异种钢管管对接焊接工艺研究

异种钢管管对接焊接工艺研究
发布时间：2021-06-08T08:17:03.188Z 来源：《建筑学研究前沿》2021年5期作者：刘政平[导读] 采用镍基焊材ERNiCrFe-3焊丝，使用预制过渡层的方式焊接了G17CrMo9-10和06Cr18Ni11Ti钢管。

通过强度、冲击、硬度和无损检测等方式，探索出满足性能要求、适合现场操作的焊接工艺方案。

结果表明，本文提出的工艺方案和焊接方法能够很好地满足产品要求。

阳江核电有限公司广东省阳江市 529500
摘要：采用镍基焊材ERNiCrFe-3焊丝，使用预制过渡层的方式焊接了G17CrMo9-10和06Cr18Ni11Ti钢管。

通过强度、冲击、硬度和无损检测等方式，探索出满足性能要求、适合现场操作的焊接工艺方案。

结果表明，本文提出的工艺方案和焊接方法能够很好地满足产品要求。

关键词：异种钢焊接；奥氏体不锈钢；Cr-Mo钢；过渡层；镍基焊材
高压汽缸和相关阀门是核电厂发电设备中重要的能量传输和转换设备，工作时处于高温高压的环境下。

在阀体和缸体的制造过程中，有许多异种材料焊接的需求。

但由于异种材料之间的线膨胀系数、热导率、显微组织和力学性能等物化性能有明显的差异，导致焊接难度增加，焊接质量难以保证。

尤其是对于这种承压设备，质量缺陷会导致爆炸风险，因此必须采取特殊的焊接工艺及相应措施以保证焊接质量。

以我国某核电高压外筒为例，需要在G17CrMo9-10的缸体上焊接8根Ф15mm×160mm的06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢管，填充材料选用ERNiCrFe-3焊丝。

由于这三种材料的物化特性有较大的差异，焊接难度很大，因此有必要研究和掌握其特定的焊接工艺。

1、材料特性和焊接难点
缸体材料G17CrMo9-10属于珠光体耐热钢，具有良好的抗氧化、抗硫腐蚀、抗氢腐蚀性能和较高的热强度。

以及较高的蠕变断裂强度和松弛稳定性。

但G17CrMo9-10的持久塑性低，缺口敏感性大。

由于珠光体耐热钢比一般的碳钢含有更多的Cr、Mo、Ni等合金元素，所以硬化能力更高。

因此，需要进行焊前预热和焊后退火，以消除焊接残余应力改进焊接接头的塑性和韧性。

06Cr18Ni11Ti钢管作为奥氏体不锈钢，焊接前不需要预热。

但是，它的导热导电性较差、线膨胀系数小。

焊接过程中容易产生焊缝热裂纹、热影响区晶界碳化铬的析出和焊接接头脆化的问题。

因此，焊接时需要严格控制焊接热输入量。

此外，还奥氏体材料在焊接过程中的容易出现变形问题，为了控制焊接时喷嘴的变形，一方面决定采用对称焊接的方式，使焊缝应力均匀分布；另一方面，将原壁厚由7mm 增加到15mm，并在喷嘴的外圆上安装防变形夹具。

ERNiCrFe-3焊丝是镍基耐热合金，其显微组织为奥氏体。

镍基合金具有良好的耐腐蚀性，在高低温下均有良好的机械性能，常用于高镍合金、异种材料和抗蠕变接头等的焊接，并可以免做焊后热处理。

但是，在焊接过程中镍基材料的焊接难度较大，需要特别关注如下问题：
（1）焊接表面的洁净度要求较高；
（2）热裂纹敏感性高；
（3）钢水粘稠，流动性差，焊接时熔深浅；
（4）焊接热输入范围需严格要求，有较高的热裂纹和晶粒粗大风险；
（5）焊接时保护不当或焊缝过热容易导致氧化。

本次焊接由于结构特殊，无法清理焊缝背面，所以需要单面焊双面成型。

这对保证背面焊缝与坡口熔合良好，有了更高的操作要求。

2、焊接工艺评定
根据电站的相关要求，本次焊接所采用的焊接工艺需按照美国机械工
程师协会（ASME）的《锅炉压力容器规范》进行焊接工艺评定试验。

工艺评定试件焊接完成后，对其进行MT和RT试验，检验结果表明焊缝100%合格。

对试件进一步进行力学性能试验，抗拉强度、V型缺口冲击吸收能和180度侧弯能满足相关技术要求，该工艺符合标准要求。

3、焊接工艺的实施
3.1、过渡层的焊接
由于G17CrMo9-10的硬化能力大、焊接接头塑性和韧性差，所需进行焊前预热以防止焊接裂纹的产生，但镍基材料焊接时却不需要预热。

为解决这一矛盾，本次焊接决定在G17CrMo9-10的坡口侧堆焊一层镍基过渡层。

首先对待焊过渡层的母材进行预热，预热温度选用150℃（见图1）。

焊接完成后，将焊缝缓慢冷却至常温，并按照ASME标准进行打磨。

3.3、层间温度的控制
由于镍基材料热裂纹敏感性高的特点，焊接过程中必须严格控制热输入和层间温度。

通过模拟件焊接实验可知（见表1），当层间温度为100℃至150℃时，焊缝成形最好。

因此，选用此温度作为层间温度的标准。

焊接过程中，实时通过红外测温枪，检测层间温度。

3.4、焊接质量的保证技术措施
对于镍基材料的焊接，在焊接过程中需采取特殊的工艺措施来保证焊接质量。

（1）严格清理工件表面的异物，对待焊部位及邻近母材进行打磨和抛光，使其呈现金属光泽，并用丙酮或PT清洗剂对打磨区域进行清洗，清洗后用干净的棉纱擦拭干净，以减少异物引起的焊缝裂纹和气孔缺陷；
（2）焊接需要单面焊接，双面成型，难以保证背面成型良好。

选用熔点较高的材料作为焊缝背面的垫圈，以帮助背面成型；
（3）氩弧焊时，每焊完一层及时用金属磨头打磨，并进行PT检测，如有缺陷需及时打磨和清除，重新焊接；
（4）焊接时需尽量使用较小的电流、电压，并选用合适的保护气体流量；
（5）收弧位置的焊缝应由金属磨头打磨去除，并经PT检测，以避免弧坑产生裂纹。

4、焊接质量检查
4.1、目视检查
在焊接完成后，由具有目视二级检测资质的目视人员对焊缝的正面和背面进行目视检查，未发现如夹渣、咬边、未完全熔合和焊缝氧化等任何缺陷。

通过检查喷嘴直径，变形量在3mm以内，满足要求。

4.2、无损检测
根据NB/T 47013.5-2015的规定，对焊缝进行了射线检测，结果为100%合格。

5、结论
在电站的日常运行与维护中，焊接组装往往是设备维修与改造的最后一道工序，也是对质量影响较大的一道工序。

如果处理不当，将直接影响整个设备的使用性能甚至运行安全，因此需严格控制焊接工艺。

通过焊接工艺评定试验、模拟件焊接的力学性能测试以及正式设备焊后的无损检测结果表明，按照上述焊接工艺实施焊接，焊缝满足各类技术要求，设备达到预期使用性能。

使用ERNiCrFe-3焊丝，通过预制镍基过渡层的方式，实现了G17CrMo9-10和06Cr18Ni11Ti的异种材料的焊接，该方法有效地解决了异种材料间，对预热需求不同的问题。

该工艺科学合理，可用于指导实际生产需求。

参考文献
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