20控鉻鋼焊接工藝試驗與應用

邵小劍

（寧德核電項目部，福建寧德355100）

20控鉻鋼焊接工藝試驗與應用

邵小劍

（寧德核電項目部，福建寧德355100）

20控鉻鋼是CPR1000型核電機組設計開發的新鋼種，能夠提高管道抗流體加速腐蝕性能。詳細分析鋼材的焊接性能，通過焊接工藝試驗和多臺核電機組給水系統20控鉻鋼管道的焊接實踐，總結20控鉻鋼焊材選擇的合理性及焊接要點，可供同行借鑒。

20控鉻鋼；CPR1000型核電機組；焊接；FAC性能

0　前言

20控鉻鋼是CPR1000壓水堆核電站國產化過程中開發的新鋼種，在碳素鋼中加入一定含量的鉻元素提高管道的抗流體加速腐蝕性能（即抗FAC性能），是CPR1000型核電站常規島主要使用鋼材之一，應用量大，每臺機組用量約160 t。

20控鉻鋼焊接接頭性能影響到核電站管道系統的安全性能和壽命，是CPR核電站焊接施工的重要技術課題。本研究通過嶺澳二期和寧德一期等多臺CPR型核電機組的焊接實踐，逐步探索和研發國產專用焊接材料，制定了合適的焊接工藝，對20控鉻鋼的焊接施工人員、核電站檢修人員和焊材研究人員具有參考意義，對核電站類似的P280GH等含鉻鋼種的焊接也有借鑒意義。

1　鋼材簡介

核電站管道處于紊流狀態時，因流體的高速流動、溫度、化學環境的相互影響，使管壁變薄、鋼基變差，嚴重時造成爆管，產生FAC（流體加速腐蝕）現象。根據國外“相對減薄率－鋼中Cr％關系”研究的相關試驗結果，隨著鋼中Cr含量的增加，相對減薄率降低，當Cr含量接近0.2％時，相對減薄率下降到0.1％。基于以上研究，CP1000核電站設計中與給水相關的系統都采用控制Cr含量的優質碳鋼。

20控鉻鋼（或稱為20＋Cr鋼）是在此研究基礎上設計生產的新鋼種，在碳鋼中加入0.2％～0.3％鉻元素以提高鋼材的抗FAC性能，化學成分和力學性能如表1所示。

2　焊接材料要求

20控鉻鋼管道最重要的用途是提高管道的抗FAC性能，選擇焊接材料（焊絲、焊條）時除了化學成分和機械性能與母材相當外，必須具有一定含量的Cr元素，這是確保焊接接頭質量的關鍵，也是20控鉻鋼焊接的重要特點。

為了使焊縫金屬具有抗FAC性，焊接含有0.20％～ 0.30％Cr設備時，所用填充金屬必須含有0.10％～0.30％Cr。

表1　20控鉻鋼的化學成分和力學性能

3焊接性能分析及工藝試驗

為了制定合理的焊接工藝，焊前對20控鉻鋼進行了可焊性分析和工藝性能試驗。

3.1可焊性分析

（1）工藝性能。20控鉻鋼在國標（GB3087）20鋼的基礎上增加了一定的鉻含量，按照電力行業標準DL/T868可劃分為低碳鋼，其焊接工藝性能良好，裂紋傾向小，中薄壁管道常溫下焊接時不需要進行預熱和焊后熱處理。

（2）碳當量法估算焊接性。根據碳當量公式Ce= C+Mn/6+1/5(Cr+Mo+V)+1/15（Ni+Cu）粗略估算，當各元素同時為上限和下限時，20控鉻鋼的碳當量為0.302％～0.442％，實際產品通常低于0.4％（如攀鋼供貨的φ89×4和φ219×8.5管道，碳當量分別為0.335％和0.317％）。通常，當碳當量低于0.5％時焊接性良好，不需預熱，在常溫下焊接時淬硬傾向不明顯，裂紋傾向性較小。

3.2焊接工藝性能試驗

20控鉻鋼焊前采用φ114×7和φ406×13管道進行工藝試驗，焊接材料選擇伯合樂焊材ER70SG/E7018-G，焊接方法為GTAW+SMAW，評定標準為DL/T868。機械性能主要進行拉伸試驗和彎曲試驗（試驗標準分別為GB/T2651和GB/T2653），試驗溫度為常溫，試驗過程進行見證，試驗結果合格。

（1）焊接材料。伯合樂焊材ER70S-G/E7018-G化學成分和力學性能見表2。焊條使用前在350℃烘焙2 h，焊絲表面無鐵銹、油污等雜質。

表2　伯合樂焊材化學成分和力學性能

（2）焊接工藝參數記錄和機械性能試驗。焊接時選派優秀的焊工、按照擬定的工藝操作，機械性能試驗進行拉伸和彎曲兩個項目（工藝參數記錄和試驗數據見表3、表4）。焊接時嚴格按擬定工藝操作，焊件外觀檢查和射線檢驗合格，彎曲和拉伸試樣的焊縫和熱影響區沒有出現裂紋。

（3）焊接接頭光譜分析。焊接接頭采用直讀式光譜進行光譜分析，焊縫金屬的Cr含量與母材鉻含量相當，且在要求的0.10％～0.30％內（見表5）。

3.3工藝性能評價

綜合分析淬硬性和工藝評定試驗結果可知：（1）20控鉻鋼的焊接性能良好，中薄壁管道常溫下焊接時不需要進行預熱和焊后熱處理；（2）適用于全位置焊，對焊接電源無特殊要求；（3）適用于手工氬弧焊、焊條電弧焊和埋弧焊等多種焊接方法，方便安裝和預制施工。

