，致使保護(hù)效果變差。氣體流量過(guò)小，則空氣排空效果較差，無(wú)法起到背部保護(hù)效果。

施焊前為得到穩(wěn)定層流，應(yīng)先用5～10L/min 的氣體流量，充氣10～15min，利用氬氣密度大的特點(diǎn)，將管內(nèi)空氣逐漸排出，然后加大背面沖氬流量至20L/min 進(jìn)行焊接。

焊前對(duì)氬氣氣室的檢驗(yàn)，常規(guī)采用在密封膠帶處點(diǎn)火試驗(yàn)，該方法能間接判斷氬氣保護(hù)效果。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，可用一個(gè)厚度為1mm 左右的不銹鋼小板，撕開(kāi)膠帶一部分，將板靠近開(kāi)口，在小板上引弧，待小板上形成溶池后熄弧。觀察小板與開(kāi)口接觸面一側(cè)溶池形成后的顏色，若顏色呈紫色或金黃色，說(shuō)明管內(nèi)氬氣充足，純度達(dá)到需求，滿足焊接條件，可進(jìn)行焊接。若顏色變黑或有菜花缺陷出現(xiàn)，則說(shuō)明管內(nèi)氬氣純度不夠，應(yīng)檢查原因，排除隱患。

2.3 點(diǎn)焊

核島超低碳不銹鋼管道的點(diǎn)固采用點(diǎn)固塊點(diǎn)固，點(diǎn)固位置在坡口外側(cè)，均勻分布在12、3、6、9 點(diǎn)鐘位置，目的為避免坡口內(nèi)點(diǎn)焊造成母材根部局部氧化，點(diǎn)固塊的材質(zhì)須與母材材質(zhì)相同，經(jīng)切割加工后制成合適大小。

點(diǎn)固焊縫采用正式焊接的工藝施焊，點(diǎn)固焊縫斷續(xù)分布，并包括在正式焊縫中。當(dāng)焊接至點(diǎn)固位置時(shí)，按現(xiàn)場(chǎng)工作程序要求，用打磨的方法將點(diǎn)固塊清除，并在焊接結(jié)束后，統(tǒng)一進(jìn)行液體滲透檢驗(yàn)。

采用點(diǎn)固塊點(diǎn)固方法主要優(yōu)點(diǎn)包括：

1）不存在點(diǎn)固焊縫，避免出現(xiàn)裂紋機(jī)會(huì)；減少了焊縫中不必要的接頭，連續(xù)焊接性強(qiáng)。

2）打底焊道接頭少、打磨量小。

3）受點(diǎn)固塊限制，接頭變形小、間隙易調(diào)節(jié)。

3 焊接過(guò)程

3.1 焊接操作工藝

焊接操作工藝采用搖擺法焊接，即：細(xì)焊絲、大間隙搖擺法。

搖擺法特點(diǎn)如下：

1）焊槍是借助噴嘴與工件的依托，使焊槍操作的幾個(gè)其本動(dòng)作（橫向擺動(dòng)、搖動(dòng)頻率、擺動(dòng)二側(cè)的停頓、焊接速度）準(zhǔn)確、連貫、可調(diào)性強(qiáng)；

2）施焊過(guò)程中，可靈活調(diào)整噴嘴與工件的角度及鎢極與工件的距離，使電弧作用集中，熔池易于控制，焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊縫外表成型均勻、美觀，有效地避免并減少了焊縫的夾鎢、咬邊、內(nèi)凹等缺陷。

3）焊槍借助噴嘴與工件的依托，減輕了焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于焊工操作水平的正常發(fā)揮。

3.2 焊接過(guò)程控制

1）起弧及根部焊接。水平固定位置打底焊道起弧于圖2 中的6 點(diǎn)仰焊位置。起弧前先將6 點(diǎn)至3 點(diǎn)位置的密封膠帶去除，在仰焊位置由于受熔池重力影響易產(chǎn)生內(nèi)凹，解決此問(wèn)題除運(yùn)用合理焊接規(guī)范外，在操作上應(yīng)注意焊絲加入方法與電弧同步操作。即引燃電弧，先在坡口一側(cè)加入焊絲利用電弧將其熔化，再將電弧擺動(dòng)到另一側(cè)坡口加入焊絲，最后將電弧擺動(dòng)到中間再加入焊絲，使之與前后兩次加入的焊絲形成第一個(gè)完整熔池。

