鎳基合金堆焊和管子管板焊接工藝的研究

鄧為民，董 生，楊 挺

（1.海軍駐上海電站輔機廠軍事代表室，上海200090；2.上海電站輔機廠有限公司，上海200090）

鎳基合金堆焊和管子管板焊接工藝的研究

鄧為民1，董 生2，楊 挺2

（1.海軍駐上海電站輔機廠軍事代表室，上海200090；2.上海電站輔機廠有限公司，上海200090）

為研制某型熱交換器，進行了管板堆焊和管子管板的焊接試驗。該型熱交換器的換熱管采用了690鎳基合金管，管板材料為SA508Gr.3CL2，堆焊材料為690鎳基合金。堆焊前，先通過試驗確定焊接工藝參數，再正式堆焊試件。管板堆焊采用帶極埋弧焊，管子管板焊接采用了自動鎢極氬弧焊。經焊接試驗，確定了各項焊接參數，并對焊后試件進行了無損檢測、氦檢漏（管子管板）和各項理化試驗，試驗結果均符合試驗大綱的要求。

熱交換器；管子管板；鎳基合金；帶極堆焊；自動焊；無損檢測；氦檢漏；理化試驗

0 概 述

熱交換器的制造質量，關系到整個換熱系統的安全運行。在熱交換器制造中，管子管板焊接質量是整臺設備的關鍵。因此，管子管板焊接接頭的質量將直接影響設備的使用壽命。機組運行時，一旦管子管板接頭出現泄漏，可能導致機組停運等事故，造成巨大的經濟損失。因此，必須重視管子管板接頭的焊接質量。當換熱器采用特殊材料或結構時，需通過大量的焊接試驗并進行驗證，同時要開展前期的焊接工藝試驗，確定工藝方法和參數。現對采用690材料的管板堆焊及管子管板進行焊接試驗，并按試驗大綱的要求對焊接試驗件進行各項檢測，確定了焊接工藝方法和各項工藝參數，為后續設計和生產提供技術支持。

1 試驗要求

1.1 管板堆焊

1.1.1 無損檢測

試板堆焊后，經最終熱處理，還需進行超聲波和液體滲透檢測，堆焊層及焊接的結合面必須符合相關技術條件的要求。

1.1.2 破壞性試驗

堆焊的試板經最終熱處理（焊態、焊態＋敏化處理晶間腐蝕的試樣除外）及無損檢測后，進行彎曲試驗、化學成分、金相檢驗、晶間腐蝕試驗，試驗結果應滿足試驗大綱的要求。

1.2 管子管板

1.2.1 無損檢驗

（1）目視和尺寸檢查

對焊妥的焊縫進行目視檢查和尺寸檢查，不允許有任何未熔合、夾鎢、咬邊、表面氣孔、裂紋、凹陷和蜂窩狀缺陷。焊縫表面粗糙度應能滿足液體滲透檢驗的要求。換熱管材料采用690鎳基合金，規格為?12×1.1mm，管子管板的焊縫尺寸，應滿足圖1所示要求。

圖1管子管板焊接尺寸要求

（2）液體滲透檢驗

管子管板接頭按ASME規范卷V第6章的規定進行液體滲透檢測，應符合相關技術條件的要求。

（3）射線檢驗

管子管板接頭按ASME規范卷V第2章的規定進行射線檢測，質量符合專用技術條件的要求。

（4）密封性檢驗

采用氦氣對管子管板接頭焊縫進行密封性檢測，每條管子管板接頭焊縫的氦氣泄漏率應不超過1.33×10-8Pa·m3/s。

1.2.2 破壞性試驗

（1）金相檢驗

參照RCC-M標準，通過管子軸線和最后一個焊道的搭接區，對焊縫作徑向十字切片（4個觀察面），觀察焊縫的根部情況，并進行宏觀檢驗和微觀檢驗。宏觀檢驗時，對疑似缺陷部位，需將圖像放大到足夠的倍數，以鑒定缺陷性質。檢驗時，要求焊縫焊喉厚度的平均值不得小于0.9e，單個值不得小于0.66e；不允許有裂紋，只有局部最短的泄漏途徑大于0.66e時，才允許存在氣孔和夾雜。

（2）晶間腐蝕試驗

每組試樣取2條焊縫進行接頭晶間腐蝕試驗。將試樣沿管子軸線剖開，每條焊縫制備1個試樣。每組2個試樣中，取任1個試樣經受敏化處理（675℃± 5℃，1h），然后按GB/T15260-1994標準中B法（試驗周期為72h）進行晶間腐蝕試驗。試樣經處理后，進行微觀金相觀察，應無晶間腐蝕傾向。

