CN102554402B - 大管径厚管壁核工艺管道焊接及热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大管径厚管壁核工艺管道焊接及热处理工艺，该焊接及热处理工艺可以适用大管径厚管壁的焊接和热处理，利用该焊接及热处理工艺焊接后的管材的焊缝质量稳定可靠，完全满足核工艺的质量要求。

Description

大管径厚管壁核工艺管道焊接及热处理工艺

技术领域

发明涉及一种焊接及热处理工艺，特别是指一种大管径厚管壁核工艺管道焊接及热处理工艺。

背景技术

目前对于核工艺管道的焊接及热处理技术难度非常大，质量要求高，特别是大管径厚管壁的核工艺管道的技术难度更大，工艺复杂，高温环境操作，焊接连续作业，工作周期长。这些特点，使得常规焊接方法和工艺无法完成正常的焊接工作。

发明内容

发明所要解决的技术问题是：提供一种大管径厚管壁核工艺管道焊接及热处理工艺，该焊接及热处理工艺在处理大管径厚管壁时焊缝质量稳定可靠。

为解决上述技术问题，发明的技术方案是：一种大管径厚管壁核工艺管道焊接及热处理工艺，包括以下步骤：

A、焊前准备，包括以下分步骤：

a1)确定焊接及热处理的执行标准；

a2)检查管材的规格、牌号、焊材规格、牌号及气体是否符合标准；

a3)选择工具；

a4)工具的验收检查；

a5)对需焊接的两管材的切口端面加工坡口，该坡口为U形坡口，所述坡口面与竖直方向的夹角为20±2.5°，所述坡口根部的圆弧半径为5mm，钝边为1-2mm；

a6)将坡口面内外表面20mm范围内杂物清除干净，露出金属光泽；

B、将需要焊接的两管材进行组对，包括以下分步骤：b1)确认组对用的工装卡具、点固块与管材材质相同或相同组别；b2)将两管材水平组对，组对间隙为1-4mm且均匀，组对完成的焊口内外壁允许偏差如下：

管内壁允许偏差：壁厚/20+1mm，最大不能超过为3mm；

管外壁允许偏差：壁厚/10+2mm，最大不能超过8mm；

C、将两管材进行手工氩弧焊点固焊，采用点固块装配，包括以下分步骤：

c1)将整条环焊缝圆周均匀分为12等分，钟点位置的3、6、9、12位置不设置点固块，八个点固块布置在1、2、4、5、7、8、10、11点位置；

c2)将点固块放入坡口之间，点固角焊缝满焊，点固角焊缝单面长度大于20mm、厚度大于3mm；

c3)检查点固焊的质量；

D、焊前预热，包括以下分步骤；

d1)将两热电偶分别固定在管材6点和12点位置，热电偶测量端距离焊缝坡口外边缘30mm-50mm；

d2)两热电偶外包裹电加热带，热电偶测量端距离电加热带边缘0-5mm，外由保温棉包裹捆扎，两热电偶测量端之间100mm-140mm为焊缝及飞溅区域，用保温棉带进行封堵；

d3)通电预热，用数显点温计定时测量坡口面温度，控制坡口面的预热温度在125℃-250℃范围；

d4)预热符合要求后，将保温棉带拆除；

E、手工钨极氩弧焊打底焊，采用分段对称施焊；

e1)确定分段对称焊接顺序和起弧位置：第一组焊接顺序；按照钟点位置6→5、11→12；3→2、8→9；6→7、1→12；4→3、9→10；的顺序焊接；其中6→5、11→12为一对对称焊段，3→2、8→9为一对对称焊段，6→7、1→12为一对对称焊段，4→3、9→10为一对对称焊段；以焊接方向为前进方向；焊接6→5、6→7，3→2，9→10时分别从6、6、3、9点的前10mm起弧，然后分别折回6点、6点、3点、9点的后10-20mm起焊；焊接11→12、4→3、1→12、8→9时分别从11、4、1、8点位置的点固块前20mm起弧，然后分别折回到11、4、1、8点位置的点固块前10mm位置起焊，直至过了12、3、12、9位置后收弧；