第二個(gè)熔池是在第一個(gè)熔池的基礎(chǔ)上，用電弧的左、右擺動(dòng)，焊絲通過(guò)接頭間隙，加在熔池根部?jī)?nèi)表面，即“內(nèi)加絲法”，焊絲加入角度盡量與管道水平軸線夾角保持最小角度。如此往復(fù)操作可以克服內(nèi)凹缺陷并在背面形成足夠的余高。

“內(nèi)加絲法”根據(jù)熔池不同情況，可用點(diǎn)絲或連續(xù)送絲方法。但連續(xù)送絲因只能觀察表面情況，送絲量多少、對(duì)背面透度、全憑經(jīng)驗(yàn)控制，送絲多了易形成“栽”絲（即焊絲直接穿過(guò)熔池到焊縫的背面，背面存在未熔化的焊絲），送絲少易產(chǎn)生內(nèi)凹或內(nèi)咬邊。而運(yùn)用點(diǎn)絲法焊接，對(duì)背面透度容易得到較好控制，焊絲送給量與電弧擺動(dòng)同步。隨焊接按鐘點(diǎn)時(shí)刻變化，熔池受重力影響突出，焊絲送給也將由熔池根部?jī)?nèi)表面逐漸向外表面轉(zhuǎn)移，這樣可保證根部熔透均勻。因此常采用點(diǎn)絲法進(jìn)行起弧根部焊接，但需注意的是，點(diǎn)絲過(guò)程中焊絲的送給應(yīng)始終在氬氣保護(hù)內(nèi)，避免因離開(kāi)保護(hù)區(qū)，在焊絲端頭形成被氧化的黑球，而影響接頭質(zhì)量及下一步操作。

2）填充焊接。根部焊道完成后，應(yīng)控制層間溫度低于175℃，再進(jìn)行焊道填充。初始填充前，應(yīng)保證焊縫背面的充氬保護(hù)，防止根部焊道因受填充焊道的高溫而氧化。氬氣保護(hù)流量一般控制在5～10L/min 左右，焊縫金屬厚度大于4mm 時(shí)，可停止氬氣保護(hù)。

填充焊接施焊過(guò)程中應(yīng)采用連續(xù)送絲方式，焊槍噴嘴可用擺動(dòng)或滾動(dòng)方式，兩側(cè)要明顯停頓，利于坡口側(cè)壁和母材邊緣的充分熔合，焊絲應(yīng)填充適量，避免因送絲過(guò)量造成熔池前出現(xiàn)“陡臺(tái)”導(dǎo)致層間未熔合。焊接時(shí)應(yīng)根據(jù)熔池形狀，提高擺動(dòng)頻率改變焊接速度，避免因焊速過(guò)慢造成根部焊道二次熔化，導(dǎo)致仰焊部位塌陷，其它部位“突出”。

3）收弧焊接。在圖2 中12 點(diǎn)鐘位置收弧。收弧時(shí)應(yīng)將產(chǎn)品焊縫前半段結(jié)尾外修成緩坡?tīng)?，以利于最終收弧接頭處的根部熔池熔化，達(dá)到圓滑過(guò)渡的目的，減少未焊透或未熔合缺陷的產(chǎn)生。收弧時(shí)注意：施焊到最后一根焊絲時(shí)，應(yīng)降低管內(nèi)氬氣流量，避免由于氣體受熱膨脹，焊絲熔化的液態(tài)金屬不易順利過(guò)渡到熔池中去，管內(nèi)氣體的壓力將對(duì)封口處液態(tài)金屬產(chǎn)生沖擊凹坑，當(dāng)施焊到距最終端大約10mm 時(shí)，應(yīng)將管內(nèi)氬氣全部關(guān)閉，利用管內(nèi)存留的余氣完成封口，并適當(dāng)放慢焊接操作速度，使填充金屬向背面滲透，保證根部接頭圓滑過(guò)渡。

