镍基690合金管子与管板焊接技术

孙国辉，　邹迪婧，　谢彦武

(哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司， 河北秦皇岛 066206)



镍基690合金管子与管板焊接技术

孙国辉，邹迪婧，谢彦武

(哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司， 河北秦皇岛 066206)

摘要：用试验方法研究了AP1000核电站蒸汽发生器镍基690合金管子与管板焊缝焊接工艺.采用全位置自动钨极惰性气体保护焊方法焊接，以95%Ar+5%H2作为焊接保护气体，对每条焊缝的焊接参数分区段设置并采用单层单道自熔焊接工艺，获得了满意的焊接接头质量.对使用不同焊接保护气体、不同焊接热输入焊接的管子管板焊缝截面进行宏观和微观检验.结果表明：焊接电参数相同，焊接保护气体不同，获得的有效焊喉尺寸不同；增大焊接热输入，会使管子管板焊缝根部发生裂纹的概率明显增大.

关键词：管子管板焊； 镍基690合金； 全位置TIG焊； 裂纹； 有效焊喉尺寸

核电蒸汽发生器属于U形管式换热器，是重要的核岛设备，由蒸汽发生器造成的停堆事故居核电厂事故的首位[1].管子与管板的连接失效是换热器最主要的失效形式[2].作为分隔蒸汽发生器一次侧和二次侧冷却剂重要屏障的管子与管板焊缝，是设备制造和安装过程中水压试验最易发生泄漏的部位.管子与管板堆焊层使用了镍基690合金，其性能优良[3]，但焊接性较差，加之管子与管板的连接结构特殊，导致焊接质量不易控制，因此管子与管板焊接成为蒸汽发生器制造的关键技术之一[4-5].

笔者采用钨极惰性气体保护焊(TIG)方法焊接AP1000核电站蒸汽发生器管子与管板焊缝，并对焊接保护气体、焊接电参数等对焊接质量的影响进行试验研究，最终确定适合产品焊接的管子与管板焊接工艺.将该工艺用于国产首台AP1000蒸汽发生器产品的焊接，焊缝的液体渗透检验(PT)和氦检漏获得很高的一次合格率，水压试验无一泄漏.

1焊接特点

AP1000核电站首次在蒸汽发生器中采用了镍基690换热管和镍基690管板堆焊层相焊的管子管板接头形式，每台蒸汽发生器有20 050个管子管板焊接接头.与其他类型核电站蒸汽发生器的镍基600合金或不锈钢焊缝相比，镍基690合金焊接时具有更大的热裂纹敏感性，同时AP1000蒸汽发生器的管子管板焊缝排布密集，接头数量巨大，要求焊接工艺具有良好的稳定性和可靠性.

对于镍基690合金管子管板焊缝的焊接，如果使用大的焊接热输入，容易增加焊接时的热裂纹倾向，但是如果焊接电参数过小，不能保证有效焊喉尺寸以及排除焊缝中的气体和夹杂物.由于管子管板接头的环向最大应力位于焊缝根部[5]，因此易发生焊缝根部裂纹.目前，虽然管子管板焊缝的射线探伤方法已经在部分生产实践中得到应用[6-7]，但是镍基合金管子管板产品的焊缝根部裂纹还没有有效的检出方法.试验中只能对管子管板焊缝的剖面进行金相检验，检查是否存在裂纹或其他缺陷，同时测量有效焊喉尺寸，在统计、分析试验数据的基础上确定可靠的焊接工艺参数，以保证产品的焊接质量.

2焊接工艺试验

2.1试验方案

AP1000蒸汽发生器管板堆焊层为镍基690合金，堆焊层厚度为(6.4±1.6) mm，换热管材质为SB-163 UNS N06690，换热管尺寸为内径17.48 mm、壁厚1.01 mm.换热管与管板的接头形式为平齐式，焊接前需进行定位胀.焊前接头形式及焊后要求如图1所示，图中“e”代表有效焊喉尺寸.

试验采用直流脉冲全位置TIG方法，自熔、单道焊接.试验材料、设备和焊缝接头形式等均与AP1000蒸汽发生器产品一致.针对影响管子管板焊缝焊接质量的主要因素进行试验，检验不同试验条件下的焊接接头质量，以确定最佳焊接工艺.

