核電站常規(guī)島（A691）焊接管道國產化研究

周利東，薛源，劉金貴，白哲宇，王為輝

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

就目前的情況來看，我國大部分的核電站建設過程中，焊接管道依然選用的進口管道。當下，隨著國內核電站的陸續(xù)開工，核電站常規(guī)島（A691）焊接管道用量持續(xù)增大，如果繼續(xù)進口，不僅成本高昂，且難以滿足我國核電站大規(guī)模建設需求。為此，探究核電站常規(guī)島（A691）焊接管道國產化具有極其重要的現實意義。

1 核電站常規(guī)島（A691）焊接管道國產化原則

1．1 精準把握國產化內涵

核電站常規(guī)島（A691）焊接管道國產化并非是不經過任何分析的一刀切，國產化的主要目的是在保證核電站常規(guī)島（A691）焊接管道質量的前提下，降低核電站建設成本。為此，企業(yè)應當瞄準那些用量大、價值高，國內生產水平完全滿足要求的管道選擇國產。而對于那些用量小、價值低以及不具備國產化條件的焊接管道可以選擇國外進口。

1．2 結合市場與國際接軌

就目前的情況來看，我國的核電站建設施工主要依賴西方發(fā)達國家先進的技術，焊接管道生產標準和規(guī)范依然被少數發(fā)達國家壟斷，特別是核反應堆依然掌控在少數發(fā)達國家和核企業(yè)中。由于考慮到（A691）焊接管道國產化，通過對國內各管道供應商的調查和交流，了解到國內供貨商具備焊接管道ASME/ASTM的生產能力。為此，核電站常規(guī)島（A691）焊接管道應立足國際市場，并快速實現與國際接軌。

1．3 持續(xù)有力帶動產業(yè)發(fā)展

核電站常規(guī)島（A691）焊接管道國產化的最終目標為了降低核電站的建設成本，但這并不是唯一的目的。為此，我們應當盡早的認識到核電總是要走出國門的。雖然說，我國的核電技術尚未具備知識自主產權，但對于那些需要建設核電站而資金又不充足的企業(yè)依然具有很大的吸引力。因此，在焊接管道國產化的研究過程中，我們應當持續(xù)有力帶動產業(yè)發(fā)展，嘗試“走出去戰(zhàn)略”，這也是我們應當承擔的一份社會責任?；谝陨峡紤]，如果相同材料與相同標準制造管道，其造價與性能與進口管道相差并不是很大，也容易被西方國家認可，從而為“走出去”戰(zhàn)略奠定堅實基礎。

1．4 虛心借鑒吸納已有研究成果

核電站常規(guī)島（A691）焊接管道國產化，還應虛心借鑒吸納已有研究成果，進行深入研究。在具體的工程項目建設中，要綜合考慮焊接管道材料采購成本、供貨周期，若經濟條件允許，還可以多個項目聯合批量采購。這樣一來，可以幫助企業(yè)降低采購成本，同時還有利于供貨商批量生產，保證供貨質量。

2 A69121/4CrCL22鋼的主要性能

A69121/4CrCL22鋼是美國標準鋼材，ASMEA691是美國材料與試驗學會標準高溫高壓服役條件用電熔焊碳鋼和合金鋼管標準：21/4Cr表示鋼管等級，該鋼中w（Cr）為2.25%，w（Mo）為1%；CL22是如處理消除應力狀態(tài)。A69121/4CrCL22鋼的化學成分及力學性能見表1和表2。

表1 A69121/4CrCL22鋼的化學成分

表2 A69121/4CrCL22鋼的力學性能

3 常規(guī)島合金鋼焊管材料國產化

常規(guī)島合金鋼焊管原材料鋼板選用國內制造的屬于貝氏體鋼范疇的ASTMA387/A387MGr.22CL2鋼，采用轉爐煉鋼+爐外精煉工藝，其原材料化學成分、原材料力學性能如表3和表4。

表3 原材料化學成分

表4 原材料力學性能

根據表3和表4的分析檢測數據對比，可見，目前國產材料在化學成分和力學性能方面同國外材料相近，滿足常規(guī)島焊管材料國產化的要求。

4 常規(guī)島合金鋼焊管制造技術運用

4．1 板邊加工技術

由于鋼板不平，且在運輸過程中容易形成“死彎”，而刨邊機的刨刀不能隨著板邊浮動，造成板邊坡口的不均勻“缺肉”，焊接時容易燒穿和未焊透，影響焊縫質量，早期的LSAW鋼管機組采用氣割，后來改進為刨邊工藝。本次研發(fā)過程中采用了銑削加工精度高的浮動式銑邊機，通過相應形狀的銑刀配置，可一次加工出N、Y、X等形狀的焊接破口，保證了坡口的均勻性，而且銑刀可隨板邊自由浮動，進而保證了焊接質量。

4．2 JCO漸進式成型技術

采用管體數控折彎和步進式預彎的有機結合，涉及折彎過程的數控和液壓伺服控制、橫梁的同步測量和控制、下梁的動態(tài)補償、進給機構的步進控制等方面。

4．3 后彎邊技術

本次研究在研究后彎邊技術時所使用的設備為1臺數千噸的壓力式后彎機，施工工藝為通過模具來以“步進式”方法來后彎鋼板邊緣。經驗證，這一工藝不僅可以在有效避免傳統(tǒng)輥式預彎工藝焊縫四周出現“撅嘴”情況的同時防止擴徑過程產生開裂，還可以保障所得到的鋼板邊緣板邊形狀為理想形狀。

