核电站常规岛（A691）焊接管道国产化研究

周利东，薛源，刘金贵，白哲宇，王为辉

（中广核工程有限公司，广东 深圳 518124）

就目前的情况来看，我国大部分的核电站建设过程中，焊接管道依然选用的进口管道。当下，随着国内核电站的陆续开工，核电站常规岛（A691）焊接管道用量持续增大，如果继续进口，不仅成本高昂，且难以满足我国核电站大规模建设需求。为此，探究核电站常规岛（A691）焊接管道国产化具有极其重要的现实意义。

1 核电站常规岛（A691）焊接管道国产化原则

1．1 精准把握国产化内涵

核电站常规岛（A691）焊接管道国产化并非是不经过任何分析的一刀切，国产化的主要目的是在保证核电站常规岛（A691）焊接管道质量的前提下，降低核电站建设成本。为此，企业应当瞄准那些用量大、价值高，国内生产水平完全满足要求的管道选择国产。而对于那些用量小、价值低以及不具备国产化条件的焊接管道可以选择国外进口。

1．2 结合市场与国际接轨

就目前的情况来看，我国的核电站建设施工主要依赖西方发达国家先进的技术，焊接管道生产标准和规范依然被少数发达国家垄断，特别是核反应堆依然掌控在少数发达国家和核企业中。由于考虑到（A691）焊接管道国产化，通过对国内各管道供应商的调查和交流，了解到国内供货商具备焊接管道ASME/ASTM的生产能力。为此，核电站常规岛（A691）焊接管道应立足国际市场，并快速实现与国际接轨。

1．3 持续有力带动产业发展

核电站常规岛（A691）焊接管道国产化的最终目标为了降低核电站的建设成本，但这并不是唯一的目的。为此，我们应当尽早的认识到核电总是要走出国门的。虽然说，我国的核电技术尚未具备知识自主产权，但对于那些需要建设核电站而资金又不充足的企业依然具有很大的吸引力。因此，在焊接管道国产化的研究过程中，我们应当持续有力带动产业发展，尝试“走出去战略”，这也是我们应当承担的一份社会责任。基于以上考虑，如果相同材料与相同标准制造管道，其造价与性能与进口管道相差并不是很大，也容易被西方国家认可，从而为“走出去”战略奠定坚实基础。

1．4 虚心借鉴吸纳已有研究成果

核电站常规岛（A691）焊接管道国产化，还应虚心借鉴吸纳已有研究成果，进行深入研究。在具体的工程项目建设中，要综合考虑焊接管道材料采购成本、供货周期，若经济条件允许，还可以多个项目联合批量采购。这样一来，可以帮助企业降低采购成本，同时还有利于供货商批量生产，保证供货质量。

2 A69121/4CrCL22钢的主要性能

A69121/4CrCL22钢是美国标准钢材，ASMEA691是美国材料与试验学会标准高温高压服役条件用电熔焊碳钢和合金钢管标准：21/4Cr表示钢管等级，该钢中w（Cr）为2.25%，w（Mo）为1%；CL22是如处理消除应力状态。A69121/4CrCL22钢的化学成分及力学性能见表1和表2。

表1 A69121/4CrCL22钢的化学成分

表2 A69121/4CrCL22钢的力学性能

3 常规岛合金钢焊管材料国产化

常规岛合金钢焊管原材料钢板选用国内制造的属于贝氏体钢范畴的ASTMA387/A387MGr.22CL2钢，采用转炉炼钢+炉外精炼工艺，其原材料化学成分、原材料力学性能如表3和表4。

表3 原材料化学成分

表4 原材料力学性能

根据表3和表4的分析检测数据对比，可见，目前国产材料在化学成分和力学性能方面同国外材料相近，满足常规岛焊管材料国产化的要求。

4 常规岛合金钢焊管制造技术运用

4．1 板边加工技术

由于钢板不平，且在运输过程中容易形成“死弯”，而刨边机的刨刀不能随着板边浮动，造成板边坡口的不均匀“缺肉”，焊接时容易烧穿和未焊透，影响焊缝质量，早期的LSAW钢管机组采用气割，后来改进为刨边工艺。本次研发过程中采用了铣削加工精度高的浮动式铣边机，通过相应形状的铣刀配置，可一次加工出N、Y、X等形状的焊接破口，保证了坡口的均匀性，而且铣刀可随板边自由浮动，进而保证了焊接质量。

4．2 JCO渐进式成型技术

采用管体数控折弯和步进式预弯的有机结合，涉及折弯过程的数控和液压伺服控制、横梁的同步测量和控制、下梁的动态补偿、进给机构的步进控制等方面。

4．3 后弯边技术

本次研究在研究后弯边技术时所使用的设备为1台数千吨的压力式后弯机，施工工艺为通过模具来以“步进式”方法来后弯钢板边缘。经验证，这一工艺不仅可以在有效避免传统辊式预弯工艺焊缝四周出现“撅嘴”情况的同时防止扩径过程产生开裂，还可以保障所得到的钢板边缘板边形状为理想形状。