图1　管子管板焊接接头示意图

2.2试件要求

试验用的管板试件SA-508Gr.3Cl.2锻件的规格为400 mm×300 mm×100 mm，一侧表面采用带极埋弧焊方法堆焊EQNiCrFe-7A，即镍基690合金.堆焊层厚度及无损检测要求与产品相同.采用深孔钻设备加工管板孔，管板孔的尺寸及分布要求见图2.试件堆焊层及换热管的化学成分列于表1.

管子与管板间采用橡胶胀方法定位，按照要求胀接长度为18～32 mm，胀接后管内径应≥15.50 mm，实际胀接后换热管内径d均大于15.65 mm.定位胀的作用一是固定管端与管板的相对位置，二是消除管子外壁与管板孔的间隙.如果管端相对管板位置不满足要求，或者胀接后间隙消除不彻底，将会影响焊缝尺寸，同时增加焊接缺陷发生的概率.

图2　管板孔分布

位置w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Cu)w(Cr)w(Ni)w(Mo)堆焊层0.0060.312.15<0.003<0.0010.0129.6455.940.01换热管0.0180.310.280.015<0.0010.0429.2059.300.05位置w(Ti)w(Fe)w(Co)w(N)w(Cb(Nb)+Ta)w(B)w(Al)堆焊层0.079.70<0.0100.0122.050.0010.06换热管0.269.600.0120.007<0.10<0.0010.14

2.3试验设备

采用管子管板焊接专用设备PS406型直流脉冲TIG焊电源.焊枪带全封闭气体保护罩，焊接过程中，通过预送气将气体保护罩中的空气排出，使整个焊接区均处于焊接保护气体的保护下(见图3).通过调节钨极与管壁的距离以及钨极的高度，达到调节焊缝成形和电压的目的.该焊枪因体积小，可以实现管板边缘和靠近水室隔板短节处焊缝的自动焊接.

2.4试件的焊接

装配前和焊前应对管子和管板进行有效清洁，并在清洁的环境中施焊.本试验使用ASMEⅡ卷C篇SFA-5.12中EWCe-2(2%氧化铈钨)电极.钨极直径为1.6 mm，钨极尖端角度为30°，顶部平台直径约0.1 mm.

图3　焊枪图片

2.4.1焊接热输入

试验中焊接热输入的改变主要通过调整峰值电流和焊接速度来实现，主要焊接电参数见表2.

2.4.2焊接保护气体

对于TIG焊，焊接保护气体直接影响电弧稳定性、熔深和焊缝形状.高纯度Ar是常用的焊接保护气体，为了获得比Ar保护下更大的熔深，试验中选用95%Ar+5%H2(即Ar体积分数为95%，H2体积分数为5%)混合气体，以及电离电位较高的惰性气体高纯度He作为焊接保护气体.

2.4.3焊接分区

为了克服焊接过程中重力和管板温度变化对熔池的影响，保证不同焊接位置焊缝尺寸均满足要求，将一周焊接参数分为5个区分别编程，控制焊接热输入，第5分区域为搭接区.起弧位置在11点(即焊枪转动的起点)，设为0°，每个程序行走370°后开始衰减，不同区段焊接热输入的变化不超过±10%.管子管板焊缝的焊接位置和对应的焊接热输入见图4.

图4　管子管板焊接位置和焊接热输入关系图

2.5取样及检验

试件焊后对焊接接头进行PT检验，合格后解剖试件，制备宏观试样.试样加工前使用机械方法，去除试件上焊缝周围的多余部分并将厚度加工到13 mm，再采用线切割的方式分割试样.试样分割示意图见图5.每条焊缝取4个不同位置的检验面，每个检验面均采用磨床磨光，满足金相检验要求.10倍放大测量焊缝尺寸，并观察焊接接头是否存在缺陷.

图5　试样分割示意图

3 试验结果及分析

3.1保护气种类的影响

焊接保护气是产生电弧的气体介质，不仅保护焊缝熔池，而且影响焊接过程的稳定和焊接质量.采用高纯Ar、高纯He以及95%Ar+5%H2混合气体3种气体作为焊接保护气，焊接镍基690管子管板焊缝，均可获得满意的焊缝表面质量.表3为有效焊喉尺寸的统计结果，采用不同焊接保护气与焊接程序组合，每种组合焊接10个接头，检查40个剖面.由表3可知，使用表2中程序1焊接，纯Ar保护下获得的焊缝有效焊喉尺寸最小，纯He保护下获得的焊缝有效焊喉尺寸最大.如果使用纯Ar保护焊接产品，必须增大焊接热输入(采用程序2)，以获得满足要求的有效焊喉尺寸.

