目前我国所建核电站部分管道为大径厚壁不锈钢类管道,由于此类管道与冷却剂直接接触或直接处于反应堆辐射范围内,因此管道介质本身具备较强辐射性及腐蚀性。因为核电站实际运行当中不允许出现任何泄露问题,为此就对大径厚壁不锈钢管道的严缝焊接质量提出了更高的要求。从管道本身焊接性能来分析,大径厚壁不锈钢管道具备良好的焊接性能,同时其抗氧化性较好,还具备显著的抗腐蚀及热强性特点[1]。大径厚壁不锈钢管道本身具备较为明显的线膨胀系数,并不具备良好的导热能力,特别是针对此类管道实施焊接操作时,一旦操作工艺不当不但会产生明显的焊接变形问题,甚至还可能致使管道晶间壁产生明显的腐蚀裂纹及开裂应力,进而影响管道焊接接头的使用寿命。

1 核电站大径厚壁不锈钢管道焊接性能分析

1.1 大径厚壁不锈钢管道化学成分及力学性能

通过查看大径厚壁不锈钢管道供货商所提供的供货材质手册可知管道不锈钢材质标号为00Crl9Nil0,所具备的化学成分及力学性能整理如表1。

1.2 大径厚壁不锈钢管道焊接性能

大径厚壁不锈钢管道所具备的焊接性能良好,本身的热导率明显偏低,其线膨胀系数相对较大。在实际操作当中,一旦相应的焊接工艺选取不当,在局部加热及持续冷却环境下,将由此形成较为显著的残余应力,进而在此基础上出现明显的焊接热裂纹、晶间腐蚀、连接处脆化及夹渣等诸多缺陷问题。具体阐述如下:焊缝位置及受热影响位置产生较为明显的裂纹敏感性;焊接头本身出现碳化铬析出情况,在具体焊接当中很容易引发热裂纹;焊接操作中,存在氯离子介质时,受到应力作用将由此产生腐蚀开裂问题[2]。由此可见,只有充分掌握多种问题缺陷发生的内在机理,这样才可制定实施针对性的防控举措。

1.3 大径厚壁不锈钢管道焊接问题的内在机理

受热裂纹问题的内在机理。由于大径厚壁不锈钢管道的导热率相对较低,其线膨胀系数又明显较大,因此一旦焊接工艺处理不当,将很容易由此产生较为明显的拉应力,进而形成凝结焊缝。可见致使焊接受热裂纹产生的前提条件主要是拉应力的存在及作用影响,其中产生的柱状结晶通常是由于较强的方向性导致明显有害杂质的偏析产生,进而出现晶间薄膜,最形成明显的拉裂薄弱环节[3]。凝固裂缝通常存在于单相组织,在双相组织当中通常不会产生相应的凝固裂缝,因此可有效控制5%～10%的δ相组织,这也有效防控受热裂纹产生的有效方式。

晶间腐蚀问题的内在机理。大径厚壁不锈钢管道晶间腐蚀问题的产生主要是受到相应腐蚀介质的作用影响,所腐蚀范围从最初金属表面晶界延伸至金属晶粒间分界面,并由此往界面内部持续拓展的渗透式腐蚀。大径厚壁不锈钢管道在实际焊接当中,温度值在450～800℃范围为危险区间,但温度处于这一区间时介质中奥氏体内将产生过饱和碳,由此向着晶界方向持续扩散,同时将在晶粒的边界处析出,并最终在晶间逐步形成碳铬化合物(Cr23C6)。主要是由于在此温度区间内铬通过奥氏体内的扩散速度将由此逐步变慢,最终其无法及时面向晶界处扩散,而持续消耗的铬则主要源于晶界,从而导致晶界内铬总含量低于12%的范畴,并由此形成一种相对贫铬区。在此区域内阳极与晶粒间达成了大阴极与小阳极的微电偶电池,并最终形成贫铬区内的局部腐蚀情况,也就是晶间腐蚀问题。相反,如果温度值实际小于450℃则铬扩散速度也会比较慢,由此并不会存在相应的晶间腐蚀情况。而如果温度明显高于850℃则铬扩散速度将持续变快,也不会出现晶间腐蚀问题。

应力腐蚀开裂问题的内在机理。此类问题主要是由于大径厚壁不锈钢管道本身在承受相关应力条件下,受腐蚀性环境影响导致裂纹持续扩展。应力腐蚀开裂问题的导致因素主要包含温度截止、非金属夹杂物形态大小、分布及加工应力的影响等,这些都是直接致使奥氏体不锈钢应力腐蚀问题产生的主要因素。通常应力腐蚀开裂的外在特征表现为:裂纹发生于焊缝表层且大部分裂纹的存在方向始终与焊接方向相互垂直,并且通常裂纹本身细长、曲折,且将由此贯穿多数黑色点蚀部位呈现[4]。并且大都是由表面向着内部深层次扩展,因此点蚀也属于引发裂纹产生的主要原因之一。再就是裂纹通常整体呈现出树枝状,情况严重时还将直接贯穿融合线而直接进入热影响区间。

2 大径厚壁不锈钢管道焊接技术分析

2.1 焊接方式

以往核电站大径厚壁不锈钢管道焊接主要采用手工钨极氩弧焊+手工电弧焊工艺,存在焊接效率低,焊接质量不稳定等问题;后续国内将批复的核电机组主要是三代核电商用机型,要求设计寿命由40年(二代改进型机组设计寿命)提升到60年,相应的主设备、主要管道在尺寸和性能方面提出了更高的要求,也使得主设备、主要管道的生产制造难度进一步加大,导致核电安装中上游设备到货工期滞后风险加大,再加上优秀焊工人力短缺造成的工期压力等问题,因此不论是从压缩工期还是提高接头整体性能,核电站大径厚壁不锈钢管道采用自动焊方式焊接已成趋势和监管要求并达成广泛共识,且现场窄间隙自动焊工艺已在我国CPR1000、EPR、AP1000等机组的核电建设领域得到了应用和验证。