4　焊接工藝及應用

20控鉻鋼首先在嶺澳二期核電機組中使用，通過多臺機組的經驗總結和實踐應用，選擇與母材綜合性能匹配的焊接材料，形成了完善的施工工藝和成熟的插套焊技術，并推動了20控鉻鋼國產焊材的研究和生產。

4.1焊接材料的選擇

焊接材料對焊接質量起決定性作用，是影響核電站安全運行的最重要因素之一。目前與20控鉻鋼成分性能接近的焊材主要有奧林康和伯合樂焊材公司生產的ER70S-G焊絲/E7018-G焊條、上海電力修造廠的PP-J50KG焊絲/PP-J507KG焊條等。選擇的焊材應跟母材綜合性能完全匹配、焊材工藝性能好。

嶺澳二期和寧德項目1、2號機組20控鉻鋼焊接時由于沒有國產專用焊條，先后采用了CHW-40CNH/CHE507CrNi和ER70S-G/E5015等措施，這些權宜之計存在焊材不完全匹配、工藝性能差、易產生夾珠缺陷等問題。通過多次實踐及熔敷金屬試驗，最終選擇伯合樂焊材ER70S-G/E7018-G，其焊接工藝性能良好、機械性能滿足質保書的要求。

表3　20控鉻鋼6G位置焊接工藝性能試驗（φ114×7）

表4　20控鉻鋼6G位置焊接工藝性能試驗（φ406×13）

表5　焊接接頭Cr含量％

4.2工藝措施

4.2.1組對及焊接

坡口加工后應打磨去除淬硬層、裂紋、毛刺、重皮等缺陷，修補后應進行磁粉檢驗或著色滲透檢驗。承壓設備的對接焊縫或者角焊縫至少焊接兩層。

4.2.2預熱和焊后熱處理

CPR1000核電站國產化20控鉻鋼管道規格通常為φ（60.3～711）mm×（6.5～20）mm，主要采用手工鎢極氬弧焊、焊條弧焊和埋弧焊等方法。由于鋼材碳當量低、管道壁厚薄（最大20 mm），裂紋傾向小，常溫下焊接時不需要進行預熱和焊后熱處理，其他規格20控鉻鋼管道的熱處理可參照20號鋼確定。

4.2.3焊接規范

20控鉻鋼焊接性能良好，焊接規范根據工藝評定確定，施工中嚴格按評定的參數施焊。

4.2.4光譜分析

20控鉻鋼種含有一定的Cr元素，其焊材、母材和焊接接頭應進行光譜分析復查。焊接接頭光譜分析包括母材、焊縫和熱影響區，由兩名焊工完成的焊接接頭應分別進行光譜分析。

4.2.5插套焊技術

CPR1000型核電站中的部分20控鉻鋼小管采用插套焊，焊接要求較高，焊接時不能熔化管道邊緣，焊完后管子跟插套管件不能頂死。組對時通常把管子插入管件再拔出約2～3 mm并劃線標記，組對過程中管子保持平行。對于母材厚度小于5mm的管子應進行附加工藝評定和焊工考試。插套接頭型式如圖1所示。

圖1　插套焊接頭型式

5　結論

20控鉻鋼是CPR1000型核電機組應用的新鋼種，其焊接質量直接關系到設備安全和運行，20控鉻鋼的焊接技術研究不僅推動了鋼材和焊材的發展，也是核電機組批量化建設的需要。通過多臺機組的焊接實踐和設備運行考驗，20控鉻鋼的焊接技術已逐步完善，其焊接要點如下：

（1）CPR1000型核電站給水系統20控鉻鋼管道焊接時，整個焊接接頭的焊縫金屬中必須含有0.10％～0.30％Cr，以確保焊接接頭中具有抗FAC性能。

（2）國產化20控鉻鋼屬于優質碳鋼，焊接性能和操作性能良好，常溫下焊接時無需預熱和焊后熱處理。

（3）20控鉻鋼插套焊小管根部不能頂死，保持1～4 mm間隙為宜。

（4）20控鉻鋼焊接技術已經過了多臺機組的運行和考驗，但20控鉻鋼的抗流體腐蝕性能尚處于試驗研究階段。

（5）通過20控鉻鋼核電工程的實踐，選擇與母材綜合性能完全匹配的焊材，對后續核電機組焊接施工具有借鑒意義。

[1]廣東電力設計研究院.常規島安裝焊接技術規范書[S].

[2]張文鉞.焊接冶金學（基本原理）[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]王宗杰.熔焊方法及設備[M].北京：機械工業出版社，2007.

Welding technology test and application for 20+Cr steel in CPR1000 nuclear power plant

SHAO Xiaojian
（Ningde Nuclear Power Project Department，Ningde 355100，China）

20+Cr is a newtype of stell designed and used in CPR1000 nuclear power plant，and it can improve the corrosion resistance of fluid for pipeline.Through the welding technology test and welding practice of multi nuclear power units water supply systems，the rationalityofchoice ofweldingmaterials and keypoints ofweldingfor 20+Cr steel are summarized，which is vailable for reference.

20+Cr；CPR 1000 nuclear power plant；welding；FAC property

TG457.19

B

1001－2303（2016）05－0093-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.20

2015-04-02；

2015-12-01

邵小劍（1977—），男，云南人，工程師，學士，主要從事核電焊接和無損檢驗工作。