1、堆焊技术在热工试验装置稳压器上应用 的可行性分析 张勇 周炜翔 周晓琴 荣刚 张云光 中广核研究院有限公司 摘 要： 以堆焊技术为出发点, 以稳压器为例进行分析, 探讨了堆焊技术在试验装置上 应用的可行性, 重点分析了压力容器堆焊的几个主要关键问题, 包括堆焊方法、 母材性能、堆焊材料、堆焊层内壁开孔和压力容器制造厂的堆焊工艺, 以确保低 合金钢+堆焊不锈钢的可操作性, 同时满足试验设备的热容要求。 关键词： 稳压器; 堆焊; 低合金钢; 作者简介：张勇 (1979-) , 男, 新疆伊犁人, 本科, 工程师, 主要从事压力容 器等机械设计工作。 Feasibility Analysis of
2、 Application of Surfacing Technology on Pressurizer of Thermal Test Equipment ZHANG Yong ZHOU Weixiang ZHOU Xiaoqin RONG Gang ZHANG Yunguang China Nuclear Power Technology Research Institute Co., Ltd.; Abstract： Taking surfacing technology as the starting point, illustrated by the case of pressurize
3、r, feasibility of application of surfacing technology on test device has been explored, for several key issues (including surfacing welding method, base metal performance, surfacing material, inner wall opening on surfacing layer, surfacing technology of manufacturers) have been analysised, to ensur
4、e maneuverability of low alloy steel and stainless steels for surfacing welding, also meet the heat capacity requirement of test equipment. Keyword： pressurizer; surfacing; low alloy steel; 因对水质有较高要求、 对热容无太高要求, 之前试验装置稳压器主体材质基本采 用奥氏体不锈钢。 热工试验装置是模拟核电一回路在高温高压条件下进行的系统 性试验。稳压器不仅运行在高温、高压的工况, 且所处环境可能压力、温度剧
5、烈 变化。 在进行稳压器设计时, 若母材采用奥氏体不锈钢, 虽满足设备的耐蚀要求, 但因其强度比低合金钢低一等级, 同等设计参数下, 其壁厚及重量都会比采用 低合金钢大, 直接导致其不满足试验所需的热容要求。 为兼顾试验所需热容要求及设备的耐蚀、 耐高温性能, 调查分析发现在低合金钢 作为母材的容器内壁堆焊奥氏体不锈钢层较为可行。 本文探讨了堆焊技术在热工 试验装置上应用的可行性, 重点调研分析了涉及压力容器堆焊的几个主要关键 技术点, 包括母材性能、堆焊方法、堆焊材料、堆焊层内壁开孔等。 1 堆焊技术 堆焊是为了增大或恢复焊件尺寸, 或使焊件表面获得具有特殊性能的熔敷金属 层而进行的焊接1。