4．4 连续预焊技术

老式的LSAW钢管机组在成型后直接进行内焊，没有设置预焊机。后来改进为多头式点焊机，由于没有完全打底，内焊时容易烧穿。如果为了防止烧穿而减少电流，又容易造成未焊透。本次研究过程中采用了激光跟随的大功率粗丝混合气体保护焊，实现了连续预焊，焊接速度可高达6m/min，焊接电流可高达2000A，可为后续的精焊创造最佳的焊接条件。

4．5 四丝串列埋弧焊技术

老式的LSAW钢管机组采用单丝或双丝埋弧焊，本次研究要求焊缝与母材的过渡良好，无咬边，焊缝余高小等等，还要求满足焊缝和热影响区的强度、硬度和冲击韧性要求，采用单丝或双丝焊接很难全面满足这些要求。多丝串列埋弧焊接工艺焊接接头质量的好坏直接关系到钢管最后的成型质量，其是厚壁直缝焊管生产中的关键技术之一。因此，在研究过程中采用了3种控制技术，分别为激光跟随技术、焊接参数自动控制技术、四丝串列埋弧焊技术。这是因为，粗丝高速混合气体保护连续预焊，四丝串列埋弧焊进行内外焊需要进行大量的试验研究，最终通过焊接工艺评定，获得实用的焊接技术。其可以控制多丝参数的方式来满足钢管对于大壁厚、高韧性的焊接要求。

4．6 焊接工艺技术

A69121/4CrCL22钢加入了一定量的Cr和Mo，但含有Cr和Mo的钢焊后在空气中冷却时，具有明显的淬硬倾向，这主要是因为：

（1）Cr和C的含量越多，硬化越严重；焊件越厚，截面积越大（也就是焊件的刚性越大）硬化越严重。（2）焊件会受气温因素影响，尤其是冬季时期。当没有对焊件进行预热（或预热温度不够高）时，其就会出现严重的硬化现象；此外，在焊接过程中若线能量较小，则也会出现严重的硬化现象。（3）为保证焊接质量，在焊接时必须选用碱性焊剂，焊缝中扩散氢的含量较高也是导致A69121/4CrCL22耐热钢焊缝或热影响区产生裂纹的重要原因。故而，严格按技术要求进行预热，保持层间温度、焊后缓冷并及时进行热处理等工艺措施。

4．7 A69121/4CrCL22耐热钢高温高压管道的预热方法

（1）预热时应使焊口两侧及内外壁的温度均匀，以防止局部过热，用热处理炉（或者焊接预热机）进行预热，以便能够均匀加热，边加热边用红外线测温仪控制其预热温度。预热温度为150～200℃，如焊缝需返修其预热温度应比原来高。

（2）在焊接时，为了确保其接头不会出现淬硬或裂纹现象，需保持层间温度高于预热温度；需注意的是，层间温度要控制在适宜范围内，不可过高导致发生过烧，从而造成晶粒粗大致使性能降低。此外，对A69121/4CrCL22进行耐热钢焊后，则要及时采取热处理（且速度要快）。这是因为，该材质所产生的裂纹带具有一定滞后性，即及时焊接完成没有出现裂纹，但在焊件冷却一定时间后也会发生裂纹。

5 常规岛合金钢焊管成品性能分析

通过对A69121/4CrCL22焊接管道成品进行性能检验试验，以此验证A69121/4CrCL22焊接管道国产化成品的符合性，并获得实测检验数据，为设计提供参考和依据。

5．1 化学成分

每根管道成品取1个试样，依据ASTMA751进行化学成分分析。

5．2 力学性能

（1）拉伸检验。每根钢管母材、焊缝各取1个试样，取样位置横向，母材（距焊道180°）、焊缝各1个，依据ASTMA370、ASTME21，焊缝横向拉伸试验仅测抗拉强度，母材仅进行高温拉伸试验，测350℃屈服点。（2）夏比冲击。在一根钢管母材、热影响区、焊缝各取1组3个试样。其中，方向为横向，母材需距焊缝90°。（3）晶粒度、非金属夹杂物。在一根钢管管体上取1个试样，钢管的实际晶粒度应为5～10级，其验收标准按ASTME112执行。钢管的非金属夹杂物按ASTME45A法评级，其A、B、C、D和DS各类夹杂物的级别和粗细级别应分别不大于2.0级，各类夹杂物的细系级别总数与粗系级别总数应个不大于6.5级。

6 结语

此次核电站常规岛（A691）焊接管道国产化研究，通过优化板加工技术，采用良好的JCO渐进式成型技术和先进的后弯边技术保证了加工质量，并在焊接时使用连续预焊技术和四丝串列埋弧焊技术获得极好的焊接质量。最终确保了拉伸检验、夏比冲击、晶粒度及非金属夹杂等性能满足设计、运行要求，在今后的核电工程项目建设中具有广泛的应用价值。