4．4 連續(xù)預焊技術

老式的LSAW鋼管機組在成型后直接進行內焊，沒有設置預焊機。后來改進為多頭式點焊機，由于沒有完全打底，內焊時容易燒穿。如果為了防止燒穿而減少電流，又容易造成未焊透。本次研究過程中采用了激光跟隨的大功率粗絲混合氣體保護焊，實現了連續(xù)預焊，焊接速度可高達6m/min，焊接電流可高達2000A，可為后續(xù)的精焊創(chuàng)造最佳的焊接條件。

4．5 四絲串列埋弧焊技術

老式的LSAW鋼管機組采用單絲或雙絲埋弧焊，本次研究要求焊縫與母材的過渡良好，無咬邊，焊縫余高小等等，還要求滿足焊縫和熱影響區(qū)的強度、硬度和沖擊韌性要求，采用單絲或雙絲焊接很難全面滿足這些要求。多絲串列埋弧焊接工藝焊接接頭質量的好壞直接關系到鋼管最后的成型質量，其是厚壁直縫焊管生產中的關鍵技術之一。因此，在研究過程中采用了3種控制技術，分別為激光跟隨技術、焊接參數自動控制技術、四絲串列埋弧焊技術。這是因為，粗絲高速混合氣體保護連續(xù)預焊，四絲串列埋弧焊進行內外焊需要進行大量的試驗研究，最終通過焊接工藝評定，獲得實用的焊接技術。其可以控制多絲參數的方式來滿足鋼管對于大壁厚、高韌性的焊接要求。

4．6 焊接工藝技術

A69121/4CrCL22鋼加入了一定量的Cr和Mo，但含有Cr和Mo的鋼焊后在空氣中冷卻時，具有明顯的淬硬傾向，這主要是因為：

（1）Cr和C的含量越多，硬化越嚴重；焊件越厚，截面積越大（也就是焊件的剛性越大）硬化越嚴重。（2）焊件會受氣溫因素影響，尤其是冬季時期。當沒有對焊件進行預熱（或預熱溫度不夠高）時，其就會出現嚴重的硬化現象；此外，在焊接過程中若線能量較小，則也會出現嚴重的硬化現象。（3）為保證焊接質量，在焊接時必須選用堿性焊劑，焊縫中擴散氫的含量較高也是導致A69121/4CrCL22耐熱鋼焊縫或熱影響區(qū)產生裂紋的重要原因。故而，嚴格按技術要求進行預熱，保持層間溫度、焊后緩冷并及時進行熱處理等工藝措施。

4．7 A69121/4CrCL22耐熱鋼高溫高壓管道的預熱方法

（1）預熱時應使焊口兩側及內外壁的溫度均勻，以防止局部過熱，用熱處理爐（或者焊接預熱機）進行預熱，以便能夠均勻加熱，邊加熱邊用紅外線測溫儀控制其預熱溫度。預熱溫度為150～200℃，如焊縫需返修其預熱溫度應比原來高。

（2）在焊接時，為了確保其接頭不會出現淬硬或裂紋現象，需保持層間溫度高于預熱溫度；需注意的是，層間溫度要控制在適宜范圍內，不可過高導致發(fā)生過燒，從而造成晶粒粗大致使性能降低。此外，對A69121/4CrCL22進行耐熱鋼焊后，則要及時采取熱處理（且速度要快）。這是因為，該材質所產生的裂紋帶具有一定滯后性，即及時焊接完成沒有出現裂紋，但在焊件冷卻一定時間后也會發(fā)生裂紋。

5 常規(guī)島合金鋼焊管成品性能分析

通過對A69121/4CrCL22焊接管道成品進行性能檢驗試驗，以此驗證A69121/4CrCL22焊接管道國產化成品的符合性，并獲得實測檢驗數據，為設計提供參考和依據。

5．1 化學成分

每根管道成品取1個試樣，依據ASTMA751進行化學成分分析。

5．2 力學性能

（1）拉伸檢驗。每根鋼管母材、焊縫各取1個試樣，取樣位置橫向，母材（距焊道180°）、焊縫各1個，依據ASTMA370、ASTME21，焊縫橫向拉伸試驗僅測抗拉強度，母材僅進行高溫拉伸試驗，測350℃屈服點。（2）夏比沖擊。在一根鋼管母材、熱影響區(qū)、焊縫各取1組3個試樣。其中，方向為橫向，母材需距焊縫90°。（3）晶粒度、非金屬夾雜物。在一根鋼管管體上取1個試樣，鋼管的實際晶粒度應為5～10級，其驗收標準按ASTME112執(zhí)行。鋼管的非金屬夾雜物按ASTME45A法評級，其A、B、C、D和DS各類夾雜物的級別和粗細級別應分別不大于2.0級，各類夾雜物的細系級別總數與粗系級別總數應個不大于6.5級。

6 結語

此次核電站常規(guī)島（A691）焊接管道國產化研究，通過優(yōu)化板加工技術，采用良好的JCO漸進式成型技術和先進的后彎邊技術保證了加工質量，并在焊接時使用連續(xù)預焊技術和四絲串列埋弧焊技術獲得極好的焊接質量。最終確保了拉伸檢驗、夏比沖擊、晶粒度及非金屬夾雜等性能滿足設計、運行要求，在今后的核電工程項目建設中具有廣泛的應用價值。