APP下载

压水堆核电站主管道焊缝理化性能分析

2012-04-29马力川李予卫张雯谢静

科技创新导报 2012年34期
关键词:焊缝

马力川 李予卫 张雯 谢静

摘 要:压水堆核电站主管道是低碳奥氏体不锈钢大厚壁管道,在核电机组运行期间,承载着高温、高压、高放射性的冷却剂。目前,在国内主管道的焊接过程中,主要存在两种焊接工艺:钨极氩弧焊+焊条电弧焊(TIG+SMAW)和窄间隙自动焊(TOCE)。该文根据RCC-M焊接工艺评定和产品焊接见证件破坏性试验的相关规定,对比分析了上述两种焊接工艺下焊缝的理化性能。通过对比分析,发现窄间隙自动焊焊缝的理化性能与钨极氩弧焊+焊条电弧焊相比得到较大提升。

关键词:主管道 焊缝 理化性能

中图分类号:TG404 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)12(a)-00-02

2007年10月,国务院发改委发布的《国家核电中长期发展规划》指出,到2020年,我国的核电运行装机容量应争取达到4000万kW,在建核电容量应保持在1800万kW。时至今日,我国已开工建设的核电机组数量达到了27台,在建机组数量居全世界第一。这意味着,我国核电建设工程已面临大量的安装任务。

目前,在我国核电建设过程中,主管道焊接主要采用以下两种工艺:钨极氩弧焊+焊条电弧焊(下简称TIG+SMAW)和窄间隙自动焊(下简称TOCE)。TIG+SMAW具有设备简单、价格便宜、适应性强的特点;但随着核电建设规模的不断扩大,主管道焊接工程量的不断增加,TIG+SMAW焊接效率低、劳动强度大、对焊工技能要求高的缺点已突显出来。

为适应核电建设规模不断扩大这一趋势,解决核电机组批量化建造过程中TIG+SMAW暴露出来的缺点,中广核工程有限公司研发出了一套适用于CPR1000压水堆核电站主管道焊接的TOCE技术,并在宁德核电1#机组采用该技术成功实施了国内首次主管道自动焊。比较两种焊接工艺下焊缝的理化性能,有助于提高对主管道自动焊工艺性能的认识,有利于主管道自动焊工艺的推广。

1 主管道焊接工艺概述

TIG+SMAW是一种组合焊接工艺:在根部焊道焊接时,采用直流正接钨极氩弧焊(TIG)进行打底;进入填充焊道后,采用焊条电弧焊(SMAW)进行填充。在主管道根部焊道焊接时,由于坡口钝边很薄(1.5±0.1 mm),采用TIG,可以确保钝边不被熔穿而产生缺陷。当TIG打底至一定厚度后,便进入填充焊道,此时采用SMAW,可以显著提高生产效率。由于SMAW有药皮保护,焊条一般较粗(Φ3.2 mm和Φ4.0 mm),因而焊缝坡口设计的比较宽大,熔敷金属填充亦较多。

TOCE是一种在主管道焊接全程采用直流脉冲钨极氩弧焊的焊接工艺。由于在焊接全程都有惰性气体保护(氦氩混合气体),能够有效隔绝熔池周围空气,加之自动焊焊丝本身不通过电流,避免了焊接过程中的飞溅产生,因此,采用该工艺焊接,可以得到优质的焊缝。焊机电源采用直流脉冲的供电方式,方便对焊接参数进行调节,产生的电弧稳定且能量集中。所用焊丝省去了药皮,一般较细(Φ0.8 mm和Φ1.0 mm),因而焊缝坡口设计的比较窄,熔敷金属填充量大为下降。

2 主管道焊缝试验性能对比分析

焊接工艺是否可靠,焊缝质量是否优异,最终要靠试验做出评判。根据RCC-M S3300(奥氏体或奥氏体-铁素体不锈钢的对接焊工艺评定)的规定,破坏性试验应包括力学性能试验、化学性能分析、δ铁素体含量的测定、金相试验、熔敷金属晶间腐蚀试验;同样根据RCC-M S7800(产品焊缝的破坏性试验:产品焊接见证件)的规定,破坏性试验应包括力学性能试验、化学性能分析、金相试验。通过分析对比TIG+SMAW和TOCE焊缝的理化试验数据,可对两种焊接工艺的性能有更为直观、清晰的认识。

2.1 焊缝熔敷金属化学成分分析

主管道焊缝熔敷金属所含化学元素、成分多种多样,主要包括了碳(C)、硫(S)、磷(P)、锰(Mn)、镍(Ni)、铬(Cr)、铁素体等多种元素和成分。通过分析其中典型元素的含量,比较二者的异同,我们能够分析出两种焊接工艺下主管道焊缝的部分物理化学性质。

(1)硫(S)元素。硫元素是熔敷金属中的有害杂质,与铁化合成FeS,FeS又与Fe形成低熔点的共晶体,分布在奥氏体的晶界上。在焊接过程中,如果硫元素控制不当,极易使焊缝强度降低,产生高温裂纹。与TIG+SMAW相比,TOCE对硫元素有着更为严格的要求,不得高于0.015%;从试验结果来看,二者的硫含量相同,都为0.012%,可见二者的含硫量都比较低,说明TOCE与TIG+SMAW具备相当的抗高温裂纹的能力。

(2)磷(P)元素。磷元素是熔敷金属中的有害杂质,易使熔敷金属的偏析倾向加重,如果磷元素控制不当,会在组织中析出脆性很大的化合物FeP,而使钢的脆性增加,特别是在低温时,极易产生裂纹。TIG+SMAW熔敷金属的磷含量是0.014%,TOCE熔敷金属的磷含量是0.015%,仅仅提高了十万分之一,变化十分轻微,这一结果说明:TOCE与TIG+SMAW具备相当的抗低温裂纹的能力。

