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电站压力钢管施工焊接线能量


电站压力钢管施工焊接线能量(热输入)控制的讨论
陈奎昌 内容摘要:正火钢、控轧钢、调质钢的焊接已被广泛地用于压力钢管制作,对于这些
钢的焊接接头质量控制,不但要求焊缝质量经过射线 RT 拍片或超声波 UT 探伤合格,还 要保证热影响区的组织不被严重破坏。 我们都知道, 钢材加热至 1100℃以上奥氏体晶粒 将迅速涨大。 这些粗大的奥体冷却后会产生一种既无强度也

无韧性的岛状马式体或上贝 茵体组织。而焊缝热影响区中的过热区温度在 1100℃-1300℃之间,控制焊接线能量就 是控制过热区的高温停留时间和 T8/5 冷却速度,防止脆性组织的出现,保证接头的强 度和韧性。

电站压力钢管用材,在 60 年代以前主要是以低碳钢 Q235 为代表的低 碳钢,该钢种热敏感性不大,一般不需要作焊接线能量控制。60 年代以后 出现了以 16MnQ345 为代表的普低钢,它是在低碳钢基础上加入少量 Mn(≤ 1.8%)而形成的一个新钢种,以上两种钢大多是热轧成型后直接供货(偶 有少量普低钢有正火后供货的现象) ,都不需要特别控制焊接线能量,只有 板厚超过一定尺寸后要求通过试验测定其焊接线能量有效范围并加以控制 (见压力钢管制造安装及验收规范 DL5017-93 版 6.3.15 条) 。所以长期以 来焊工基本上没有控制焊接线能量的概念。不管多大的坡口一概采用多层 单道焊,从不限制焊条的摆动宽度,特别是最后几层和盖面层一律单道完 成。用焊工的话说:好控制、好焊、好看。 60 年代以后普低钢被广泛应用,由于普低钢有一定的淬硬性,冷裂纹 的问题引起广泛重视,特别是厚钢板,而防止冷裂的有效措施除了预热以 外加大焊接线能量也有一定作用,所以焊工爱用大电流、慢速度、大焊接 线能量。

随着电站建设规模的扩大,高水头电站的问世,低碳钢、普低钢已满 足不了设计要求。高强度的正火钢、调质钢、控轧钢相继被采用。80 年代 以后,十三陵抽水蓄能电站、鲁布革电站、龚嘴电站、天荒坪电站、天生 桥电站、三峡工程水电站等的压力钢管先后选用了 60 公斤级 80 公斤级的 调质钢。特别是低碳调质钢,有着很好的力学性能,如十三陵抽水蓄能电 站采用的 WEL-TEN80A 钢,其抗拉强度 Rm 达 850MPa,-40℃的 AKV 高达 150 (J) , Z 向拉伸试验的断面收缩率 55% ;三峡工程水电站压力钢管选用 NK-HITEN60U2 钢,其抗拉强度 Rm 达 640MPa,-40℃的 AKV 高达 300 多(J) 。 这么好的力学性能是靠调质处理——淬火+高温回火,获得的回火马式体和 下贝氏体等组织来保证的。要知道他们的高温回火温度一般是 590-640℃。 而焊接接头的热影响区中的熔合线、过热区的温度都大大超过了这一温度 区域,这就给焊接施工带来了新问题。长期以来对于低碳钢、普低钢材料 的焊接施工,我们的着眼点主要是焊缝,只要焊缝的 RT.UT 等检查合格就 行了。现在不行了,对于调质状态供货的钢材,不仅要保证焊缝质量合格, 还要保证热影响区的组织不出现不可接受的岛状马式体 M-A、 上贝茵体等既 没有强度又没有韧性的组织。所以焊接电弧在单位焊缝长度上停留的时间 就必须控制,不能在过热区(1100-1300℃)长时间停留,以防止奥式体晶 粒严重涨大,冷却后产生上述不可接受的组织。所谓的调质钢焊接施工中 焊接线能量的控制问题就成为一个关键的点。现以三峡工程电站压力钢管 焊接施工为例,来认识一下调质钢焊接施工中线能量控制的重要性。钢管 用材为 NK-HITEN60U2,其概况如下:板厚 60mm,化学成分见表 1,机械性能 见表 2,碳当量 Ceq=0.35%,冷裂纹敏性系数 Pcm=0.185%,可见这是一种具

有优良焊接性的钢。
表1、NK-HITEN610U2化学成份(%) C 设计 要求 实测 值 ≤ 0.09 Si 0.15 ~ 0.40 0.15 ~ 0.17 Mn 1.20 ~ 1.60 1.22 ~ 1.33 P ≤ 0.03 < 0.006 S ≤ 0.02 < 0.005 Ni ≤ 0.30 0.22 ~ 0.24 Cr 0.10 ~ 0.30 0.24 Mo 0.10 ~ 0.30 0.13 ~ 0.16 0.23 0.04 Cu V Ceq ≤ 0.42 Pcm ≤ 0.20

