核電站A335-P91 管道焊接及熱處理質量控制研究

中國核工業第五建設有限公司 上海 201512

高溫氣冷堆一回路介質為氦氣，氦氣通過反應堆之后，溫度達到700℃以上，其中高溫氣冷堆（HTR-PM）設計出口溫度為750℃。氦氣通過蒸汽發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遠高于常規壓水堆。為保證二回路系統高溫工況下的穩定性，系統管道材質選用P91 耐熱鋼（10Cr9MoVNb）。

P91 耐熱鋼是在9Cr-1Mo 的基礎上，控制N 和Al 含量，降低C 含量，加入少量的Nb、V，通過Nb、V 和碳氮化合物的析出強化作用，提高了材料的高溫持久蠕變斷裂強度。相對于高溫高壓機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，同時其焊后熱處理加熱溫度臨近AC1 相變點，熱處理操作稍有不當將出現過回火問題，使焊接接頭性能降低。因P91 耐熱鋼首次在核電站設計使用，為保證其運行安全，對A335-P91 管道焊接及熱處理質量控制研究意義重大。

1 原材料質量復檢

為保證焊接質量，首先應確認母材質量符合標準規定。對于P91 材料，進場后應進行專項的復檢，除對外觀質量、外形尺寸及內部缺陷的檢驗外，最重要的是對其化學成分及金相組織進行復檢。

1.1 光譜檢驗

對于P91 鋼管、管件、支撐件及閥門部件應逐件進行光譜復查，以核對材料合金元素是否符合要求，合格后做好標識標記。

1.2 硬度檢驗

材料的硬度是其化學成分與金相組織的綜合反映，是檢測P91材料回火質量的重要指標，所以P91 鋼管、管件、支撐件及閥門部件等應進行100%硬度檢驗，每根鋼管或每件部件應選擇3 個具有代表性的截面處，且每個截面應盡可能在圓周四等分的位置上分別進行硬度檢驗，使用便攜式里氏硬度計在每個位置上至少測量5 點，對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校核測量結果。

1.3 金相組織檢驗

金相組織檢驗可直觀地觀測到材料的內部金相組織，是對硬度檢測結果的最終復核，P91 材料金相組織應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-鐵素體含量應符合規定。

2 焊接過程質量控制

2.1 預熱

P91 鋼屬于B 類Ⅲ級鋼，其焊接性能較差，若不進行焊前預熱將大概率出現冷裂紋，同時預熱還有利于擴散氫的析出。P91 材料預熱溫度為200℃-250℃，為保證溫度的均勻性，當預熱溫度到達規定值后應至少再保溫30 分鐘。焊接中斷后，應在重新焊接前重新預熱。

2.2 焊接操作要求

當焊接線能量過大時，將引起焊縫組織晶粒粗大，晶界出現明顯網狀，導致焊縫出現高硬度、低韌性的不合格情況。為得到高性能的焊接接頭，應將焊接電流嚴格控制在規定范圍內，使焊接線能量控制在25KJ/cm 以下。

當大口徑管道采用雙人對稱手工電弧焊時，要注意將收頭位置錯開10-15mm，以避免局部溫度過高。施焊過程中應實時測量監控層間溫度，道間溫度不應低于預熱溫度，且不大于250℃。每層每道焊縫焊接完成后，要對焊渣、雜物等進行清理。

3 熱處理質量控制

3.1 后熱

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

3.2 焊后熱處理控制

P91 焊接接頭的熱處理應嚴格控制升、降溫速率v。在300℃以下時對升、降溫速率v 不需要控制；300℃以上時升、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 相變點約為810℃，根據Fe-C-Cr 相圖，當熱處理溫度高至Ac1 相變點以上后，將發生Ostwald 熟化，使得焊接接頭強塑性大大降低。所以熱處理過程中需要嚴格控制加熱溫度。首先，應根據焊接接頭的外形尺寸來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，同時還應保證焊接接頭加熱均勻，使其均溫區（SB）的溫度保持在規定范圍內；其次，應采用儲能焊機焊接固定熱電偶以保證測量的準確性，兩根熱電偶絲焊點間距應不超過6mm；最后，加熱器布置時應避免交叉或重疊，對于體積較大的焊接接頭應布置較多的加熱裝置，通過分區控溫和功率控制，控制最高溫度位于焊縫上。

3.3 焊接接頭質量檢測

對于P91 焊接接頭完成后，除應進行光譜及無損檢測外，還應進行硬度檢測和金相組織檢驗，檢測應在熱處理完成后及時進行，以便及早驗證熱處理操作的正確性，避免出現焊接接頭批量不合格的情況。

對于管徑超過DN150 或壁厚超過20mm 的管道，焊接接頭的硬度檢驗比例應為100%，盡可能在圓周四等分的位置上分別進行硬度檢驗，硬度檢驗的部位除焊縫外，還應包括近縫區的母材，同一位置至少測量5 點。

對于管徑超過DN150 或壁厚超過20mm 的管道，焊接接頭的金相組織檢驗比例應為20%。金相組織結構應為馬氏體，且δ-鐵素體含量應符合規定要求。

4 結語

綜上所述，通過對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程中的操作要點及質量控制要求。由于核安全的重要性，在P91 管道焊接過程中，應注重理論知識與實踐經驗的結合，不斷完善施工操作要求，從而保證核電站建設階段P91 管道的焊接質量。