核電站A335-P91 管道焊接及熱處理質(zhì)量控制研究

中國(guó)核工業(yè)第五建設(shè)有限公司 上海 201512

高溫氣冷堆一回路介質(zhì)為氦氣，氦氣通過(guò)反應(yīng)堆之后，溫度達(dá)到700℃以上，其中高溫氣冷堆（HTR-PM）設(shè)計(jì)出口溫度為750℃。氦氣通過(guò)蒸汽發(fā)生器將二回路中的主給水加熱為高溫蒸汽，所以主蒸汽的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)壓水堆。為保證二回路系統(tǒng)高溫工況下的穩(wěn)定性，系統(tǒng)管道材質(zhì)選用P91 耐熱鋼（10Cr9MoVNb）。

P91 耐熱鋼是在9Cr-1Mo 的基礎(chǔ)上，控制N 和Al 含量，降低C 含量，加入少量的Nb、V，通過(guò)Nb、V 和碳氮化合物的析出強(qiáng)化作用，提高了材料的高溫持久蠕變斷裂強(qiáng)度。相對(duì)于高溫高壓機(jī)組常用的低合金耐熱鋼，該材料具有高的抗氧化性能和良好的蠕變斷裂強(qiáng)度。但隨著材料性能的提高其焊接性能隨之降低，焊接操作要求隨之提高，同時(shí)其焊后熱處理加熱溫度臨近AC1 相變點(diǎn)，熱處理操作稍有不當(dāng)將出現(xiàn)過(guò)回火問(wèn)題，使焊接接頭性能降低。因P91 耐熱鋼首次在核電站設(shè)計(jì)使用，為保證其運(yùn)行安全，對(duì)A335-P91 管道焊接及熱處理質(zhì)量控制研究意義重大。

1 原材料質(zhì)量復(fù)檢

為保證焊接質(zhì)量，首先應(yīng)確認(rèn)母材質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。對(duì)于P91 材料，進(jìn)場(chǎng)后應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)的復(fù)檢，除對(duì)外觀質(zhì)量、外形尺寸及內(nèi)部缺陷的檢驗(yàn)外，最重要的是對(duì)其化學(xué)成分及金相組織進(jìn)行復(fù)檢。

1.1 光譜檢驗(yàn)

對(duì)于P91 鋼管、管件、支撐件及閥門(mén)部件應(yīng)逐件進(jìn)行光譜復(fù)查，以核對(duì)材料合金元素是否符合要求，合格后做好標(biāo)識(shí)標(biāo)記。

1.2 硬度檢驗(yàn)

材料的硬度是其化學(xué)成分與金相組織的綜合反映，是檢測(cè)P91材料回火質(zhì)量的重要指標(biāo)，所以P91 鋼管、管件、支撐件及閥門(mén)部件等應(yīng)進(jìn)行100%硬度檢驗(yàn)，每根鋼管或每件部件應(yīng)選擇3 個(gè)具有代表性的截面處，且每個(gè)截面應(yīng)盡可能在圓周四等分的位置上分別進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，使用便攜式里氏硬度計(jì)在每個(gè)位置上至少測(cè)量5 點(diǎn)，對(duì)于管徑較小或壁厚較薄的管子管件可采用便攜式布氏硬度計(jì)校核測(cè)量結(jié)果。

1.3 金相組織檢驗(yàn)

金相組織檢驗(yàn)可直觀地觀測(cè)到材料的內(nèi)部金相組織，是對(duì)硬度檢測(cè)結(jié)果的最終復(fù)核，P91 材料金相組織應(yīng)為回火馬氏體或保持馬氏體位相的回火索氏體，金相組織中的δ-鐵素體含量應(yīng)符合規(guī)定。

2 焊接過(guò)程質(zhì)量控制

2.1 預(yù)熱

P91 鋼屬于B 類Ⅲ級(jí)鋼，其焊接性能較差，若不進(jìn)行焊前預(yù)熱將大概率出現(xiàn)冷裂紋，同時(shí)預(yù)熱還有利于擴(kuò)散氫的析出。P91 材料預(yù)熱溫度為200℃-250℃，為保證溫度的均勻性，當(dāng)預(yù)熱溫度到達(dá)規(guī)定值后應(yīng)至少再保溫30 分鐘。焊接中斷后，應(yīng)在重新焊接前重新預(yù)熱。