e2)第二组焊接顺序：按照7→8、2→1；5→4、10→11顺序焊接；其中5→4、10→11为一对称焊段，7→8、2→1为一对称焊段；焊接每一焊段时，先将该焊段两端的点固块打磨清除，焊疤打磨至与坡口面平齐，然后从该焊段起始钟点前10mm位置起弧，然后向后折回至后方焊段与焊缝接头后起焊，然后再向前行走至前方焊段与焊缝接头后收弧；

e3)打底焊道共焊2层，每层1道，焊丝选用φ1.6或φ2.4，线性焊道，焊炬摆宽不超过焊丝直径的3倍，焊缝背面相对于管材内壁余高小于3mm，层间温度在125℃-250℃范围；

F、手弧焊填充盖面：采用线性焊道、对称焊，焊炬摆宽不超过焊丝直径的3倍，层间温度在125℃-250℃；焊条选用φ3.2或φ4.0，使用φ3.2焊条时，每层厚度在4-5mm，使用φ4.0焊条时，每层厚度在5-8mm；焊缝表面余高小于2.5mm；

G、后热，包括以下分步骤；

g1)焊接完成后，立即用保温棉带将焊缝包紧并绑紧；

g2)按照工艺规程所规定进行后热处理，保温时间至少为1小时，并实时监控；

g3)保温时间到达规定后停止供电，冷却后，拆除保温棉、保温面带、电加热带及热电偶；

H、打磨清除焊缝两边所有的缺陷，保证焊缝必须与管材外周面平滑过渡；

I、消除应力热处理，包括以下分步骤；

i1)将两热电偶分别对应不同颜色和编号；

i2)将两热电偶分别固定在管材外周面6点和12点位置，热电偶测量端置于焊缝外表面中心；

i3)将电加热带以焊缝为中心线包裹在焊缝外，外面再用保温棉包裹捆扎，加热总宽度大于50mm；

i4)通电加热，热处理温度为595-625℃，保温时间90±10min，加热速度和冷却速度不超过110℃/h；

i5)根据热电偶测试的温度通过记录仪同步生成温度-时间曲线；

J、清除焊缝表面氧化皮及浮灰。

作为一种优选的方案，步骤F手弧焊填充盖面的焊接顺序、起弧收弧位置与打底焊相同。

采用了上述技术方案后，发明的效果是：该焊接及热处理工艺中，将管材分成12段，采用手工钨极氩弧焊打底焊和手弧焊填充盖面，并对称焊，因此，焊接时可以分组完成，焊接每段后可更换人员，确保连续施焊，降低焊工的劳动强度的同时也减小了焊接变形和裂纹倾向，保证了焊接质量，并且通过合理的控制焊接和热处理工艺参数，使焊缝质量符合核工艺管道无损检验及各项理化检验指标的要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

图1是发明实施例的管材组对后的坡口处的局部轴向结构剖视图；

图2是发明实施例的管材焊接后的坡口处的局部轴向结构剖视图；

图3是发明实施例的管材焊缝圆周均匀分示意图；

图4是发明实施例的管材点固焊示意图；

图5是发明实施例的焊前预热的示意图；

图6是发明实施例的热处理工艺热电偶布置图；

附图中：1.管材；101.钝边；2.坡口；3.打底焊；4.填充盖面；5.点固块；6.点固角焊缝；7.热电偶；8.电加热带；9.保温棉；10.保温棉带；11.焊缝。