2.2 焊接选用材料

具体结合大径厚壁不锈钢管道材质的化学成分及力学性能,充分依照焊接工艺来进行内容评定。在焊接施工现场主要选择低碳、低氢型焊接材料,像ER308L的焊丝性能匹配度较高。在实际使用当中,要求应当通过严格的复验操作至合格的焊接材料才可真正用于焊接施工,这样才能焊接操作后熔敷金属的化学成分及力学性能充分符合焊接标准要求,其中铁素体体积测定的分数需控制在4～12%的范畴。

2.3 焊接前准备工作

在实际的焊接操作前需做好四方面的操作步骤:选用的保护气体主要采用氩气为主,其纯度需控制在99.99%以上;焊接坡口实施加工与焊接组对(错边、间隙等)要求必须充分符合相应的质量标准,比如内侧、外侧及周边壁坡25mm处需进行打磨,促使其呈现出金属光泽即可。同时为了能够充分控制焊接变形、应力等,可采取U形坡口来实施焊接处理;在相应焊接位置需放置温湿度计,并且需针对焊接位置的湿度进行实时监测,标准控制在≤85%范畴,并切实保障焊接过程中不会受到来自外界强湿气的干扰;处于焊接场所要求切实做好相应风雨防护举措,以此充分保障焊接工作的全程顺利、稳步进行。

2.4 焊前管道组对施工

以核电现场采用的坡口设计尺寸为依据,初步设计坡口尺寸如图1所示的窄间隙U型坡口,与传统核岛管道接头窄间隙坡口不同的是,坡口底部采用圆滑过渡,增加了打底时熔池与坡口两侧的熔合效果。该坡口为试验采用的原型坡口,根据工艺试验过程中采集的坡口尺寸的变化对坡口尺寸进行优化。坡口优化所要采集的数据包括:坡口钝边所对应的打底焊接参数,及其熔透效果;组对间隙及错变量的存在对焊接打底过程的影响;坡口不同深度下钨极摇摆角度的记录;外坡口随着焊接填充过程的收缩情况。

2.5 管道焊接工艺参数及操作要点

通过对大径厚壁不锈钢管道焊接性能及裂纹问题机理分析,由此明确了焊接前准备、焊接方式及焊接材料选择等内容,由此来进一步明确更为适用的焊接工艺参数,及焊接操作要点,具体如下:

点固焊接施工工艺。涵盖三方面内容:实施试件对口前,需将坡口及内外边缘的25mm范围内油漆垢锈等进行全方位清理,并由此在坡口处实施PT检验,针对最终检验合格的试件再对其采用丙酮实施全面清洗;焊接施工采用的焊丝在实际使用前需保存完好;点固焊采用手工钨极氩弧进行,实行单面点固,点固焊要有一定的强度。

自动焊接打底施工工艺。在实施焊接前,可选用密封材料置于管道两侧位置组合成封闭气室,其中选用的材料必须选取相应可溶性及方便取出的材料,并且还可在坡口根部位置添加一层有效的抗氧化剂,这样能够更好的实施根部焊接。最后需要在实际焊接处理前实施充氩保护,持续充入时间不得少于3～5分钟,主要目的是为了能够充分排除密室当中存在的空气;采用核级ER308L的焊丝实施焊接,实际焊接过程中,需确保氩气室内氩气充足,可随时用氧气测试仪检查氩气保护效果。采用焊接工艺参数输入器,因为该设备可储存多组焊接工艺参数,能够充分适用于多台焊机及多种不同规格钢管,在选择上具有一定灵活性;大厚径管道自动焊机的焊接工艺参数设定必须严格按照工艺规程参数执行,焊工只能在工艺规程范围内适当调节,进而保证焊接质量水平。

管道焊接盖面填充。管道焊接施工打底层及填充两层需持续充氩保护,确保根部焊缝质量;整个填充施工过程要求采取短弧处理,整个过程迅速、多层多道焊接处理,整个过程需严格控制好层间温度,采用正、反转对称焊接,减少出现焊接变形问题,并要求尽可能的提升焊缝抗热裂纹能力;在焊接深度大于50mm时只需要开启一次气,一次气的气体流量正常为15～20L/min。焊接深度小于50mm后需要开启二次气保护;焊接过程避免敏化区过长时间停留,焊接当中需采取大量快速冷却举措;每一道焊缝厚度不得超出过1.5mm,达到一定宽度需要采用分道焊接;焊接施工过程中严格控制层间温度不超过100℃,避免污染母材。焊接施工结束后,需清理焊缝表面相关污染物质,并实施100%焊缝外观检查。

3 结语

大径厚壁不锈钢管道整个焊接过程需选择适合的焊接工艺参数,严格控制好能量输入及层间温度。整个焊接过程可采用点固焊接与自动焊接施工工艺,由此来尽可能维持焊缝形态一致。借助相应焊接工艺参数优化控制,能够有效预防大径厚壁不锈钢管道的晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、受热裂纹等问题产生,极大的提升了焊接性能。将该工艺应用于1:1实际尺寸和材料的核电主管道焊接工艺评定中,四个焊口无损检测及破坏性试验结果满足三代核电主管道接头性能要求,表明该成套工艺是适用的。