2 堆焊工藝試驗

2.1 管板堆焊

管板材料為SA508Gr.3CL2鍛件（國內對應牌號為18MnNiMo），該類材料系Mn-Mo-Ni低合金高強度鋼。堆焊焊材選用國外公司的INCONEL Weldstrip52M焊帶，規格為60mm×0.5mm，配套焊劑為INCOFLUXSAS2。管板堆焊采用埋弧自動焊，并附加磁控裝置。埋弧焊設備為Lincoln焊機。

根據焊材廠家提供的質保書及焊接工藝參數，結合工廠對SA508Gr.3CL2及鎳基合金堆焊的經驗，在工藝試板上進行試焊，并對參數進行微調，焊縫的表面成形較好。通過對試板無損檢測和破壞性試驗，最終確定了所有的焊接工藝參數。相關的焊接參數，如表1所示。

表1堆焊焊接參數

堆焊前，管板的最低預熱溫度≥125℃。堆焊過程中，溫度需保持在最低預熱溫度以上，第一層最高層間溫度≤150℃，其余層的最高層間溫度≤200℃。堆焊完畢后，采用火焰加熱法進行焊后熱處理，焊后熱處理的溫度控制在300～350℃，保溫時間為1～2h。經機加工，將堆焊層厚度加工至8mm。隨后進行熱處理消除應力。熱處理的控制曲線，如圖2所示。熱處理后，對堆焊試板進行了無損檢測。

圖2熱處理曲線

2.2 堆焊試板檢驗

2.2.1 無損檢測

對試板堆焊層進行了100%UT、100%PT檢測，檢測結果均符合專用技術條件的要求。

2.2.2 破壞性試驗

試樣熱處理后，尚需進行成分分析及力學性能試驗。試驗項目包括：試樣的縱向和橫向彎曲試驗；堆焊層成分的化學分析；維氏硬度；試樣的縱向、橫向的宏觀金相及微觀金相；晶間腐蝕試驗（焊態、焊態＋敏化處理在熱處理前取樣）。彎曲試驗的試樣厚度為10mm，壓頭直徑為40mm，彎曲角度為180°。在堆焊層的縱向和橫向上，各取2個試樣進行試驗，均能滿足標準的要求。堆焊層的化學成分，如表2所示，所測元素的含量符合試驗大綱的要求。在垂直于試樣堆焊層的橫截面上，分別在焊縫金屬、熱影響區和母材位置進行硬度測試，標準中要求HV10硬度≤350。各區域硬度的測量結果，如表3所示。縱向及橫向上的宏觀、微觀金相、晶間腐蝕結果，如表4所示。經檢測，試驗結果均滿足試驗大綱的要求。

表2堆焊層的化學成分

表3堆焊層的HV10硬度

表4金相、晶間腐蝕結果

3 管子管板焊接試驗

3.1 試件準備

3.1.1 管板

根據堆焊試驗，確定了管板試樣的堆焊工藝參數。管板試樣堆焊后，馬上進行了焊后熱處理。然后，對堆焊層表面機加工，經無損檢測合格后，按試驗大綱要求，對試板進行鉆孔加工。管孔尺寸為?12.25mm。

3.1.2 管子

換熱管材料為定制的690鎳基合金管，規格為?12mm×1.1mm。

3.1.3 定位脹接

按試驗大綱要求，焊接管子管板前，需采用定位脹接的方式，讓管子在管板孔中定位。定位脹接前，應清潔管板孔及換熱管脹接端，先用洗潔劑去除管孔及管端的油污等雜質，再用丙酮擦洗。

3.2 管子管板焊接試

3.2.1 自動焊設備

管子管板焊接選用PC-508S自動全位置氬弧焊焊機。該設備除了設有常規的氬弧焊控制程序外，還能在不同位置，對焊接電流、焊接速度、送絲速度、脈沖頻率等參數進行分區控制，從而保證了接頭外形尺寸的一致，熔深均勻。

3.2.2 焊接參數試驗

施焊前，通過自動焊設備上的顯示屏進行各項參數的初步設置，并在試焊件上進行焊接。在焊縫外形滿足要求的前提下，再對試焊件的焊縫進行液體滲透檢測和解剖。通過對試樣的解剖分析，調整焊接分區的各項參數，再對試焊件進行焊接。經多次試焊后，使試焊件的焊接質量滿足要求，再進行試件的焊接。

根據試驗大綱要求，管子管板采用單層自熔焊工藝。經多次試焊及對試樣解剖分析，確定了焊接參數，焊接時的旋轉角度為380°，分為三段，第一段0°～130°，第二段130°～375°，第三段375°～380°。主要焊接參數，如表5所示。焊后的試件，如圖3所示。

圖3焊后的試件

表5焊接參數

3.3 無損檢驗

3.3.1 目視和尺寸檢查

管口焊接完成后，測量了兩組管口的最小內徑，測量所得數據，如表6所示。

表6管子管板焊接尺寸記錄

3.3.2 無損檢測

兩組焊接接頭按ASME規范卷V第6章的規定進行了液體滲透檢測，無缺陷顯示，符合試驗大綱；然后按ASME規范卷V第2章的規定進行射線檢測，未發現線性及體積性超標缺陷。

