不锈钢复合板的焊接工艺附加评定方法

摘 要：沿用NB/T47014―2011《承压设备焊接工艺评定》中“焊接工艺附加评定”这一概念,根据不锈钢复合板的特性与焊接工艺特点,针对化学成分和晶间腐蚀敏感性两方面,围绕评定范围、评定条件、评定因素、评定规则、评定方法、试件形式与尺寸、检验要求与结果评定,提出了相应的焊接工艺附加评定方法.

关 键 词：不锈钢；复合板；晶间腐蚀敏感性；焊接工艺附加评定

中图分类号：TG442

0前言

在现行焊接工艺评定标准NB/T47014―2011《承压设备焊接工艺评定》中,焊接工艺评定主要是以焊接接头力学性能准则评定焊接工艺,只规定了针对焊接接头的力学性能、弯曲性能、堆焊层的化学成分、换热管与管板之间焊接接头剪切强度的评定方法.而对于不锈钢复合板的试件,有时还需要对其覆层的化学成分和晶间腐蚀敏感性等附加特性进行测定或检验,试件附加特性的影响因素与力学性能的影响因素是不相同的,而NB/T47014―2011《承压设备焊接工艺评定》等标准只规定了以力学性能为准则的评定规则及要求,但没有涉及到这方面的内容.

在JB4708―2000《钢制压力容器焊接工艺评定标准释义》的“二、标准原理”中提到：“当按照焊接接头力学性能准则评定焊接工艺时,如果产品有其他使用性能要求,则由焊接工艺人员按照理论知识和科学实验结果来选择条件并规定焊接工艺适用范围.”（虽然JB4708―2000标准已换版更新,但其评定思想未改变,判定准则依然未变.）

为此,施工单位还需要在锅炉压力容器监督检验机构的监检与帮助下,制定出专门对此的焊接工艺附加评定方法.依据NB/T47014―2011和GB/T21433―2008《不锈钢压力容器晶间腐蚀敏感性检验》,并结合其它相关标准规范,编写了下述方法,作为工程实践的探讨,对于不锈钢复合板焊接接头要求附加特性（在本方法中特指覆层的化学成分和晶间腐蚀敏感性）时,对焊接工艺附加评定的规则、评定方法、检验方法和结果评价等作出了明确规定.

1适用范围

本方法规定了不锈钢复合板制压力容器的对接焊缝和角焊缝、耐蚀堆焊焊接接头附加特性（在本方法中特指覆层的化学成分和晶间腐蚀敏感性）焊接工艺附加评定的规则、评定方法、检验方法和结果评价.不锈钢制压力容器可参照对于覆层的相应评定要求进行焊接工艺附加评定.

本方法所适用的不锈钢包括奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢,但不包括马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢.

2总则

不锈钢复合板制压力容器的设计文件中规定有其它特殊检验要求时（在本方法中特指覆层的化学成分测定和晶间腐蚀敏感性检验）,则必须在进行焊接工艺评定同时,增加焊接工艺附加评定；未规定有其它特殊要求时,则视为设计不要求,可只进行焊接工艺评定,不需进行焊接工艺附加评定.

不锈钢复合板制压力容器的焊接工艺附加评定,除遵守本方法规定外,还应符合压力容器产品相关标准、技术文件和设计文件的要求.

焊接工艺附加评定的评定方法,应根据产品结构特点及技术要求,按照NB/T47014―2011及其它相应标准、技术文件和设计文件制定,并取得有关质量监督部门的认可.

本方法中所提到基层和覆层焊缝金属厚度都以母材中基层和覆层各自厚度为准.

3附加评定因素

3.1影响覆层化学成分的因素

影响覆层化学成分的因素按照NB/T47014―2011中表16“各种焊接方法的堆焊工艺评定因素”的规定执行.

3.2影响覆层晶间腐蚀敏感性的因素

影响覆层晶间腐蚀敏感性的因素分重要因素、规则因素和次要因素,见表1.

4附加评定规则

4.1覆层化学成分附加评定规则

覆层化学成分附加评定规则按照NB/T47014―2011中“7耐蚀堆焊工艺评定”的规定执行.

