核电站A335-P91 管道焊接及热处理质量控制研究

2021-11-24

商品与质量 2021年6期

中国核工业第五建设有限公司上海 201512

高温气冷堆一回路介质为氦气，氦气通过反应堆之后，温度达到700℃以上，其中高温气冷堆（HTR-PM）设计出口温度为750℃。氦气通过蒸汽发生器将二回路中的主给水加热为高温蒸汽，所以主蒸汽的温度远远高于常规压水堆。为保证二回路系统高温工况下的稳定性，系统管道材质选用P91 耐热钢（10Cr9MoVNb）。

P91 耐热钢是在9Cr-1Mo 的基础上，控制N 和Al 含量，降低C 含量，加入少量的Nb、V，通过Nb、V 和碳氮化合物的析出强化作用，提高了材料的高温持久蠕变断裂强度。相对于高温高压机组常用的低合金耐热钢，该材料具有高的抗氧化性能和良好的蠕变断裂强度。但随着材料性能的提高其焊接性能随之降低，焊接操作要求随之提高，同时其焊后热处理加热温度临近AC1 相变点，热处理操作稍有不当将出现过回火问题，使焊接接头性能降低。因P91 耐热钢首次在核电站设计使用，为保证其运行安全，对A335-P91 管道焊接及热处理质量控制研究意义重大。

1 原材料质量复检

为保证焊接质量，首先应确认母材质量符合标准规定。对于P91 材料，进场后应进行专项的复检，除对外观质量、外形尺寸及内部缺陷的检验外，最重要的是对其化学成分及金相组织进行复检。

1.1 光谱检验

对于P91 钢管、管件、支撑件及阀门部件应逐件进行光谱复查，以核对材料合金元素是否符合要求，合格后做好标识标记。

1.2 硬度检验

材料的硬度是其化学成分与金相组织的综合反映，是检测P91材料回火质量的重要指标，所以P91 钢管、管件、支撑件及阀门部件等应进行100%硬度检验，每根钢管或每件部件应选择3 个具有代表性的截面处，且每个截面应尽可能在圆周四等分的位置上分别进行硬度检验，使用便携式里氏硬度计在每个位置上至少测量5 点，对于管径较小或壁厚较薄的管子管件可采用便携式布氏硬度计校核测量结果。

1.3 金相组织检验

金相组织检验可直观地观测到材料的内部金相组织，是对硬度检测结果的最终复核，P91 材料金相组织应为回火马氏体或保持马氏体位相的回火索氏体，金相组织中的δ-铁素体含量应符合规定。

2 焊接过程质量控制

2.1 预热

P91 钢属于B 类Ⅲ级钢，其焊接性能较差，若不进行焊前预热将大概率出现冷裂纹，同时预热还有利于扩散氢的析出。P91 材料预热温度为200℃-250℃，为保证温度的均匀性，当预热温度到达规定值后应至少再保温30 分钟。焊接中断后，应在重新焊接前重新预热。

2.2 焊接操作要求

当焊接线能量过大时，将引起焊缝组织晶粒粗大，晶界出现明显网状，导致焊缝出现高硬度、低韧性的不合格情况。为得到高性能的焊接接头，应将焊接电流严格控制在规定范围内，使焊接线能量控制在25KJ/cm 以下。

当大口径管道采用双人对称手工电弧焊时，要注意将收头位置错开10-15mm，以避免局部温度过高。施焊过程中应实时测量监控层间温度，道间温度不应低于预热温度，且不大于250℃。每层每道焊缝焊接完成后，要对焊渣、杂物等进行清理。

3 热处理质量控制

3.1 后热

由于P91 管道属于马氏体热强钢，为避免氢致裂纹以及防止冷裂纹或者再热裂纹的发生，在焊接完成后或焊接中断时，若不能及时进行焊后热处理则应立即进行后热。P91 管道焊接接头后热工艺为：应在焊件温度降至80℃-100℃后并保温1h-2h，使马氏体转变完成后立即进行后热，加热温度为300℃-350℃，保温时间为2h-4h。

3.2 焊后热处理控制

P91 焊接接头的热处理应严格控制升、降温速率v。在300℃以下时对升、降温速率v 不需要控制；300℃以上时升、降温速率v ≤6250/壁厚 ℃/h，且不大于150℃/h。

P91 焊接接头焊后热处理加热温度为750℃-770℃，而P91材料的Ac1 相变点约为810℃，根据Fe-C-Cr 相图，当热处理温度高至Ac1 相变点以上后，将发生Ostwald 熟化，使得焊接接头强塑性大大降低。所以热处理过程中需要严格控制加热温度。首先，应根据焊接接头的外形尺寸来选择具有代表性的位置布置热电偶，控制最高温度位于焊缝上，同时还应保证焊接接头加热均匀，使其均温区（SB）的温度保持在规定范围内；其次，应采用储能焊机焊接固定热电偶以保证测量的准确性，两根热电偶丝焊点间距应不超过6mm；最后，加热器布置时应避免交叉或重叠，对于体积较大的焊接接头应布置较多的加热装置，通过分区控温和功率控制，控制最高温度位于焊缝上。