3.3.3 氦檢漏

將管子后端用氬弧焊封堵，并將圓型試件裝入預先準備好的氦檢漏筒體上，連接氦檢測設備進行檢漏。檢測結果表明，每個焊口泄漏率均小于1.33 ×10-8Pa·m3/s，滿足試驗大綱的要求。

3.3.4 破壞性試驗

將試樣接頭分割后，每組取10個接頭進行金相檢驗，2個接頭進行晶間腐蝕試驗。金相檢驗進行最小泄漏通徑測量、宏觀金相和微觀金相（放大倍數200X），兩組各10個焊口的最小泄漏通徑檢驗結果，如表7所示。在宏觀金相檢測中，末發現試樣存在裂紋、未熔合等缺陷。微觀金相檢測時，試樣也無裂紋及其他異常組織等缺陷。晶間腐蝕的焊態和敏化態（675±5℃，1h）試驗中，兩組中各取2個接頭試樣，其焊口的晶間腐蝕試驗結果，如表8所示。

表7最小泄露通徑

表8晶間腐蝕

4 結 語

4.1 SA508Gr.3CL2低合金管板材料，采用690鎳基合金焊帶（規格為60mm×0.5mm）進行埋弧焊堆焊。經堆焊試驗后，確定了焊接工藝參數。管板試件堆焊結束經熱處理后，進行了無損檢測和破壞性試驗，各項檢驗結果均滿足試驗大綱的要求。

4.2 690鎳基合金管與管板平口結構的焊接，采用不填絲自動氬弧焊。經焊接試驗后，確定了焊接工藝參數。分別對兩組（間隙大、間隙小）試件進行了焊接，經過無損檢測和破壞性試驗，各項檢測結果均滿足試驗大綱的要求，且最小泄漏通徑還有一定的富裕量。

4.3 通過試驗確定的焊接工藝參數，可為后續產品的設計和生產制造提供技術支持。

［1］ASME鍋爐及壓力容器委員會焊接分委員會.ASME鍋爐及壓力容器規范.第9卷，焊接、釬焊和粘接評定［M］.北京：中國石化出版社，2014.

［2］王國璋.最新壓力容器焊接實用手冊［M］.北京：中國石化出版社，2013.

［3］徐紅，王天先.呂龍.鎳基合金管子與管板的焊接工藝試驗［J］.壓力容器，2007，24（7）.62-63.

簡訊

哈薩克斯坦已成美國核燃料最大供應國

據美國能源信息署數據顯示，目前，哈薩克斯坦是美國核電站最大的鈾供應國，2014年的供應量已超過澳大利亞。美國從哈薩克斯坦進口1200萬磅鈾，占采購總量的23%，澳大利亞和加拿大分別占20%和18%。世界核電數據顯示，美國核電發電量居世界首位，占全球總量的30%左右。2014年，美國100座核反應堆發電量占全國發電量的19%。目前，美國運營的核反應堆有99座，另有5座在建。

摘自上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠技術部《信息簡訊》第205期

TheProcessStudyofNi-BasedAlloyOverlayingWeldingand Tube-TubesheetWelding

DENGWei-min1，DONGSheng2，YANGTing2
（1.MilitaryRepresentativeOfficeoftheNavyinShanghaiPowerStationAuxiliaryEquipmentPlant，Shanghai200090，China；2.ShanghaiPowerStationAuxiliaryEquipmentPlant，Shanghai200090，China）

Tubesheetoverlayingweldingandtube-tubesheetweldingtestshavebeenconductedinordertodevelopa typeofheatexchangers.Tubesadoptedfortheheatexchangerare690Ni-basedalloytubesandthematerialofthe tubesheetisSA508Gr.3CL2with690Ni-basedalloyoverlayingwelding.Theweldingparametershavebeen determinedthroughthetestbeforeweldingforformaloverlayingoftestpiece.Weldingprocessusedfortubesheetis stripelectrodesubmergedarcwelding，andautomaticTIGfortube-tubesheet.Theweldingparametershavebeen determinedthroughthetest.Nondestructivetesting，heliumleaktesting（tube-tubesheet）andotherphysical andchemicaltestshavebeencarriedoutonthetestpiece，andthetestresultsmeetthetestrequirements.

heatexchangers；tube-tubesheet；Ni-basedalloy；stripoverlayingwelding；automaticwelding；nondestructivetesting；heliumleaktest；physicalandchemicaltest

TK264.9

A

1672-0210(2015)04-0022-05

2015-05-20

鄧為民（1970-），男，高級工程師，畢業于華中科技大學機械材料專業，從事核設備工程技術及質量管理方面的工作。