6、这些特殊性能包括耐热、耐磨、耐蚀等。堆焊可以充分发 挥金属材料的优越性能, 达到节约用材和延长机件使用寿命等目的。 堆焊技术自20世纪 50年代以来已经逐步发展成为一种成熟的焊接技术6。在 压力容器领域, 为满足压力容器综合性能的需求, 常常需要在壳体内壁进行堆 焊。如核电站一回路中许多压力容器 (反应堆容器、蒸汽发生器等) 都必须堆焊 耐蚀不锈钢, 达到满足耐蚀要求的程度;除此以外, 在炼油厂加氢容器 (加氢裂 化、加氢脱硫) , 氮肥厂尿素合成等, 都有应用堆焊技术4。 在堆焊方法上, 堆焊技术不断创新发展, 而传统的堆焊方法包括焊条电弧焊、 埋 弧堆焊、气体保护焊等都比较成熟, 应用广泛
7、4。 堆焊技术工程领域的应用非常成熟, 因此在试验装置中应用可以考虑该种技术。 1.1 应用要点 在稳压器上应用堆焊技术, 必须关注下面两个主要问题1。 (1) 正确选用堆焊金属。必须弄清母材的材质、工作条件及对堆焊金属防腐性能 的要求, 同时对现有的堆焊金属的种类、性能及其使用范围有所了解。 (2) 选用合适的堆焊方法及相应的堆焊工艺。 须掌握所选堆焊方法的适用性及其 在堆焊时可能出现的技术问题, 例如如何在筒体内壁开设测量孔, 保证测量的 准确性。 1.2 堆焊方法 堆焊方法虽多种多样, 但在压力容器领域还是以前文提到的传统堆焊方法为主。 在实际生产中, 压力容器堆焊根据焊接量的大小可采用
8、不同的堆焊方法。 若焊接 量较大, 如大直径的筒体、 封头的堆焊, 可采用自动堆焊, 其中以埋弧堆焊和电 渣堆焊最为常见;若焊接量较小, 如小直径的筒体、人孔、接管等, 往往选择手 工堆焊或者小孔自动堆焊设备5。压力容器制造厂通常会根据自身堆焊设备的 能力制定相应的堆焊方法和堆焊工艺。 常用的堆焊方法包括埋弧堆焊、电渣堆焊、氩弧堆焊、焊条电弧堆焊等1-2。 1.2.1 埋弧堆焊 埋弧堆焊无飞溅和电弧辐射, 劳动条件好, 堆焊层成型光滑, 易实现机械化和 自动化, 且堆焊层成分稳定。 埋弧堆焊与一般埋弧焊没有本质区别, 自动埋弧堆 焊与一般的自动埋弧焊大致相同, 采用的都是自动埋弧焊设备, 但因
9、为热输入 大导致稀释率较其他电弧焊高。 埋弧堆焊熔深大, 并需要焊剂覆盖, 所以只能在 水平位置堆焊。埋弧堆焊通常适用于筒体内径在 1 m以上的化工容器和核反应堆 压力容器的衬里。中广核集团 CPR1000红沿河、宁德项目便采用了带极埋弧堆焊 工艺3。 为降低稀释率、提高熔敷速度, 埋弧堆焊有多种形式, 如单丝埋弧焊、多丝埋弧 焊、带极埋弧焊、串联埋弧焊、粉末埋弧焊, 如图1。 1.2.2 电渣堆焊 电渣堆焊熔敷率高, 一次可堆焊厚度很大, 可以采用实芯焊丝、药芯焊丝和板 (带) 级, 丝极可以多丝同时送进, 板 (带) 级很宽, 因此相比埋弧焊, 其堆焊 层更宽。熔深均匀、稀释率不高, 熔敷
10、率高, 且焊剂消耗比埋弧焊少。 带极电渣堆焊可以在水平面上大面积堆焊, 适用于大型压力容器的衬里, 中广 核集团阳江项目采用了该种堆焊工艺3。带极电渣堆焊与带极埋弧堆焊类似, 但过程有本质的区别, 如图2所示。 1.2.3 氩弧堆焊 氩弧堆焊的特点是可见度好、电弧稳定、飞溅少。由于有惰性气体保护, 堆焊层 质量优良, 适用于不锈钢的堆焊。 氩弧焊有手工和自动两种堆焊方法, 两种方法 的堆焊效率都不高, 但极适用于对堆焊层质量有较高要求的工件。 图1 几种埋弧焊示意图 下载原图 图2 埋弧焊与电渣焊带极堆焊示意图 下载原图 1.2.4 焊条电弧堆焊 焊条电弧焊因设备简单、 轻便和机动灵活, 可以