具体实施方式

下面通过具体实施例对发明作进一步的详细描述。

本发明中所称的大管径厚管壁一般是指直径大于114mm，壁厚为20-46mm的管材1。

一种大管径厚管壁核工艺管道焊接及热处理工艺，包括以下步骤：

A、焊前准备，包括以下分步骤：

a1)确定焊接及热处理的执行标准；本实施例中执行标准为：《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》(RCC-M2000、RCC-M2002补遗)；

a2)检查管材1的规格、牌号、焊材规格、牌号及气体是否符合标准；本实施例中以P280GHφ812.8×46mm的管材1为例，表1记录了该规格管材1的工艺参数；

类型	牌号	规格	执行标准
				碳钢药皮焊条	E7018S	φ3.2	AWS A5.1
碳钢实芯焊丝	ER 70S-3	φ1.6	AWS A5.18
				氩气	Ar	99.99％	GB/T10624-1995

表1

a3)选择工具；需用的焊接设备有：逆变直流氩弧/手弧焊机WS-400E或同类型弧焊电源、氩气减压表、焊条烘干箱、焊条保温桶、热处理设备TCS-1或同类型设备、热电偶7、点温计以及坡口2加工设备、无损和理化检验设备等。

要求逆变直流氩弧/手弧焊机WS-400E的电流表、电压表及氩气减压表及上述相应设备已经过标定，且在标定有效期内。

需用的工机具主要有：角向磨光机、钢丝刷、半圆锉、手电筒、焊缝11检查尺、丙酮、棉纱及劳保用品、保温棉9、保温棉带10。

a4)工具的验收检查；检查氩气纯度是否为99.99％，检查氩弧焊炬用的焊丝表面是否清洁，管材1、氩弧焊炬用的焊丝理化参数的验收检查是否合格；

a5)对需焊接的两管材1的切口端面加工坡口2，如图1所示，该坡口2为U形坡口2，所述坡口面与竖直方向的夹角为20±2.5°，所述坡口2根部的圆弧半径为5mm，钝边101为1-2mm；

a6)将坡口面内外表面20mm范围的油、锈、氧化皮等杂物清除干净杂物清除干净，露出金属光泽，必要时可用丙酮擦洗，露出金属光泽；

B、将需要焊接的两管材1进行组对，如图1所示，包括以下分步骤：b1)确认组对用的工装卡具、点固块5与管材1材质相同或相同组别，以防止接触腐蚀；b2)将两管材1水平组对，组对间隙为1-4mm且均匀，组对完成的焊口内外壁允许偏差如下：

管内壁允许偏差：壁厚/20+1mm，最大不能超过为3mm；

管外壁允许偏差：壁厚/10+2mm，最大不能超过8mm；

C、将两管材1进行手工氩弧焊点固焊，采用点固块5装配，包括以下分步骤：

c1)将整条环焊缝11圆周均匀分为12等分，如图3所示，钟点位置的3、6、9、12位置不设置点固块5，八个点固块5布置在1、2、4、5、7、8、10、11点位置；

c2)如图4所示，将点固块5放入坡口2之间，点固角焊缝6满焊，点固角焊缝6单面长度大于20mm、厚度大于3mm；

c3)检查点固焊的质量，质量不合格需要打磨掉，重新点固；

D、焊前预热，如图5所示，焊前预热的目的是为了减小焊接应力，降低焊缝11产生裂纹倾向，管段一端封堵以避免穿堂风产生温度梯度；包括以下分步骤；

d1)将两热电偶7分别固定在管材16点和12点位置，热电偶7测量端距离焊缝11坡口2外边缘30mm-50mm；

d2)两热电偶7外包裹电加热带8，热电偶7测量端距离电加热带8边缘0-5mm，外由保温棉9包裹捆扎，两热电偶7测量端之间100mm-140mm为焊缝11及飞溅区域，用保温棉带10进行封堵；

d3)通电预热，用数显点温计定时测量坡口面温度，控制坡口面的预热温度在125℃-250℃范围；预热控制台显示的温度值通常比坡口面的测量温度值高。这是因为数显点温计测量的坡口面温度是通过电加热带8下面金属传递过来的，所以电加热带8下面金属被加热的温度也就是热电偶7测量的温度大于数显点温计测量的坡口面温度。

