核电常规岛安装工程P91钢主蒸汽管道焊接技术研究

核电常规岛安装工程P91钢主蒸汽管道焊接技术研究

董培科

中国核工业第五建设有限公司，上海金山 201512

一、研究背景

核电厂关于P91钢应用较少，自动化打底工艺不够成熟，焊后热处理温度范围窄，工艺要求高，工作难度大；快堆主蒸汽管道管承载高温高压蒸汽，不宜设置探伤孔，焊缝射线检测作业时间长，辐射安全防护要求高，如热处理工艺控制不当，易出现硬度降低、硬度分布不均等情况，造成接头组织性能下降，为管道施工带来不利影响。

二、研究内容

2.1.窄间隙坡口尺寸确定

参考核电站主管道窄间隙自动焊坡口，结合合金钢材料的焊接特点设计坡口尺寸， 并使用规格为φ273mm 或φ323mm 的管道材料进行焊接试验，确定合适的焊接坡口尺寸及范围，主要内容包括：钝边厚度，坡口角度，水平段长度。

2.2.单面焊双面成型工艺

使用φ273mm 或φ323mm 规格的管道进行打底焊接试验，并模拟不观察背面焊缝进行 打底的焊接施工条件，找出能够实现背面成型良好的焊接工艺参数，内容包括：不同钝边厚度、水平段长度、根部间隙、错边量的打底焊接工艺参数。

2.3.窄间隙 TIG 自动焊工艺参数的确定

（1）P91 材料进行窄间隙冷丝 TIG 焊接工艺试验

使用φ273mm 或φ323mm 规格的管道进行焊接试验，在焊接过程中摸索、确定相应的 焊接工艺参数。包括焊接电流、电压、热丝比例、送丝速度、焊接速度、层道布置、接 头预热及保护气体流量等；在保证焊接接头质量的前提下，提高焊接的填充量，增加焊接效率；

（2）进行无损和理化性能检测试验。

在φ273mm 或φ323mm 规格管道的焊接工艺基础上，选定核电主蒸汽管道相同规格的管道进行焊接试验，进行无损和理化性能检测试验，确定焊接工艺参数。在确定焊接工艺后，焊接若干组接头，确保正确使用开发的窄间隙自动焊工艺焊接接头合格率可达到 100%。

2.4.焊接缺陷的产生及防止

对合金钢窄间隙焊接易产生的打底熔穿、冷裂纹、未焊透、侧壁未熔合、背部凹陷、夹杂物缺陷原因分析及预防措施。

2.5.焊接接头变形规律研究

焊接前、焊接过程中及焊接后分别测量焊接接头的轴向、径向及可能产生的角度变 形数据，与管道规格、焊接参数等进行综合分析，总结其中可能存的变形规律，为现场安装提供数据参考。

2.6.P91 管道焊接接头整体焊后热处理工艺研究

通过对 P91 接头进行整体焊后热处理（采用炉内整体热处理形式，排除外界环境干 扰），对比分析不同工艺参数（保温温度、保温时间、升降温速率等）对焊接接头组织性能的影响，为接头的局部热处理提供工艺基础。

2.7.P91 管道焊接接头局部焊后热处理工艺研究

开展 P91 接头焊后热处理的模拟研究，通过有限元分析方法等方法进行焊后热处理 不同位置的温度分布研究，初步找寻局部热处理的温度场，为接头的实际热处理提供理论依据。

通过对 P91 接头采用电阻加热方式进行焊后热处理，结合整体热处理的工艺参数， 找寻局部热处理的工艺，包括保温温度/时间、升降温速率、控温测温点的设置、保温范围及包裹方式等，找寻符合标准规范要求的热处理工艺。

2.8.P91 不同构件形式接头的局部焊后热处理工艺研究

根据找寻出的 P91 接头的局部焊后热处理工艺，对 P91 管道与三通、法兰等管件接 头的焊后热处理工艺进行研究，找寻适合于异形件焊接接头的局部热处理加热器和保温包扎方式以及热电偶的布置方式。

2.9.P91 焊接接头局部热处理后的质量检测方法研究

对接头焊后热处理质量检测方法研究，选择科学合理的检测方法，保证焊接接头质 量可靠，同时合理的检测方法及检测时机，有利于质量问题提前暴露，以便根据实际情况及时修正工艺参数。

