镍基合金堆焊和管子管板焊接工艺的研究

邓为民，董 生，杨 挺

（1.海军驻上海电站辅机厂军事代表室，上海200090；2.上海电站辅机厂有限公司，上海200090）

镍基合金堆焊和管子管板焊接工艺的研究

邓为民1，董 生2，杨 挺2

（1.海军驻上海电站辅机厂军事代表室，上海200090；2.上海电站辅机厂有限公司，上海200090）

为研制某型热交换器，进行了管板堆焊和管子管板的焊接试验。该型热交换器的换热管采用了690镍基合金管，管板材料为SA508Gr.3CL2，堆焊材料为690镍基合金。堆焊前，先通过试验确定焊接工艺参数，再正式堆焊试件。管板堆焊采用带极埋弧焊，管子管板焊接采用了自动钨极氩弧焊。经焊接试验，确定了各项焊接参数，并对焊后试件进行了无损检测、氦检漏（管子管板）和各项理化试验，试验结果均符合试验大纲的要求。

热交换器；管子管板；镍基合金；带极堆焊；自动焊；无损检测；氦检漏；理化试验

0 概 述

热交换器的制造质量，关系到整个换热系统的安全运行。在热交换器制造中，管子管板焊接质量是整台设备的关键。因此，管子管板焊接接头的质量将直接影响设备的使用寿命。机组运行时，一旦管子管板接头出现泄漏，可能导致机组停运等事故，造成巨大的经济损失。因此，必须重视管子管板接头的焊接质量。当换热器采用特殊材料或结构时，需通过大量的焊接试验并进行验证，同时要开展前期的焊接工艺试验，确定工艺方法和参数。现对采用690材料的管板堆焊及管子管板进行焊接试验，并按试验大纲的要求对焊接试验件进行各项检测，确定了焊接工艺方法和各项工艺参数，为后续设计和生产提供技术支持。

1 试验要求

1.1 管板堆焊

1.1.1 无损检测

试板堆焊后，经最终热处理，还需进行超声波和液体渗透检测，堆焊层及焊接的结合面必须符合相关技术条件的要求。

1.1.2 破坏性试验

堆焊的试板经最终热处理（焊态、焊态＋敏化处理晶间腐蚀的试样除外）及无损检测后，进行弯曲试验、化学成分、金相检验、晶间腐蚀试验，试验结果应满足试验大纲的要求。

1.2 管子管板

1.2.1 无损检验

（1）目视和尺寸检查

对焊妥的焊缝进行目视检查和尺寸检查，不允许有任何未熔合、夹钨、咬边、表面气孔、裂纹、凹陷和蜂窝状缺陷。焊缝表面粗糙度应能满足液体渗透检验的要求。换热管材料采用690镍基合金，规格为Ø12×1.1mm，管子管板的焊缝尺寸，应满足图1所示要求。

图1管子管板焊接尺寸要求

（2）液体渗透检验

管子管板接头按ASME规范卷V第6章的规定进行液体渗透检测，应符合相关技术条件的要求。

（3）射线检验

管子管板接头按ASME规范卷V第2章的规定进行射线检测，质量符合专用技术条件的要求。

（4）密封性检验

采用氦气对管子管板接头焊缝进行密封性检测，每条管子管板接头焊缝的氦气泄漏率应不超过1.33×10-8Pa·m3/s。

1.2.2 破坏性试验

（1）金相检验

参照RCC-M标准，通过管子轴线和最后一个焊道的搭接区，对焊缝作径向十字切片（4个观察面），观察焊缝的根部情况，并进行宏观检验和微观检验。宏观检验时，对疑似缺陷部位，需将图像放大到足够的倍数，以鉴定缺陷性质。检验时，要求焊缝焊喉厚度的平均值不得小于0.9e，单个值不得小于0.66e；不允许有裂纹，只有局部最短的泄漏途径大于0.66e时，才允许存在气孔和夹杂。

（2）晶间腐蚀试验

每组试样取2条焊缝进行接头晶间腐蚀试验。将试样沿管子轴线剖开，每条焊缝制备1个试样。每组2个试样中，取任1个试样经受敏化处理（675℃± 5℃，1h），然后按GB/T15260-1994标准中B法（试验周期为72h）进行晶间腐蚀试验。试样经处理后，进行微观金相观察，应无晶间腐蚀倾向。

2 堆焊工艺试验

2.1 管板堆焊

管板材料为SA508Gr.3CL2锻件（国内对应牌号为18MnNiMo），该类材料系Mn-Mo-Ni低合金高强度钢。堆焊焊材选用国外公司的INCONEL Weldstrip52M焊带，规格为60mm×0.5mm，配套焊剂为INCOFLUXSAS2。管板堆焊采用埋弧自动焊，并附加磁控装置。埋弧焊设备为Lincoln焊机。