以母材覆层厚度作为适用于焊件覆层的最小评定厚度,以试件覆层焊缝金属厚度作为适用于焊件覆层焊缝金属的最小评定厚度.

5评定方法

5.1分别评定

按照NB/T47014―2011的规定进行焊接工艺评定.依据对接焊缝试件评定合格的焊接工艺,编制焊接工艺附加评定的焊接工艺卡.

按本方法规定,对焊接工艺附加评定的焊接工艺卡进行附加评定.在保证焊接接头力学性能基础上,获得晶间腐蚀敏感性符合规定的焊接工艺.

5.2合并评定

在同一试件上将焊接工艺评定与焊接工艺附加评定合并进行.

焊接工艺评定规则应按NB/T47014―2011的规定；焊接工艺附加评定规则按照本方法中的规定执行.

6试件的形式与尺寸

焊接工艺附加评定采用对接焊缝全焊透试件,可采用单条焊缝、T字形焊缝或十字形交叉焊缝试件.试件的形式、数量与尺寸应当满足制备试样的要求,并应当符合NB/T47014―2011和GB/T21433―2008的规定,且应同时满足设计文件和相应试验标准的规定.试件形式与尺寸见图1.

试件焊缝断面形式如图2所示.

7.1外观检查

外观检查不得有裂纹.

7.2无损检测

无损检测（按JB/T4730）不得有裂纹,检测方法应采用射线检测和渗透检测.

7.3化学成分测定

板状试件在焊接接头长度方向中间位置,或力学性能试验和弯曲试验取样后的备用位置进行化学成分测定.

直接在覆层焊接接头焊态表面上进行测定,或从焊接接头表面制取屑片.测定部位应包括焊缝区、熔合区,各取一处.覆层熔敷金属的主要合金元素的含量不得低于覆层材料标准规定的下限值,并且同时满足设计文件的规定,若无规定时应当符合焊材标准要求.

7.4晶间腐蚀敏感性检验

覆层晶间腐蚀敏感性检验按照GB/T21433―2008的规定执行.

试样的截取与试样的数量、形式、尺寸、受检试样状态、加工方法、检验方法选择以及检验结果的评定应当符合GB/T21433―2008的规定,不锈钢晶间腐蚀试验方法应符合GB/T4334―2008《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》的要求,且应当同时满足设计文件和相应试验标准的规定.8结论

压力容器产品焊接的基础质量是焊接接头的使用性能和焊接缺陷,当进行不锈钢复合板焊接时,覆层的化学成分和金相组织是保证耐蚀性能的基础,只有通过相应的焊接工艺控制,才能保证焊接接头性能达到耐蚀要求.有了正确的评定方法,才能预防焊件产生不良的后果,就能很好地保障产品的焊接接头性能和质量.本方法以国家现行标准规范为依托,根据不锈钢复合板的特性与焊接工艺特点,针对化学成分和晶间腐蚀敏感性两方面,提出了焊接工艺附加评定方法,这也是对实践应用的探讨,希望能经得起实际工程的检验.

IX―2010[2]和AEB&PⅢSubsectionNF―2010[3].选用电弧焊方法,根据AE第九卷,工艺评定过程中的试验件、评定范围、检验和试验方法应遵循QW-450的要求,QW-253列出了影响工艺评定的因素,在工艺评定准备阶段重点分析影响力学性能的焊接条件的变化,要求完成后的工艺评定可完全覆盖SG架现场焊接的所有焊接接头,主要有以下几点：

（1）QW403.5材料组号.按照AE第九卷材料的分组,A588材料分组是P-No.3,组号是1.对于铁基材料,焊接工艺评定应使用和蒸汽发生器托架相同的P-No.和组号,方可覆盖托架母材的P-No.和组号,因此工艺评定材料选用A588Gr.B.

（2）QW403.6试件厚度的范围.评定的母材最小厚度为试件厚度或16mm,取两者中的最小值.托架母材最大厚度是101.6mm,结合QW451.1的要求,焊接试件厚度不少于38mm,那么可覆盖母材厚度最大值为200mm,则工艺评定所用母材厚度选用38mm,即可覆盖现场托架焊接,也可减少评定时熔敷金属量.（3）QW403.9对于单道焊或多道焊,其中任一焊道的厚度大于13mm,厚度的增加超过试件评定厚度的1.1倍.托架焊接采用多道多层焊,必须控制任一焊道的厚度不得大于13mm,不超过工艺评定的覆盖范围.