2.10.接头焊后热处理现场应用研究

针对前期 P91 局部热处理得出的工艺参数、控温测温点布置及保温范围等，开展现 场的实际应用研究，针对工程实际进行相关工艺的调整，最终得处现场应用的热处理工艺。

三、技术方案

3.1.管道窄间隙坡口的确定，实现单面焊双面成型，保证打底焊接质量；

解决方案：改变坡口钝边厚度，平行段长度、根部间隙等参数，进行焊接接头性能

试验，对比分析以确定这些参数范围。

3.2.窄间隙焊接工艺参数的确定；

解决方案：焊接不同管径和壁厚的焊接接头，进行性能试验，对比分析确定焊接工

艺参数的范围。

3.3.焊接缺陷的防止；

解决方案：通过调试合适的打底参数，坡口尺寸，焊接角度，焊丝的填充量，核实 的预热温度，避免出现的打底熔穿、冷裂纹、未焊透、侧壁未熔合、背部凹陷、夹杂物

等缺陷产生

3.4.不同热处理工艺对 P91 接头性能的影响

存在问题：目前规范给定了热处理的工艺范围，但不同的工艺参数往往带来不同的

结果，造成不同接头性能。

解决方案：制定不同的焊后热处理工艺（保温温度/时间、升降温速率等），通过 P91 接头的整体热处理，掌握不同工艺参数对接头性能的影响，找寻接头性能符合要求的热

处理工艺。

3.5.预热温度和焊接道间温度控制

存在问题：如果道间温度高于 Mf 点 380℃焊缝将产生大量的残余奥氏体组织，而 残余奥氏体组织不受回火（焊后局部热处理）温度的影响，高温回火热处理后这部分组

织仍然存在在焊缝中。

解决方案：严格控制 P91 钢最低的预热温度及控制道间最高温度，且在 Ms和 Mf  之间进行焊接；尽量保证每一层道的焊缝组织转变为马氏体。

3.6. P91 接头局部热处理的温度控制

存在问题：局部热处理的 P91 接头存在不同区域温度分布不均、升降温速率不均等现象，造成接头性能不均。

解决方案：通过模拟技术初步了解 P91 接头热处理的温度场分布，结合整体热处理的工艺，制定局部热处理的工艺，开展接头的实物热处理，同时过程中充分考虑局部热 处理存在的控温、测温、保温问题，设计不同的控温、测温及保温方式，根据实物接头热处理的性能进行分析，优化热处理工艺。

3.7.窄间隙坡口尺寸确定

坡口钝边厚度

本工艺试验开发使用窄间隙坡口，结合合金钢的焊接特点设定坡口尺寸，试验使用 U 型坡口，如图1，设定的尺寸分别有钝边厚度P 、坡口面角度β和水平段长度 S。

图 1  窄间隙坡口形式

试验焊接的整个参数范围内均可以实现良好的打底背面成型。当钝边厚度小于 1.9mm 时，打底可用的焊接电流更小，不利于控制，且热焊层时更容易重熔打底焊缝并熔化水平段母材，即限制了热焊时的焊接电流难以超过打底焊接 电流，热焊层电流过小容易造成熔池过小而使过过渡圆弧处的夹角熔合差或熔池金属铺展不开。

当钝边厚度超过 2.3mm 时，需要更大的焊接电流保证背面焊缝的完全熔合，在其 他条件相同时， 焊缝更宽， 仰焊及立向上时(7~9点钟位置)更难控制， 出背面未熔合的风险增加。

坡口面角度

考虑主蒸汽、主给水管道材质为合金钢，材料的热膨胀系数更小，焊接收缩量

更小，故考虑使用更小的坡口面角度进行焊接工艺试验。试验焊接的 KY1601-015 、017 、021 、028 接头分别使用的坡口面角度为 4 °、2.5 ° 、3.5 ° 、5 °,整个焊接头均可以完成焊接,接头在 VT 、PT 、RT 、UT 检测后均 满足要求,未见缺陷，同时接头在经过理化检测后，各项性能指标均满足要求。

过渡圆弧

按照实施方案，拟定使用的过渡圆弧半径 R 为 1.5mm ，在焊接试验过程中，发

现 R 为 1.5mm 时，在打底焊接完成后，由水平段、打底焊缝和坡口面形成的夹角过于尖锐，不利于焊接的熔合，通过对 R 尺寸进行调整，很好的解决焊接熔合的问题。通过窄间隙坡口对坡口的钝边厚度、水平段长度、坡口面长度进行焊接试验，确定最优的坡口尺寸。

3.8.试件焊接

热处理试验试件分别采用手工焊、窄间隙自动焊焊接试件，切割成若干进行不同工艺整体热处理研究。焊接过程中严格执行合格的焊接工艺，并监控焊缝坡口处 温度，控制焊接热输入规范，降低焊接高温停留时间，避免晶粒粗大引起脆化，保证焊接接头组织和性能。