11、在任何位置施焊, 适用于现场堆 焊, 对于小型或不规则零件的堆焊尤为合适。 其缺点在于生产率低、 稀释率较高、 对焊接人员有很高的要求、不易获得薄而均匀的堆焊层。 1.2.5 小结 从以上对传统堆焊方法的介绍, 可以知道氩弧堆焊和焊条电弧堆焊可以实现试 验装置稳压器的堆焊, 而电渣堆焊和埋弧堆焊因堆焊设备对尺寸的限制难以实 现。 2 主材上的应用 热工试验装置对稳压器等设备的热容有较高要求, 即对壁厚有限制, 因而主要 受压元件材料的选择显得十分重要, 不仅需满足试验的热容要求, 还必须考虑 容器的使用条件, 如温度、压力、介质、操作特点等, 此外还要考虑材料的物理 性能、力学性能、耐蚀性能、
12、加工性能及经济性。 在壳体母材的选择上, 类似情况下有直接应用经验是最好的选择, 某种材料的 成熟应用说明其满足设备的工艺要求, 其次力学性能、 加工性能等也符合相应要 求。核电站稳压器主体材料 SA-508GR.3CL.2 (ASME 牌号) 、16MND5 (法国牌号) 7为热工试验装置稳压器的母材选择提供了直接经验。 在堆焊材料的选择上, 有成熟应用的堆焊材料为首选。 事实上, 在堆焊工艺制定 的整个流程中, 通常都是参考前人和个人实践的经验进行初选, 经反复多次试 验验证后才确定1。 2.1 母材 2.1.1 厚度要求 在热工试验装置中, 稳压器的性能参数如表 1所示, 考虑到热容的因
13、素, 要求 热工试验装置稳压器主材的壁厚约为 39 mm。若壳体母材采用奥氏体不锈钢 (在 所有不锈钢中, 奥氏体不锈钢的耐蚀性能、塑性、韧性通常都最好) , 则筒体壁 厚至少在51 mm以上 (压力容器用奥氏体类不锈钢的强度指标都十分接近10, 所以无论采用何种奥氏体不锈钢, 算出的壁厚都接近) , 这显然不符合试验的 要求。 表1 稳压器参数 下载原表 根据热工试验装置对稳压器的壁厚要求, 借由 GB 150.3-201110中的内压筒体 壁厚计算公式反推, 可得符合厚度要求的材料的许用应力范围, 再结合前文提 到的直接应用经验, 就可以甄选出合适的母材。 2.1.2 许用应力范围 式中:
14、 为计算厚度, mm;pc为计算压力, MPa;Di为内径, mm;为设计温度下 的许用应力, MPa; 为焊接接头系数, 在此取 1。 根据表1的稳压器参数计算, 可得符合假定厚度要求的材料在设计温度下的许 用应力约为165 MPa, 此为初步结果。以165+15%MPa 为区间, 查找符合该区间 的材料, 可发现有不少低合金钢材料满足要求, 如20Mn Mo等, 这时候就可以借 助直接使用经验, 综合考虑材料的各项性能和试验要求选出合适的材料。 2.1.3 直接使用经验 核电站核岛内的大型容器, 如反应堆压力容器、 稳压器等设备的壳体通常都由专 用的低合金钢制成。核电站中的稳压器的壳体的母
15、材通常采用 16MND5 (法国牌 号) 7及SA-508GR.3CL.2 (ASME 牌号) 。 (1) 化学成分和力学性能对比 上述三种材料的化学成分如表 27,18-19, 各自的力学性能如表37、表 419、表 518。 从表 2可以看出, 三种材料主要添加的合金元素基本相同, 均 属于低碳低合金钢;同时, 三者化学成分的控制范围也基本相近。从表 2表5可 以看出三者的力学性能试验要求接近。因此, 从化学成分和力学性能出发, 20Mn Mo应该是一个不错的选择。 (2) 许用应力要求 20Mn Mo锻件在设计温度 360下的许用应力为 181 MPa10, 此值在 2.1.2节 计算所
16、得的许用应力区间内, 这说明就许用应力要求而言, 该种材料符合要求。 (3) 其余材料 经由以上比较, 可看出 20Mn Mo 是很好的选择之一。 同时, 由20Mn Mo 为出发点, 寻找相似的材料再进一步做对比, 从而得出最优解。 在压力容器低合金钢锻件中, 和20Mn Mo相似的有 20Mn Ni Mo和20Mn Mo Nb。 三者化学成分对比如表 618, 力学性能对比如表 718。从化学成分而言, 三 者十分接近, 从力学性能来看, 因20Mn Ni Mo、20Mn Mo Nb的碳当量高于 20Mn Mo, 虽二者的强度高 20Mn Mo一个等级, 但焊接性能明显弱于 20Mn Mo