d4)预热符合要求后，将保温棉带拆除，可以进行下一步的焊接工作。

E、手工钨极氩弧焊打底焊3，采用分段对称施焊；焊工分3组，每组2人，每次上场一组，对称施焊。

e1)确定分段对称焊接顺序和起弧位置：第一组焊接顺序；按照钟点位置6→5、11→12；3→2、8→9；6→7、1→12；4→3、9→10；的顺序焊接；其中6→5、11→12为一对对称焊段，3→2、8→9为一对对称焊段，6→7、1→12为一对对称焊段，4→3、9→10为一对对称焊段；以焊接方向为前进方向；焊接6→5、6→7，3→2，9→10时分别从6、6、3、9点的前10mm起弧，然后分别折回6点、6点、3点、9点的后10-20mm起焊；焊接11→12、4→3、1→12、8→9时分别从11、4、1、8点位置的点固块5前20mm起弧，然后分别折回到11、4、1、8点位置的点固块5前10mm位置起焊，直至过了12、3、12、9位置后收弧；本发明所述的钟点位置的前后均是沿预设的焊接走向设置的，如在焊接6→5这一焊段时，5点在6点前，7点在6点后，而在焊接6→7这一焊段时，则7点在6点前，5点在6点后；

e2)第二组焊接顺序：按照7→8、2→1；5→4、10→11顺序焊接；其中5→4、10→11为一对称焊段，7→8、2→1为一对称焊段；焊接每一焊段时，先将该焊段两端的点固块5清除打磨，然后从该焊段起始钟点前10mm位置起弧，然后向后折回至后方焊段与焊缝11接头后起焊，然后再向前行走至前方焊段与焊缝11接头后收弧；这样就将前后的焊段均连接成环焊缝；

e3)打底焊道共焊2层，每层1道，焊丝选用φ1.6或φ2.4，线性焊道，焊炬摆宽不超过焊丝直径的3倍，焊缝背面相对于管材1内壁余高小于3mm，层间温度在125℃-250℃范围；这样减小焊接应力，相对于摆动焊道焊缝11窄，行走速度快，热输入小，热应力小，变形小。焊缝11背面相对于管材1内壁余高小于3mm，层间温度在125℃-250℃范围；质检人员仔细观察焊接过程中的焊接变形，如果出现轴线不直，可由焊工在焊接过程中，采取合理的焊接反变形原理进行校正。打底层焊缝11的质量对整条焊缝11的质量起着至关重要的作用。每段焊缝11完成后，必须检查根部成型质量，接头质量，对于发现的内咬边、内凹、焊瘤、内部余高过高等缺陷，及时打磨清除。打底焊3缝施焊时，每组焊完一端焊段后，换下一组上场接替施焊。

F、手弧焊填充盖面4，如图2所示：采用线性焊道、对称焊，手弧焊填充盖面4的焊接顺序、起弧收弧位置与打底焊3相同。焊炬摆宽不超过焊丝直径的3倍，层间温度在125℃-250℃；焊条选用φ3.2或φ4.0，使用φ3.2焊条时，每层厚度在4-5mm，使用φ4.0焊条时，每层厚度在5-8mm；焊缝11表面余高小于2.5mm；多层多道焊层间接头要错开。焊接过程中应对每道焊缝11进行外观检查，发现缺陷及时清除。打磨清除缺陷时应小心进行，以避免出现过热。焊道表面应是连续的，厚度均匀，并与邻近焊道的表面均匀过渡。焊接操作应避免在恶劣的气候条件下进行。环境温度保持在+5℃以上。工作场所设置屏风，以减少影响电弧稳定的对流风。焊条应按要求进行过烘干保温处理，以避免焊接过程中产生气孔等缺陷。