(3)锰(Mn)元素。熔敷金属中存在适量的锰元素,可以提高焊缝的物理化学性能。锰与硫化合成MnS,能减轻硫的有害作用。锰能大量溶解于铁素体当中,使铁素体强化,提高焊缝的硬度和强度。试验结果表明,TOCE的锰含量较TIG+SMAW有所提高,且在含量允许的范围内,对于提高焊缝性能是十分有益的。

(4)铁素体。熔敷金属中铁素体的存在,可以使焊缝具备较高的韧性。但焊缝中铁素体含量过高,会使焊缝的强度下降,这对焊缝是不利的。因此,在焊缝中,铁素体的含量一定要恰当。对于主管道焊缝而言,12%的铁素体含量可以使整个焊缝的性能达到最佳。TOCE熔敷金属铁素体的含量为11.7%,十分接近12%这一比例,可见焊缝同时具备了良好的韧性和强度。

综上所述,TOCE的熔敷金属在TIG+SMAW的基础上进行了深度的优化,并且精确控制了多种元素的含量,焊缝的强度、塑性、韧性得到均衡控制,整体性能较为优异。

2.2 焊缝的强度分析

强度反映了材料抵抗变形和断裂的能力,在力学性能试验中,我们最为关心的是屈服强度和抗拉强度。材料产生屈服现象时的应力称为屈服强度,它反映了材料从弹性到塑性的转变。材料在拉伸断裂前所能承受的最大拉应力称为抗拉强度,它反映了材料抵抗拉伸断裂的能力。主管道焊缝的强度试验主要包括三项内容:常温拉伸试验、高温拉伸试验、横向菱形拉伸试验。

在常温拉伸试验下(沿焊缝周向取样),TIG+SMAW焊缝的屈服强度和抗拉强度分别为500 MPa和675 MPa,TOCE焊缝的屈服强度和抗拉强度分别为491.5 MPa和629.5 MPa。与TIG+SMAW相比,TOCE的屈服强度和抗拉强度都有所降低,这是因为后者焊缝中的铁素体含量明显增加(提高2.2个百分点),焊缝的塑性和韧性得到加强,而在强度方面有所妥协。为了实现焊缝的强度、韧性、塑性的整体最优,TOCE工艺在充分保证焊缝的安全和质量的前提下,适当降低了焊缝强度。以高温拉伸试验为例,该实验是在350 ℃的情况下完成的,高于压水堆工作期间冷却剂的最高温度327 ℃。此时TIG+SMAW焊缝的屈服强度和抗拉强度分别为435 MPa和525 MPa,TOCE焊缝的屈服强度和抗拉强度分别为384.5 MPa和462.5 MPa。与TIG+SMAW相比,TOCE的强度下降了50 MPa左右,但此时冷却剂的工作压力只有15.5 MPa,根据可靠性设计原则:

S = ;

式中,S — 安全系数;

— 材料的屈服极限;

[] — 工作压力15.5 MPa;

由此,我们可以计算出TIG+SMAW和TOCE的安全系数,分别为28和24.8,根据可靠性设计原则,10以上的安全系数已经能够保证设备十分安全可靠的运行,主管道焊缝的安全系数达到了20以上,所以是安全的。实际上,主管道焊缝用来连接管段和设备,横向菱形拉伸试验正是用以验证这种连接的效果。从表4我们发现,在该项试验中,TOCE的抗拉强度为595 MPa,甚至还要高于TIG+SMAW的575.6 MPa,由此可见,TOCE焊缝的强度还是十分可靠的。

2.3 焊缝的塑性分析

材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。一般用伸长率δ和断面收缩率ψ表示:

δ=×100%

ψ=×100%

式中,—试棒的原始标记长度(mm);

—试棒拉断后的标距长度(mm);

—试棒原始截面面积(mm2);

—试棒断口处截面面积(mm2);

主管道焊缝分别在常温条件下和高温条件下进行了塑性试验,测试了伸长率和断面收缩率,详见下表。

由于熔敷金属中铁素体的含量大为增加,使得焊缝的塑性大为改善。在常温条件下,TOCE焊缝的伸长率和断面收缩率分别为37%和62.7%,数值较TIG+SMAW大为增加;在高温条件下,TOCE焊缝的伸长率和断面收缩率比TIG+SMAW高出1倍还多。焊缝塑性的增加,反映了焊缝在超载情况下抗断裂能力的提高,这对于提高主管道焊缝的安全系数,防止事故状态下冷却剂泄漏(LOCA),具有极其重大的意义。综上所述,与TIG+SMAW相比,TOCE焊缝的理化性能有极大提升,焊接工艺具备显著的安全性和可靠性。

3 结语

随着核电建设规模的不断扩大,主管道窄间隙自动焊技术被逐渐推广到各个核电建设现场。与焊条电弧焊相比,窄间隙自动焊在焊接安全性和可靠性、焊缝理化性能、焊接经济性和全寿命性等方面具备显著优势。正因为此,窄间隙自动焊工艺正逐步取代传统的焊条电弧焊工艺,成为核电建设中主管道焊接的“主力军”。

猜你喜欢

焊缝
基于焊缝余高对超声波探伤的影响分析
焊缝符号在机械设计图上的标注
TP347制氢转油线焊缝裂纹返修
焊缝跟踪遗传算法优化PID控制仿真研究
T型接头焊缝的优化设计
提高建筑钢结构焊缝质量的认识与思考
机器人在轮辋焊缝打磨工艺中的应用
光谱分析在检验焊缝缺陷中的应用
浅析12Cr5Mo管道焊缝的硬度值控制
积石峡水电站座环焊缝熔敷金属量的计算