17、, 且焊接 过程不易控制。 在母材和堆焊过渡层材料焊接时, 若选泽20Mn Mo Nb 作为母材, 势必有部分 Nb 元素进入堆焊过渡层中, 而堆焊过渡层材料为奥氏体不锈钢, 由于含 Nb不锈钢 的再热裂纹敏感性比较高, 因此必须严格控制堆焊层的 C/Nb比例, 这使得其在 焊接工艺上不如20Mn Mo8。 20Mn Ni Mo是核电一回路设备制造用主导材料, 在淬火加回火状态下具有优良 的力学性能, 但碳当量较高, 具有较大的淬硬倾向, 氢致裂纹敏感性较强, 可 焊性不如20Mn Mo20。 表2 16MND5、SA-508GR.3CL2、20Mn Mo锻件化学成分对比 (质量分数%) 下
18、载原表 表3 16Mn D5 锻件的力学性能 下载原表 表4 SA-508GR.3Cl2 锻件的力学性能 下载原表 表5 20Mn Mo锻件的力学性能 下载原表 表6 20Mn Mo、20Mn Mo Nb、20Mn Ni Mo锻件的化学成分 (质量分数%) 下 载原表 表7 20Mn Mo、20Mn Mo Nb、20Mn Ni Mo锻件的力学性能 下载原表 20Mn Mo作为一种常用承压设备低合金锻件, 具有良好的热加工和焊接工艺性能, 常用于设计温度在-19470的重要大中型锻件21。 2.1.4 小结 综合以上的分析对比, 热工试验装置稳压器的壳体母材采用 20Mn Mo, 无论从化 学成
19、分、力学性能还是加工性能来看, 都是一个可以接受的选择。另按照 GB 150.2-201110的要求, 用作容器筒体和封头的筒形、环形、碗形锻件必须使用 III级或 IV级锻件10, 因而主体材料可采用 20Mn Mo III 或20Mn Mo IV 锻件。 2.2 堆焊材料 由于母材与堆焊层的合金成分和物理性能存在差别, 焊接过程或焊后使用过程 中会出现类似异种金属焊接时的特殊现象。 例如, 由于线膨胀系数差别大, 堆焊 后的冷却、 热处理和运行过程中产生的热应力, 严重时可能导致堆焊层开裂或剥 离;在焊接过程中, 母材稀释对焊接金属化学成分可能产生不利影响, 如前文所 述Nb对堆焊层的影响
20、。因此, 单层堆焊在压力容器中比较少见, 往往都是预先 在母材表面熔敷一层过渡层, 以减小化学成分和物理性能上的差别, 保证堆焊 层的质量和性能。 在中广核集团CPR1000项目中, 核电站稳压器采用的过渡层为309L (24Cr12Ni) , 耐蚀层为308L (20Cr12Ni) 3。事实上, 对于耐蚀层的材料选择, 从耐蚀性能 出发, 304、316、308 等奥氏体不锈钢均能满足, 而309L或者308L 相比309或 者308, 从合金成分上看仅是碳含量降低, 主要是为了保证靠近焊缝的热影响 区中析出的碳化物降低到最少 (碳化物的析出可能导致不锈钢在某些环境中产 生晶间腐蚀) 。过渡
21、层 309L、耐蚀层308L为现有核电站稳压器的堆焊工艺, 从 应用成熟性的角度而言, 选择该种方式更为常见且稳妥。 堆焊层厚度包括过渡层和耐蚀层的厚度, 首先须满足耐蚀使用要求, 由设计使 用寿命和耐蚀速率决定;其次由堆焊工艺决定, 通常压力容器内壁的堆焊层厚度 在58 mm。压力容器内壁的堆焊衬里一般不低于 4 mm9, 须保证各堆焊层在一 定厚度以下的化学成分达到要求。 2.3 小结 由2.1 节和 2.2节可知, 母材选用20Mn Mo, 堆焊过渡层材料309L, 耐蚀层 308L。根据表 1及 20Mn Mo在设计温度下的许用应力 181MPa, 经计算可得母材筒体计算厚度为30 m