（4）QW404.4、QW404.5和QW404.12填充金属从某一F-No.、A或A-No.改变为另一F-No.、A或A-No.,或改变为AE中未列出的任何其它填充金属.为不改变填充金属的F-No.、A分类号和A-No,并根据A588的材料力学性能和化学成分,工艺评定所用材料可从现场库存的焊接材料中选择,填充材料选用E7018,E7018分组号为F-No.4,AE标准号为A-5.1,化学成分分类号为A-No.1,如表3～表4为ESAB生产的E7018焊条的化学成分和力学性能.

表3ESAB公司生产的E7018焊条主要化学成分（质量分数,%）CSiMnPSCrNiVMoCo0.0680.501.310.0110.0070.040.050.020.010.01

表4ESAB公司生产的E7018焊条的力学性能抗拉强度

Rm/MPa屈服强度

Rel/MPa断后伸长率

A（%）冲击吸收能量

（-10℃）Akv/J55444637145,153,130

（5）QW404.30焊缝熔敷金属厚度的变化超过工艺评定的厚度范围,则需重新评定.工艺评定的试件采用全熔透焊缝,保证工艺评定熔敷金属厚度可覆盖托架的厚度.

（6）QW406.3最大层间温度比工艺评定记录值高56℃,则评定不可覆盖托架的现场焊接.在工艺评定焊接过程中,须记录层间温度值,以限制SG托架焊接过程的层间温度.

（7）QW407.1P-No.3材料如果工艺评定改变焊后热处理条件,或不进行焊后热处理,则不可覆盖产品焊接.根据AE-NF-4622的要求,蒸汽发生器托架焊接需在595～675℃之间进行焊后热处理,则工艺评定试件焊后也须在此温度范围内进行热处理.

（8）QW407.2工艺评定试件在热处理温度下的累计时间不得少于产品所用时间的80%,但可在一次热循环中完成.SG托架厚度最大为101.6mm,焊后热处理的恒温时间根据AE-NF-4622.1规定不得少于2.5h,考虑到如果施工中出现返修,补焊后仍需要重新进行热处理.因此工艺评定试件焊后热处理恒温时间延长为5h,保证工艺评定热处理循环可覆盖托架焊接及返修工艺.

（9）QW409.1产品热输入的增加超过评定值,金属的力学性能产生变化.工艺评定过程的电特性应进行记录,计算热输入的最大值限制SG托架焊接过程的参数.

3主要施工工艺

3.1加设防焊接变形工装

SG托架现场安装的技术要求精确,角度变形值均不得超过±1°,焊接变形的控制必须非常严格.为防止焊接角变形,保证安装的精度,中部和下部SG托架焊接前加设工装进行刚性固定.SG托架工装由中部工装和侧部工装构成,如图2所示,在车间加工完坡口后加装中部工装包裹住托架,在核岛蒸汽发生器房间墙体上现场进行定位后,调整托架位置使其满足安装要求,再加装侧部工装,使托架牢固固定在测量定位的位置.图2SG托架墙体工装示意图3.2根部衬垫和引弧、息弧板

按照AE标准的要求,焊条电弧焊的全熔透焊缝必须在根部设置衬垫,这点和国内的焊接相关标准有所区别,国内标准允许焊条电弧焊单面焊双面成形.SG托架板与板之间的间距不到200mm,加设了工装后如果根部使用钢制衬垫,焊接完成后衬垫无法按设计要求磨除.现场进行根部焊接时,使用了陶制衬垫,既可保证根部焊缝质量,也可方便去除衬垫,满足了设计要求.

为避免引弧和收弧时的缺陷,现场在SG托架坡口上端和下端设置了引弧板和息弧板,将引弧时的焊缝端部和收弧时的弧坑引到焊件外.按照AE-NF要求,临时附件的焊接也必须经过工艺评定合格,材料与被焊材料相容,焊缝按NF-4620要求进行热处理.引弧板和息弧板材料选用A588Gr.B,在施工逻辑上需要注意引弧板和息弧板设置和磨除的时间点,在SG托架加热达到预热温度后,再定位焊引弧板和息弧板,焊接完成后整体进行热处理后再用机械方式磨除引弧板和息弧板.

