VVER-1000主管道焊接工藝性分析

徐井偉 馬尚國 王麗思

摘要：VVER-1000主管道（核電站主冷卻劑回路管道連接反應堆壓力容器、蒸發器、主泵，構成一回路壓力邊界）材料是大壁厚雙金屬復合管道，其焊接工藝十分復雜，焊接收縮也很難控制。本文從焊接材料的選擇，焊接工藝參數的制定等方面出發，科學的分析、制定有效合理的焊接工藝，以保證其焊接質量。

關鍵詞：主管道;焊接性;冷裂紋;焊后熱處理

0? ? 前言

田灣二期工程建設2臺單機容量106萬kW的俄羅斯VVER-1000型壓水堆核電機組，其設計壽命為40年，設計思路與歐洲壓水堆核電機型EPR相近，采用的工程措施也十分相似[1]。主管道在核電機組運行期間，承載高溫、高壓、高放射性的冷卻劑。焊縫質量不能出現任何問題，否則，后果不堪設想。因此對主管道焊接的母材、焊材、焊接工藝參數、焊接變形量的控制方面進行分析，對后續的施工過程是有借鑒意義的。

1 母材及焊接填充材料

1.1 母材

主管道母材選用10ГН2-МФА和03Х22Н11Г2Б，03Х22Н11Г2Б具有耐化學腐蝕和電化學腐蝕性能，10ГН2-МФА具有耐熱、耐高溫、耐低溫性能。其化學成分如表1所示，因10ГН2МФА的焊接過程是難點，所以文中重點分析該材料的焊接性能。

1.2 焊接填充材料

根據母材的運行情況及焊接方法，在選用焊材時應考慮：（1）焊材與母材等強度原則，要保證焊縫金屬機械性能指標與母材機械性能指標匹配;（2）防止冷裂紋。焊材的化學成分如表2所示。

2 母材的焊接性分析

在焊接條件下，熱源離開后被熔化的金屬快速連續冷卻，并發生結晶和相變過程，最后形成焊縫。在這一過程中有可能在焊縫金屬中產生偏析、夾雜、氣孔、淬硬、脆化、裂紋等缺陷，控制裂紋的產生是VVER-1000主管道焊接質量的關鍵因素。

2.1 焊接裂紋

焊接裂紋按照產生的機理可以分為5類：熱裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂、冷裂紋和應力腐蝕裂紋[2]。

2.1.1 焊接熱裂紋

在低碳鋼中，焊接熱裂紋的規律為：在一定含碳量的條件下，隨著含硫量的增高，裂紋傾向增大;隨著錳含量增多，裂紋傾向下降;隨著含碳量的增加，硫的作用加劇。根據經驗公式，即 根據式（1）計算B=55。從化學成分上分析10ГН2МФА的含碳量為0.1%，根據理論當w（C）≥0.1%時，B≥22具有較好的抗熱性能，故10ГН2МФА焊接過程中出現熱裂紋的可能性較小。

2.1.2 焊接再熱裂紋

根據晶內強化的觀點，按照合金元素的質量分數定量評估材料的再熱裂紋傾向的經驗公式為 根據式（2）得出ΔG=0.94，當ΔG≥2時，對再熱裂紋比較敏感;1.5<ΔG≤2時敏感性為中等;ΔG<1.5時對再熱裂紋不敏感。

2.1.3 層狀撕裂

根據主管道的力學結構，在z向沒有力的作用，所以不用考慮層狀撕裂。

2.1.4 焊接冷裂紋

鋼中的碳元素是引起淬硬組織的關鍵合金元素，碳當量是評價鋼材的冷裂紋傾向的重要指標之一，根據國際焊接學會推薦的碳當量公式，即 由式（3）計算Ceq=0.5%，當Ceq=0.4%～0.6%時，鋼材焊接性不好，所以10ГН2МФА焊接時需要預熱才能防止冷裂紋產生。10ГН2МФА碳當量較高，并含有少量的合金元素，因而淬硬傾向高于一般的低碳鋼，且管道最小壁厚為70 mm，冷裂傾向增大，因而防止冷裂紋是主管道焊接過程中控制的重點。

2.1.5 應力腐蝕裂紋

形成應力腐蝕裂紋的基本條件是：（1）材料必須是合金，也包含微量元素的合金，純金屬一般不發生應力腐蝕開裂;（2）材質與介質不相匹配;（3）存在殘余應力。主管道是10ГН2МФА和03Х22Н11-Г2Б復合型鋼，焊接完成后可能存在焊接殘余應力。所以必須采取措施消除焊后殘余應力。

2.2 防止裂紋的措施

2.2.1 預熱

預熱對防止冷裂紋有效，但并非溫度越高越好，預熱溫度過高，反而促使冷裂紋的產生。根據預熱溫度的經驗公式，即式中 T0為預熱溫度（單位：℃）;Pc 為鋼材冷裂紋敏感性指數;Pcm為合金成分冷裂紋敏感性系數;[H]為擴散氫含量（單位：mL/100g），經查表可知為4.2 mL/100g，δ為管道等效厚度70 mm。根據式（4）～式（6）得出Pc =0.394 8，T0=200 ℃，Pcm=0.224 8，從而確定預熱溫度為200 ℃。