0.06

0.35

0.185

表2、NK-HITEN610U2机械性能 取样 位置 设计 要求 实测 值 实测 值 1/4 厚度 t=34 t=60 б s MPa 490 576 534 б b MPa 610 740 664 635 δ 5 % ≥20 24.3 25.6 冷弯性能 d=3a 1800 完好 完好 完好 冲击韧性(J)

-40℃
平均值 ≥40 单个值 ≥28

应变时效后 平均值 ≥47 单个值 ≥33

331、320、330 327 324、311、334 323

312、303、316 310 309、240、315 288

日本 NKK 公司通过严密的焊接性试验得出该钢种施工的焊接线能量按 ≤40KJ/cm 控制。对 50mm 厚的板材,当焊接线能量为 45KJ/cm 时,我们看 到其熔合线附近的-40℃韧性平均值只有 61(J)见表 3。此外焊接热影区 的脆性转变温度也会随焊接线能量的上升而上升。由图 1 看出 HT590 钢, 当线能量上升至 70KJ/cm 时,vT′s 可能接近 0℃了,这是很危险的。

表3、V形缺口夏氏冲击试验结果(SMAW)
钢板 厚度 (mm) 线能量 (kJ/cm) 缺口 部位 A W S R

vE-40(J)

vE-40(J)

B

50

45

W

61,50,52 (54)

34,50,44 (43)

B B2

74,61,49 (61) 169,113,100 (128)
HT780

64,79,93 (78) 172,202,192 (188)

脆性转变温度 (℃)

20 0 -20 -40 -60 10

HT590 HT490

20

30

40 50

70

100

200

300

焊接线能量(kJ/cm)

图-1 590N、780N 钢输入焊接热与受热影响部位韧性之间的关系例子

通过以上数据分析可以看出,焊接线能量对调质钢的焊接确实是一个 非常重要的参数。

现在再来谈谈正火钢和控轧钢焊接施工线能量的控制问题。 国产钢在 16Mn 的基础上加入了少量合金元素 V、Ti 等,可达到细化晶 粒和沉淀强化的目的。这种钢常通过正火来稳定组织变化,它的机理是这 些合金元素能以细小的化合物质点的形式从固溶体中沉淀析出,起到细化 晶粒的作用,保证了钢的韧性,提高了钢的强度,其屈服极限 Rel 一般在 343-490MPa 之间,Q390 就是比较有代表性的钢种。 控轧钢是加入少量微合金元素 Mo、V、Ti。控制终轧温度和轧制强度的 一个新钢种,它比正火钢有着更细的晶粒和更高的强度与韧性。 正火钢和控轧钢的晶粒度一般在 8 级以上,它的淬硬性也比普低钢要 高,所以它们的焊接施工也要控制热影区高温停留的时间,以防止晶粒粗 化,因此也要严格控制焊接线能量和控制 T8/5。

由上所述可以看出,对于在正火、控轧、调质状态下供货的钢材的焊 接,焊缝过热区的高温停留时间和 T8/5 要严格限制,这只能通过控制焊接 线能量来实现,这是一个尚未被广大焊接工作者接受的新概念。如某些电 站等选用了 60 公斤级 80 公斤级的调质钢,可是焊接施工仍按普低钢的工 艺进行,包括三峡工程水电站压力钢管,99 年以前的焊接工艺也是不合适 的。所以我要在说一遍:以上钢种的焊接,在保证焊缝质量的同时还要保 证热影响区的质量——严格控制焊接线能量。 如何控制焊接线能量? 焊接线能量的计算公式很简单: E=IU/V E:线能量(J) I:电弧电流(A) ; U:电弧电压(V) V:焊接速度(cm/秒) 施工中可以通过测算求得焊接线能量的数值而加以限制,也可以通过 限制一根焊条的施焊焊缝长度来实现。如 ?4 的焊条,立向上焊,电弧电流 一般是 160A,电弧电压 24V,一般一根焊条的熔化时间是 85 秒,当限制线 能量为 40KJ 时,按上述公式计算: 40000J=160×24×85/X X 是一根焊条施焊焊缝长度 cm

X=160×24×85/40000≈8cm 一根焊条施焊焊缝长度不可小于 8cm。 有些规范上规定了焊条运条摆动宽度(如≤2d,d 是焊条直径) ,其目 的也是限制每根焊条施焊焊缝长度,这就限制了厚板焊接的多层单道习惯。

这里最后说一句,横焊时一般不会用大线能量,但也不可太小,一般按≥ 15KJ/cm 控制,因为太小了会出淬硬组织,特别是冬季施工。 以上意见希望得到焊接同行们、电焊工们的认同。


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