3.3焊后热处理

为了消除由于焊接过程引起的残余内应力,托架焊后须按照AE-NF要求进行去应力退火热处理,需要注意的是焊后热处理必须在蒸汽发生器房间墙体自密实混凝土浇筑前进行,以避免对混凝土造成不利影响；焊缝每侧受控加热带的最小宽度应为焊缝或50mm两者中的较小值.表5是托架热处理的技术参数.

表5SG托架焊后热处理参数项目名称恒温温度T/℃恒温时间t/min425℃以上的加热和

冷却速率v/（℃h-1）焊缝两侧加热最小

宽度范围B/mm下部托架620±1015056110中部托架620±101358580上部托架620±106056504焊接缺陷的产生及原因分析

中部和下部SG托架焊接完成后,进行最终的无损检测,包括VT、UT和PT.在UT检测时,发现了线性缺陷,验收不合格,开列了不符合项NCR进行返修,耽误工期近20天.因此必须对返修的原因进行分析,防止托架的后续焊接出现缺陷,影响焊接质量,延误现场施工进度.以下是根据现场施工的全过程,从人员、材料、机具、规范标准等方面进行了原因分析,找出的SG托架焊接产生线性缺陷的重要影响因素.

4.1预热温度

按照批准的焊接工艺规程要求,托架焊接预热温度不得低于110℃,施工过程监控记录实际预热温度为120℃左右.托架母材厚度均超过60mm,且支架板长度最长为1.5m,预热温度接近下限值致使熔敷金属部位和近焊缝区母材温度梯度大,焊缝及母材散热过快,导致内应力加大,焊缝的淬硬倾向加大.A588Gr.B本身存在一定的裂纹敏感性,内应力过大致使焊缝产生内裂.4.2焊后处理

SG托架焊接由于熔敷金属填充量大,焊接周期长,难以连续不断地完成焊接.按照设计要求,SG托架根部焊缝必须进行PT检测,而PT检测需待焊缝冷却至50℃方可操作.这些因素都导致SG焊接过程不可避免地出现中断,在SG横向支撑焊接过程中断后和焊接完成后,也未有效采取保护措施,如消氢处理等.焊缝中扩散氢在焊接中断后由于焊缝快速冷却未能及时逸出,与此同时SG托架被防变形工装刚性固定,拘束应力较大,最终焊缝层间产生线性缺陷.

SG托架焊接完成后,为保证安装精度,在可执行的方案中要求复测,复测完成后再进行热处理,焊后和热处理存在较长的间歇期,焊缝中残余了较大的拘束应力,同样也存在导致焊缝层间被撕裂的风险.

5工艺改进

根据以上原因分析,后续的SG托架焊接改进了工艺措施,对施工工序重新进行了调整：

（1）提高预热温度.设定实际预热温度到最小180℃,增大加热宽度至150mm,并在SG托架两块支架板中间填塞保温材料,焊接全过程采用电脑控温型热处理设备进行跟踪恒温,以防止母材散热过快导致预热和层间温度偏低.

（2）增加消氢处理.根据NRC美国核管会导则RG1.5推荐的P-No.3材料消氢处理温度范围232～315℃,在根部焊接完成后和焊接工作中断间隙,将焊缝立即升温至265℃,恒温至少4h,从根本上消除扩散氢的影响,防止焊缝出现内裂.

（3）重新调整施工工序.在焊后先进行退火热处理,后进行SG托架位置的复测,及时消除焊缝中的残余应力,防止因残余应力产生内裂.

6结论

后续SG托架焊接通过改善工艺,提高预热温度、增加消氢处理和调整施工工序,有效地防止了焊接线性缺陷的产生,同时把工艺方法固化到程序中,程序化、标准化后续施工,为后续主设备的安装工作的顺利开展,奠定了坚实的基础.此外,对于类似A588的其它低合金钢在焊接时,也应把焊接工艺和安装工序作为整体进行考虑,针对现场实际施工特点,灵活调整施工工序,避免其它工序对焊接质量造成有害影响.