2.2.2 后熱

冷裂紋一般在焊后一段時間才產生，所以在裂紋產生之前能及時進行加熱處理，即后熱，也能達到防止產生冷裂紋的目的。后熱的溫度可以參考經驗公式[2]，即式中 Tpc為后熱的下限溫度（單位：℃）;CEP為確定后熱下限溫度的碳當量。根據式（7）、式（8）計算得出CEP=0.36，Tpc=50 ℃，由于后熱溫度一定要高于產生冷裂紋臨界的上限溫度T0，以便將擴散氫充分地擴散逸出，所以后熱溫度選擇為200 ℃。

2.2.3 控制t8/5

由于在實際條件下測定冷卻溫度較為麻煩，采用冷卻時間t8/5與臨界冷卻時間Cf對比來預測熱影響區的組織性能和裂紋傾向。根據德國鋼鐵協會t8/5的計算公式，即

式中 T0為焊接件的初始溫度（單位：℃）;η為相對熱效率;F3為三維傳熱時的形狀系數;E為熱輸入量（單位：J/mm）;η0為熱效率;U為電弧電壓（單位：V）;I為電流（單位：A）;v為焊接速度（單位：mm/s）。

根據實測數據U=24 V，I=100 A，v=1.744 mm/s，查表可知η0=0.8，根據式（11）得出E=1 100 J/mm，預熱溫度T0=200 ℃，根據式（10）得出δcr=0.685 mm，查表得出F3=0.8，所以根據式（9）計算得出t8/5=17.68 s;根據式（13）得出CEf=0.28，根據式（12）得出Cf=6.31 s。根據Cf的臨界冷卻時間，可以利用式（9）反推得出最小焊接熱輸入量為1 050 J/mm。

比較（Cf=6.31 s）<（t8/5=17.68 s）可知，采取控制焊接線能量、預熱溫度以及層間溫度不小于預熱溫度等措施，能夠有效避免產生冷裂紋，另外，盡可能減小拘束度，焊后及時進行消除應力熱處理。由此可知，控制冷卻時間的關鍵性因素是預熱溫度、線能量、層間溫度。

3 焊接方法的選擇和工藝評定規劃

3.1 工藝評定的規劃

VVER-1000有4個環路，單個環路主管道焊口分布如圖1所示。根據焊接接頭基層材料和坡口形式的不同，按俄羅斯標準將工藝評定的焊口分為兩種接頭形式：

（1）Ⅰ型壓力容器接管與主管道之間的工藝評定接頭（詳見圖2）。

（2）Ⅱ型主管道、主泵接管、蒸發器集流管與主管道之間的工藝評定接頭（詳見圖3）。

焊接工藝評定項目如表3所示。

3.2 焊接工藝參數

目前國內核電站主管道的焊接主要采用：鎢極氬弧焊+焊條電弧焊（TIG+SMAW）和窄間隙自動焊（TOCE）兩種焊接工藝[3]。VVER-1000主管道焊接方法采用鎢極氬弧焊+焊條電弧焊（TIG+SMAW）+熱處理，與國內的主管道焊接有所不同，具體焊接工藝參數詳見表4。

4 焊接收縮量變形控制

由于焊接過程中焊接熱輸入量不同，引起管道各個點的焊接收縮量不同，從而導致縱軸線角位移偏移，軸折線產生偏差，最終引起兩個對接管件不在一個軸線上。根據縱軸線角位移公式，即

式中 ΔN1、ΔN2為直徑相對各點收縮量（單位：mm） ;D為管道外徑（單位：mm）;L為焊接接頭到管件自由端的長度（單位：mm）。

根據實測數據（見圖4）分析得出結論：當直徑在相對各點的橫向收縮量之差不超過0.3 mm時，焊接順序無需調整，否則應調整。在氬弧層焊完成、焊接至1/3截面、焊接至2/3截面，是調整焊接變形量的最佳時機。

5 焊后消應力熱處理

由于焊接引起焊接件溫度場分布不均勻、焊縫金屬的熱脹冷縮等原因，焊接過程必然會產生殘余應力，所以焊后要及時進行消應力熱處理，熱處理工藝如圖5所示。

5.1 消應力時間

5.2 焊后消應力熱處理溫度

對于碳素鋼、低合金鋼的焊接件，焊后消除應力熱處理的溫度為600～650 ℃，且不應高于材料最終回火溫度。

5.3 消應力熱處理加熱寬度

6 結論

（1）VVER-1000主管道采用03Х22Н11Г2Б和10ГН2-МФА雙金屬復合管道，焊材的機械性能指標必須與母材機械性能指標相匹配，焊接過程中防止冷裂紋產生是主管道焊接過程中的控制重點。

（2）焊接過程中預熱溫度、層間溫度、后熱溫度需要控制在200 ℃左右。

（3）焊接熱輸入量至少要控制在1 050 J/mm以上。

（4）氬弧層焊完成、焊接至1/3截面、焊接至2/3截面，是調整焊接變形的最佳時機。

（5）焊后消應力熱處理保溫時間至少在6 h以上。

（6）焊后消應力熱處理溫度為620～650 ℃，且不應高于材料的最終回火溫度。

（7）焊后消應力熱處理加熱寬度至少控制在912 mm以上。

參考文獻：

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