3.9.直管焊接接头局部焊后热处理参数优化设计

在P91钢的现场安装中，通常必须使用局部焊后热处理，热源只能安装在管道外壁 焊缝及附近一定范围母材。加热时从管道外壁向内壁导热，恒温后管道内外壁会存在一

定的温差。由于局部热处理时管道内外壁存在一定温差，因此管道内壁和外壁的均温宽度并不相同。

以Φ355.6 mm ×27.79 mm的P91管道的焊接接头为模型对其进行有限元网格划分（覆盖加热器处使用较细网格，单元尺寸为2 mm×2 mm×2 mm ，在远离焊缝位置使用 较粗网格划分，最大单元尺寸为2 mm× 2 mm× 20 mm），并对热处理参数进行优化， 分两区加热，控温热电偶分别位于管道12:00和6:00位置，使用推荐热处理参数进行局部焊后热处理恒温阶段温度场分布如图2 、3所示：

图 2  有限元网格划分

图 3  热处理温度分布

热处理恒温阶段管道内、外壁轴向温度分布和焊缝中心位置径向温度分布如图4所示：

图 4 优化热处理参数下管道热处理温度分布：（a ）轴向温度分布；（b）径向温度分布

可以看出，管道内存在显著的径向和轴向温度梯度。恒温阶段管道最高温度在外壁 焊缝中心处，约为759.9℃ , 管道内壁焊缝中心温度为741.3℃ , 焊缝中心内外壁温差 18.6℃ 。沿管道轴向存在明显的温度梯度，随着与焊缝中心距离的增加，轴向温度逐渐降低。在相同轴向位置处外壁温度明显高于内壁温度，该截面上的等温线呈 V 形，与一般呈上宽下窄的焊缝轮廓线形状相似。恒温后管道轴向温度分布大致呈抛物线状，在 焊缝中心处的温度梯度和内外壁温差较低。从焊缝中心向管道两侧移动，轴向温度梯度和内外壁温差逐渐增加。在焊缝中心位置，热处理温度沿管道壁厚方向大致呈线性关系。

3.10.异径三通管焊接接头局部焊后热处理参数优化设计

以 Ф559 mm×53.98 mm- Ф355.6mm×27.79 mm异径三通管焊接接头为模型对其进 行有限元网格划分（覆盖加热器处使用较细网格，单元尺寸为10 mm× 10 mm × 10 mm ，在远离焊缝位置使用较粗网格划分，最大单元尺寸为10 mm× 10 mm× 50 mm）

热处理工艺选择主管和异径支管同时加热、分开控温，其控温热电偶均布置于焊缝

中心。通过优化其热处理参数，形成热处理温度分布。

热处理恒温阶段支管内、外壁轴向温度分布如图5所示：

图5 优化热处理参数下管道热处理温度分布：（a ）轴向温度分布；（b）径向温度分布

可以看出，恒温阶段管道外壁焊缝中心处温度约为758.9℃ , 管道内壁焊缝中心温度 为737.0℃ , 焊缝中心内外壁温差21.9℃。管道外壁最高加热温度为759.9℃ , 位于主管侧距焊缝约21.9mm处，管道内部最高温度位于支管侧距焊缝约10.0 mm处。

3.11.接管座焊接接头局部焊后热处理参数优化设计

以 Ф559 mm× 53.98 mm- Ф73×14.02 mm 接管座焊接接头为模型有限元网格划分 （覆盖加热器处使用较细网格，单元尺寸为 10 mm× 10 mm× 10 mm ，在远离焊缝位置使用较粗网格划分，最大单元尺寸为 10 mm× 10 mm× 50 mm）。

热处理工艺选择主管侧采用环形加热，接管侧采用整圈加热，并优化其加热宽度及保温宽度。使用推荐热处理参数进行局部焊后热处理恒温阶段温度场分布。

热处理恒温阶段主管和接管内、外壁轴向温度分布如图6所示：

图 6  优化热处理参数下管道热处理温度分布

可以看出，恒温阶段管道焊缝中心温度为759.5℃ , 最高加热温度763.9℃位于接管侧距离焊缝中心约42 mm处。管道内壁焊缝中心温度为743.8℃ , 焊缝中心内外壁温差15.7°C 。管道内壁最高加热温度向接管侧偏移，距离焊缝中心约33 mm ，管道内壁最高加热温度为754.3℃。

四、结束语

目前 P91 材料逐步在部分核电站主蒸汽等管道上开始使用，开展P91接头焊后热处理技术研究，可为项目现场焊接和热处理施工积累实际操作经验，奠定热处理技术基础，减少现场热处理准备工作，降低焊接和热处理现场返工率，同时利用本课题的研究成果，可提升现场热处理施工效率，缩短工期，降低成本。

通过实现焊接自动化，稳定焊接质量，提高焊接效率，缩减施焊周期，从而降低成本，同时通过焊接自动化可以减少焊工的劳动强度，降低对焊工技能的依赖。

参考文献：

[1]朱艳满.浅析CPR1000核电厂常规岛钢结构工程施工质量控制[J].建筑工程技术与设计.2015,(19).