4）變形控制。管道安裝結(jié)束后，有相當(dāng)一部分管段產(chǎn)生與設(shè)備接口處法蘭平行度不夠等缺陷。造成以上缺陷，除安裝偏差外，大部分是由焊接變形引起的。因不銹鋼管線膨脹系數(shù)大，因此在施焊過(guò)程中，要注意采用反變形措施和合理焊接順序，克服以上缺陷。

（1）反變形措施：對(duì)水平固定管組對(duì)時(shí)，仰焊部位間隙應(yīng)比頂部間隙小2～3mm，這樣在施焊到水平位置時(shí)，由于收縮作用，使焊口達(dá)到最終平直的要求。

（2）對(duì)稱焊接順序：打底焊及填充焊，按圖2 鐘點(diǎn)時(shí)刻：6～3；9～12，3～12，6～9 順序焊接。蓋面，按6～9，3～12，9～12，6～3 順序施焊。

4 檢驗(yàn)

組對(duì)前，按要求對(duì)坡口尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格方可組對(duì)。坡口根部的間隙必須保證達(dá)到3～5mm，來(lái)抵消根部焊接時(shí)的收縮。點(diǎn)焊結(jié)束，根據(jù)程序的要求檢查錯(cuò)邊量[5]。

依照RCCM—2002《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》[4]要求，焊接完成后的100%檢驗(yàn)，包括：

1）目視檢驗(yàn)和焊縫的尺寸檢驗(yàn)：確保焊縫的表面不會(huì)有夾渣、未熔合、氣孔、弧傷、咬邊、焊縫外觀輪廓及打磨不合格等缺陷。焊縫外觀尺寸的檢查主要是錯(cuò)邊量不能大于1mm，焊縫的正面余高不能大于1.5mm；

2）表面的液體滲透檢驗(yàn)：表面不允許存在超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求的顯示；

3）射線檢驗(yàn)：不能存在裂紋、夾渣、未熔合、未焊透、咬邊、菜花狀缺陷、單個(gè)氣孔大于1.2mm、密集性氣孔等缺陷。

否則，視該焊縫為不合格焊縫。

5 結(jié)論

1）超低碳不銹鋼薄壁管的焊接，焊接方法選用手工鎢極氬弧較為理想；

2）嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝規(guī)程，實(shí)際操作需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，靈活選用焊接規(guī)范和焊接手法；

3）注意引弧和收弧操作，以保證接頭熔合良好，減少未熔合及氣孔、夾渣產(chǎn)生；

4）注意熔池溫度掌握，以控制背面形成高度和減少未焊透缺陷產(chǎn)生；

5）疑難位置，需注意采用搖擺法與拖動(dòng)懸空法相結(jié)合。

[1] 楊東旺.核島用無(wú)縫不銹鋼管的質(zhì)量控制[J].山西建筑，2014，40(7)：220-222.

[2] 項(xiàng)陽(yáng)，陳進(jìn)，王印培，等.反復(fù)焊接對(duì)超低碳奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能的影響[J].理化檢驗(yàn)—物理分冊(cè)，2005，41(3)：113-116.

[3] 周振豐.焊接冶金學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996：37-40.

[4] 法國(guó)核島設(shè)備設(shè)計(jì)建造規(guī)則協(xié)會(huì).壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則RCC-M（2000 版）及2002 補(bǔ)遺[S].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2010.

[5] 趙熹華.焊接檢驗(yàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993：179-198.

[6] 孫松召，陳敏，林祥，等.超級(jí)雙相不銹鋼2507 焊接質(zhì)量的控制[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2013，29（09）：28-31.

[7]牟彥春，金南輝，朱曉智.SA335-P92 鋼主蒸汽管等焊接質(zhì)量控制[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2013，29（05）：37-41.

[8]吉章紅.不銹鋼復(fù)合鋼管的焊接工藝[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2010，26（04）：43-46.