根据焊材厂家提供的质保书及焊接工艺参数，结合工厂对SA508Gr.3CL2及镍基合金堆焊的经验，在工艺试板上进行试焊，并对参数进行微调，焊缝的表面成形较好。通过对试板无损检测和破坏性试验，最终确定了所有的焊接工艺参数。相关的焊接参数，如表1所示。

表1堆焊焊接参数

堆焊前，管板的最低预热温度≥125℃。堆焊过程中，温度需保持在最低预热温度以上，第一层最高层间温度≤150℃，其余层的最高层间温度≤200℃。堆焊完毕后，采用火焰加热法进行焊后热处理，焊后热处理的温度控制在300～350℃，保温时间为1～2h。经机加工，将堆焊层厚度加工至8mm。随后进行热处理消除应力。热处理的控制曲线，如图2所示。热处理后，对堆焊试板进行了无损检测。

图2热处理曲线

2.2 堆焊试板检验

2.2.1 无损检测

对试板堆焊层进行了100%UT、100%PT检测，检测结果均符合专用技术条件的要求。

2.2.2 破坏性试验

试样热处理后，尚需进行成分分析及力学性能试验。试验项目包括：试样的纵向和横向弯曲试验；堆焊层成分的化学分析；维氏硬度；试样的纵向、横向的宏观金相及微观金相；晶间腐蚀试验（焊态、焊态＋敏化处理在热处理前取样）。弯曲试验的试样厚度为10mm，压头直径为40mm，弯曲角度为180°。在堆焊层的纵向和横向上，各取2个试样进行试验，均能满足标准的要求。堆焊层的化学成分，如表2所示，所测元素的含量符合试验大纲的要求。在垂直于试样堆焊层的横截面上，分别在焊缝金属、热影响区和母材位置进行硬度测试，标准中要求HV10硬度≤350。各区域硬度的测量结果，如表3所示。纵向及横向上的宏观、微观金相、晶间腐蚀结果，如表4所示。经检测，试验结果均满足试验大纲的要求。

表2堆焊层的化学成分

表3堆焊层的HV10硬度

表4金相、晶间腐蚀结果

3 管子管板焊接试验

3.1 试件准备

3.1.1 管板

根据堆焊试验，确定了管板试样的堆焊工艺参数。管板试样堆焊后，马上进行了焊后热处理。然后，对堆焊层表面机加工，经无损检测合格后，按试验大纲要求，对试板进行钻孔加工。管孔尺寸为Ø12.25mm。

3.1.2 管子

换热管材料为定制的690镍基合金管，规格为Ø12mm×1.1mm。

3.1.3 定位胀接

按试验大纲要求，焊接管子管板前，需采用定位胀接的方式，让管子在管板孔中定位。定位胀接前，应清洁管板孔及换热管胀接端，先用洗洁剂去除管孔及管端的油污等杂质，再用丙酮擦洗。

3.2 管子管板焊接试

3.2.1 自动焊设备

管子管板焊接选用PC-508S自动全位置氩弧焊焊机。该设备除了设有常规的氩弧焊控制程序外，还能在不同位置，对焊接电流、焊接速度、送丝速度、脉冲频率等参数进行分区控制，从而保证了接头外形尺寸的一致，熔深均匀。

3.2.2 焊接参数试验

施焊前，通过自动焊设备上的显示屏进行各项参数的初步设置，并在试焊件上进行焊接。在焊缝外形满足要求的前提下，再对试焊件的焊缝进行液体渗透检测和解剖。通过对试样的解剖分析，调整焊接分区的各项参数，再对试焊件进行焊接。经多次试焊后，使试焊件的焊接质量满足要求，再进行试件的焊接。

根据试验大纲要求，管子管板采用单层自熔焊工艺。经多次试焊及对试样解剖分析，确定了焊接参数，焊接时的旋转角度为380°，分为三段，第一段0°～130°，第二段130°～375°，第三段375°～380°。主要焊接参数，如表5所示。焊后的试件，如图3所示。

图3焊后的试件

表5焊接参数

3.3 无损检验

3.3.1 目视和尺寸检查

管口焊接完成后，测量了两组管口的最小内径，测量所得数据，如表6所示。

表6管子管板焊接尺寸记录

3.3.2 无损检测

两组焊接接头按ASME规范卷V第6章的规定进行了液体渗透检测，无缺陷显示，符合试验大纲；然后按ASME规范卷V第2章的规定进行射线检测，未发现线性及体积性超标缺陷。