表3不同保护气焊后的有效焊喉尺寸

Tab.3Effective throat of weld obtained with different compositions of shielding gasmm

注：1)该组采用焊接程序2焊接.

在相同焊接电流、相同电弧长度的情况下，使用95%Ar+5%H2作为保护气体与使用纯Ar作为保护气体相比，电弧的电流密度提高，因此焊缝熔深增大，可获得较大的有效焊喉尺寸.使用纯He作为保护气体，可获得较高的电弧电压和压缩电弧，因此熔深最大[6].3种保护气体相比，纯He保护下焊接起弧困难，并且需要较大的气体流量，经济性较差.纯Ar保护时，增大焊接热输入可以获得满意的焊缝尺寸，但增大了裂纹产生概率.

3.2焊缝根部裂纹

检验采用焊接程序1焊接的80个剖面，其中仅有1个检验面根部发现微小裂纹；检验采用焊接程序2焊接的试样， 80个检验剖面中有8个发现裂纹，裂纹图片见图6.上述宏观检验数据统计结果表明，当焊接热输入增大到180 J/mm时，裂纹的产生概率明显增大.

图6　管子管板焊缝裂纹宏观照片

由于镍元素可以与许多元素形成低熔点共晶，焊缝结晶时在拉应力作用下容易产生裂纹[8]，因此镍基690合金具有较高的裂纹敏感性.同时，在冶金因素一定的情况下，焊接热输入越大，晶粒长大越明显，晶界在液态存在的时间越长，液化裂纹倾向就越大[9].其次，杂质侵入焊接区会增大镍基焊缝裂纹产生的概率.管子管板焊缝因最大环向应力位于焊缝根部，故裂纹主要发生在焊缝根部，根部裂纹会减小有效焊喉尺寸，是禁止存在的焊接缺陷，并且在产品焊缝中很难被发现.

3.3裂纹的微观图片

观察带有裂纹的微观试样可见，裂纹从换热管与管板之间的间隙开始，从焊缝根部沿管子管板焊缝热影响区方向发生了拐折(见图7).裂纹为沿晶裂纹，裂纹两侧有氧化的痕迹，说明裂纹是在高温下形成的.

4结论

(1) 采用自熔TIG焊和参数分区控制，可使管子与管板焊缝整周均匀，满足焊缝尺寸要求.

(2) 采用95%Ar+5%H2作为焊接保护气，有

图7　裂纹微观图片

利于获得优良的焊缝成形和避免焊缝根部裂纹.

(3) 镍基690合金管子管板焊接时，焊接热输入超过180 J/mm时，焊缝根部的开裂概率明显增大.

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Tube to Tubesheet Welding Technology of Nickel-based Alloy 690

SUNGuohui,ZOUDijing,XIEYanwu

(Harbin Electric Corporation (QHD) Heavy Equipment Co., Ltd.,Qinhuangdao 066206, Hebei Province, China)

Abstract：Tube to tubesheet welding technology of nickel-based alloy 690 was experimentally studied for the steam generator of AP1000 nuclear power stations. Using the process of all-position automatic inert-gas tungsten-arc welding, qualified weld joints were obtained in the single-layer single-pass self-fusion way with 95%Ar+5%H2 as the shielding gas, and by separately setting welding parameters for different sections of each weld. Meanwhile, macroscopic and microscopic inspections were also carried out to the tube to tubesheet joints welded with different compositions of shielding gas and different heat inputs. Results show that for same welding parameters, different shielding gas would result in different sizes of effective throat. The risk of root crack would increase with the rise of welding heat inputs.

Key words：tube to tubesheet welding; nickel-based alloy 690; all-position TIG welding; crack; effective throat of weld

收稿日期：2015-06-17

修订日期：2015-07-03

基金项目：国家科技重大专项基金资助项目(2010ZX06001-12)

作者简介：孙国辉(1964-),女，辽宁昌图人，正高级工程师，硕士，主要从事核安全设备材料、焊接和制造技术方面的工作.

文章编号：1674-7607(2016)05-0411-05中图分类号：TG406

文献标志码：A学科分类号：430.15

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