2.2 焊接操作要求

當(dāng)焊接線能量過(guò)大時(shí)，將引起焊縫組織晶粒粗大，晶界出現(xiàn)明顯網(wǎng)狀，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)高硬度、低韌性的不合格情況。為得到高性能的焊接接頭，應(yīng)將焊接電流嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)，使焊接線能量控制在25KJ/cm 以下。

當(dāng)大口徑管道采用雙人對(duì)稱手工電弧焊時(shí)，要注意將收頭位置錯(cuò)開(kāi)10-15mm，以避免局部溫度過(guò)高。施焊過(guò)程中應(yīng)實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)控層間溫度，道間溫度不應(yīng)低于預(yù)熱溫度，且不大于250℃。每層每道焊縫焊接完成后，要對(duì)焊渣、雜物等進(jìn)行清理。

3 熱處理質(zhì)量控制

3.1 后熱

由于P91 管道屬于馬氏體熱強(qiáng)鋼，為避免氫致裂紋以及防止冷裂紋或者再熱裂紋的發(fā)生，在焊接完成后或焊接中斷時(shí)，若不能及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理則應(yīng)立即進(jìn)行后熱。P91 管道焊接接頭后熱工藝為：應(yīng)在焊件溫度降至80℃-100℃后并保溫1h-2h，使馬氏體轉(zhuǎn)變完成后立即進(jìn)行后熱，加熱溫度為300℃-350℃，保溫時(shí)間為2h-4h。

3.2 焊后熱處理控制

P91 焊接接頭的熱處理應(yīng)嚴(yán)格控制升、降溫速率v。在300℃以下時(shí)對(duì)升、降溫速率v 不需要控制；300℃以上時(shí)升、降溫速率v ≤6250/壁厚 ℃/h，且不大于150℃/h。

P91 焊接接頭焊后熱處理加熱溫度為750℃-770℃，而P91材料的Ac1 相變點(diǎn)約為810℃，根據(jù)Fe-C-Cr 相圖，當(dāng)熱處理溫度高至Ac1 相變點(diǎn)以上后，將發(fā)生Ostwald 熟化，使得焊接接頭強(qiáng)塑性大大降低。所以熱處理過(guò)程中需要嚴(yán)格控制加熱溫度。首先，應(yīng)根據(jù)焊接接頭的外形尺寸來(lái)選擇具有代表性的位置布置熱電偶，控制最高溫度位于焊縫上，同時(shí)還應(yīng)保證焊接接頭加熱均勻，使其均溫區(qū)（SB）的溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)；其次，應(yīng)采用儲(chǔ)能焊機(jī)焊接固定熱電偶以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，兩根熱電偶絲焊點(diǎn)間距應(yīng)不超過(guò)6mm；最后，加熱器布置時(shí)應(yīng)避免交叉或重疊，對(duì)于體積較大的焊接接頭應(yīng)布置較多的加熱裝置，通過(guò)分區(qū)控溫和功率控制，控制最高溫度位于焊縫上。

3.3 焊接接頭質(zhì)量檢測(cè)

對(duì)于P91 焊接接頭完成后，除應(yīng)進(jìn)行光譜及無(wú)損檢測(cè)外，還應(yīng)進(jìn)行硬度檢測(cè)和金相組織檢驗(yàn)，檢測(cè)應(yīng)在熱處理完成后及時(shí)進(jìn)行，以便及早驗(yàn)證熱處理操作的正確性，避免出現(xiàn)焊接接頭批量不合格的情況。

對(duì)于管徑超過(guò)DN150 或壁厚超過(guò)20mm 的管道，焊接接頭的硬度檢驗(yàn)比例應(yīng)為100%，盡可能在圓周四等分的位置上分別進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，硬度檢驗(yàn)的部位除焊縫外，還應(yīng)包括近縫區(qū)的母材，同一位置至少測(cè)量5 點(diǎn)。

對(duì)于管徑超過(guò)DN150 或壁厚超過(guò)20mm 的管道，焊接接頭的金相組織檢驗(yàn)比例應(yīng)為20%。金相組織結(jié)構(gòu)應(yīng)為馬氏體，且δ-鐵素體含量應(yīng)符合規(guī)定要求。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)P91 材料及其焊接性能的分析與研究，確定了P91 管道焊接及熱處理施工過(guò)程中的操作要點(diǎn)及質(zhì)量控制要求。由于核安全的重要性，在P91 管道焊接過(guò)程中，應(yīng)注重理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合，不斷完善施工操作要求，從而保證核電站建設(shè)階段P91 管道的焊接質(zhì)量。