3.3.3 氦检漏

将管子后端用氩弧焊封堵，并将圆型试件装入预先准备好的氦检漏筒体上，连接氦检测设备进行检漏。检测结果表明，每个焊口泄漏率均小于1.33 ×10-8Pa·m3/s，满足试验大纲的要求。

3.3.4 破坏性试验

将试样接头分割后，每组取10个接头进行金相检验，2个接头进行晶间腐蚀试验。金相检验进行最小泄漏通径测量、宏观金相和微观金相（放大倍数200X），两组各10个焊口的最小泄漏通径检验结果，如表7所示。在宏观金相检测中，末发现试样存在裂纹、未熔合等缺陷。微观金相检测时，试样也无裂纹及其他异常组织等缺陷。晶间腐蚀的焊态和敏化态（675±5℃，1h）试验中，两组中各取2个接头试样，其焊口的晶间腐蚀试验结果，如表8所示。

表7最小泄露通径

表8晶间腐蚀

4 结 语

4.1 SA508Gr.3CL2低合金管板材料，采用690镍基合金焊带（规格为60mm×0.5mm）进行埋弧焊堆焊。经堆焊试验后，确定了焊接工艺参数。管板试件堆焊结束经热处理后，进行了无损检测和破坏性试验，各项检验结果均满足试验大纲的要求。

4.2 690镍基合金管与管板平口结构的焊接，采用不填丝自动氩弧焊。经焊接试验后，确定了焊接工艺参数。分别对两组（间隙大、间隙小）试件进行了焊接，经过无损检测和破坏性试验，各项检测结果均满足试验大纲的要求，且最小泄漏通径还有一定的富裕量。

4.3 通过试验确定的焊接工艺参数，可为后续产品的设计和生产制造提供技术支持。

［1］ASME锅炉及压力容器委员会焊接分委员会.ASME锅炉及压力容器规范.第9卷，焊接、钎焊和粘接评定［M］.北京：中国石化出版社，2014.

［2］王国璋.最新压力容器焊接实用手册［M］.北京：中国石化出版社，2013.

［3］徐红，王天先.吕龙.镍基合金管子与管板的焊接工艺试验［J］.压力容器，2007，24（7）.62-63.

简讯

哈萨克斯坦已成美国核燃料最大供应国

据美国能源信息署数据显示，目前，哈萨克斯坦是美国核电站最大的铀供应国，2014年的供应量已超过澳大利亚。美国从哈萨克斯坦进口1200万磅铀，占采购总量的23%，澳大利亚和加拿大分别占20%和18%。世界核电数据显示，美国核电发电量居世界首位，占全球总量的30%左右。2014年，美国100座核反应堆发电量占全国发电量的19%。目前，美国运营的核反应堆有99座，另有5座在建。

摘自上海电气电站设备有限公司电站辅机厂技术部《信息简讯》第205期

TheProcessStudyofNi-BasedAlloyOverlayingWeldingand Tube-TubesheetWelding

DENGWei-min1，DONGSheng2，YANGTing2
（1.MilitaryRepresentativeOfficeoftheNavyinShanghaiPowerStationAuxiliaryEquipmentPlant，Shanghai200090，China；2.ShanghaiPowerStationAuxiliaryEquipmentPlant，Shanghai200090，China）

Tubesheetoverlayingweldingandtube-tubesheetweldingtestshavebeenconductedinordertodevelopa typeofheatexchangers.Tubesadoptedfortheheatexchangerare690Ni-basedalloytubesandthematerialofthe tubesheetisSA508Gr.3CL2with690Ni-basedalloyoverlayingwelding.Theweldingparametershavebeen determinedthroughthetestbeforeweldingforformaloverlayingoftestpiece.Weldingprocessusedfortubesheetis stripelectrodesubmergedarcwelding，andautomaticTIGfortube-tubesheet.Theweldingparametershavebeen determinedthroughthetest.Nondestructivetesting，heliumleaktesting（tube-tubesheet）andotherphysical andchemicaltestshavebeencarriedoutonthetestpiece，andthetestresultsmeetthetestrequirements.

heatexchangers；tube-tubesheet；Ni-basedalloy；stripoverlayingwelding；automaticwelding；nondestructivetesting；heliumleaktest；physicalandchemicaltest

TK264.9

A

1672-0210(2015)04-0022-05

2015-05-20

邓为民（1970-），男，高级工程师，毕业于华中科技大学机械材料专业，从事核设备工程技术及质量管理方面的工作。