22、m, 留有安全裕量, 可向上取为 33 mm;堆焊层厚度一般在 58 mm, 此处取6 mm, 可得筒体总厚度在39 mm, 满足试验提出的热容要求。 3 开孔上的应用 3.1 接管、手孔、人孔 热工试验装置的压力容器的接管基本都采用奥氏体不锈钢, 那么壳体 (低合金 钢) 与接管 (奥氏体不锈钢) 的焊接属于异种钢焊接16。 为了保证奥氏体不锈 钢不受低合金钢的污染, 可以在低合金钢侧坡口面预堆隔离层后再与不锈钢焊 接, 具体如图 3所示。 3.2 引压孔开孔 在现有的试验装置中, 引压孔开孔通常是在管道或筒体内壁开设直径 1 mm的小 孔, 在沿壁厚方向一定距离扩大孔径, 再在外壁焊接管座
23、, 管座与引液管焊接, 这样液体就导流至测压点进行测量, 其结构如图 4所示, 这种结构适用于壳体 材料为不锈钢的引液管开孔, 可以最大程度上减小开孔对容器内流场的影响。 而 热工项目稳压器的壳体母材采用低合金钢, 介质不允许与母材接触, 以免产生 腐蚀堵塞, 因此就必须考虑其他的结构。 表3 接管的焊接示意图 下载原图 图4 壳体材料为不锈钢的压力表开孔示意图 下载原图 如图5 所示, 这种结构借鉴了图 4的结构, 关键点在于接管形式作特殊加工。 且 材质采用了奥氏体不锈钢, 避免了水质被碳钢母材污染。 图5 壳体材料为低合金钢的压力表开孔示意图 下载原图 经过以上论述, 堆焊技术在压力容器
24、行业中的应用已经十分成熟, 在热工试验 装置上应用堆焊技术可行。 参考文献 1陈祝年.焊接工程师手册 (第 2版) M.北京:机械工业出版社, 2009. 2王娟.表面堆焊与热喷涂技术M.北京:化学工业出版社, 2004. 3刘鸣宇, 吴义党, 杨志鹏.CPR1000 反应堆压力容器大面积不锈钢堆焊工艺 讨论J.热加工工艺, 2012 (5) :187-189. 4陈登丰.压力容器耐蚀层堆焊技术的发展J.化工炼油机械通讯, 1979 (6) :21-35. 5赵瑞辉, 朱云贵, 等.小孔堆焊在化工容器中的应用J.现代焊接, 2015 (5) :45-47. 6任艳艳, 张国赏, 等.我国堆焊技
25、术的发展及展望J.化工炼油机械通讯, 1979 (6) :1-3. 7刘全印.核电站稳压器设备内壁带极堆焊技术J.现代焊接, 2009 (9) :30-32. 8王家淳, 朱琦, 等.厚壁压力容器内壁堆焊技术J.焊接, 1998 (12) :2-5. 9丁伯民, 黄正林.化工设备设计全书高压容器M.北京:化学工业出版社, 2002. 10GB 150-2011, 压力容器S. 11GB/T 984-2001, 堆焊焊条S. 12HG/T 20580-2011, 钢制化工容器设计基础规定S. 13HG/T 20581-2011, 钢制化工容器材料选用规定S. 14HG/T 20784-2011,
26、 钢制化工容器结构设计规定S. 15NB/T 47014-2011, 承压设备焊接工艺评定S. 16NB/T 47015-2011, 压力容器焊接规程S. 17NB/T 47018-2011, 承压设备用焊接材料订货技术条件S. 18NB/T 47008-2010, 承压设备用碳素钢和合金钢锻件S. 19ASME SA-508/SA-508M, 压力容器用经真空处理的淬火加回火碳钢和合金钢 锻件S. 20张显辉, 焦伟, 等.20Mn Ni Mo 钢焊接氢致裂纹特征 (II) J.焊接学报, 2002, 23 (3) :23-25. 21郑津洋, 等.过程装备设计 (第三版) M.北京:化学工业出版社, 2003.