至此，表2为打底焊3和填充盖面4的工艺参数表：

表2

G、后热，后热处理有利于熔敷金属的氢扩散，降低因氢聚集而产生冷裂纹的倾向。另外，为了准确的控制焊缝11消除应力热处理步骤，保证焊缝11温度数据采集准确，也需要将热电偶7和电加热带8重新布置，所以，后热是焊缝11消除应力热处理之前必要的步骤；包括以下分步骤；

g1)焊接完成后，立即用保温棉带10将焊缝11包紧并绑紧；

g2)按照工艺规程所规定进行后热处理，保温时间至少为1小时，并实时监控；

g3)保温时间到达规定后停止供电，冷却后，拆除保温棉9、保温面带、电加热带8及热电偶7；后热处理的焊缝11不能放在空气对流的地方，以避免产生不利的温度梯度。

H、打磨清除焊缝11两边所有的缺陷，清除可见的咬边、飞溅、过高的余高等，保证焊缝11必须与管材1外周面平滑过渡；

I、消除应力热处理，包括以下分步骤；

i1)将两热电偶7分别对应不同颜色和编号；

i2)将两热电偶7分别固定在管材1外周面6点和12点位置，热电偶7测量端置于焊缝11外表面中心，如图6所示，以便准确测量焊缝11的温度；

i3)将电加热带8以焊缝11为中心线包裹在焊缝11外，外面再用保温棉9包裹捆扎，加热总宽度大于50mm；保温材料的包扎和固定后，四周环境应有一定的散热空间，以利于均匀散热，这样可以更好的控制降温曲线的形状。

i4)通电加热，热处理温度为595-625℃，保温时间90±10min，为了防止变形和热应力，加热速度和冷却速度应足够缓慢，加热速度和冷却速度不超过110℃/h；

i5)根据热电偶7测试的温度通过记录仪同步生成温度-时间曲线；

消除应力热处理规范工艺参数如表3。

表3

在消除应力热处理期间，严格控制加热速度、温度、保温时间及冷却速度。热处理设备使用标准坐标纸对温度时间曲线连续自动记录。热处理记录曲线必须是连续的，均匀的，不得有掉线显示。热处理完成后，由热处理操作人员在曲线图上标出加热冷却速度、温度、保温时间、热处理报告编号及对应的曲线颜色及走纸速率等信息，同时发布热处理报告。

J、清除焊缝11表面氧化皮及浮灰。

Claims (2)

1. 大管径厚管壁核工艺管道焊接及热处理工艺，包括以下步骤：

A、焊前准备，包括以下分步骤：

a1）确定焊接及热处理的执行标准；

a2）检查管材的规格、牌号、焊材规格、牌号及气体是否符合标准；

a3）选择工具；

a4）工具的验收检查；

a5）对需焊接的两管材的切口端面加工坡口，该坡口为U形坡口，所述坡口面与竖直方向的夹角为20±2.5°，所述坡口根部的圆弧半径为5mm，钝边为1-2mm；

a6）将坡口面内外表面20mm范围内杂物清除干净，露出金属光泽；

B、将需要焊接的两管材进行组对，包括以下分步骤：b1）确认组对用的工装卡具、点固块与管材材质相同或相同组别；b2）将两管材水平组对，组对间隙为1-4mm且均匀，组对完成的焊口内外壁允许偏差如下：

管内壁允许偏差：壁厚/20+1mm, 最大不能超过为3mm；

管外壁允许偏差：壁厚/10+2mm，最大不能超过8mm；

C、将两管材进行手工氩弧焊点固焊，采用点固块装配，包括以下分步骤：

c1）将整条环焊缝圆周均匀分为12等分，钟点位置的3、6、9、12位置不设置点固块，八个点固块布置在1、2、4、5、7、8、10、11点位置；

c2）将点固块放入坡口之间，点固角焊缝满焊，点固角焊缝单面长度大于20mm、厚度大于3mm；

c3）检查点固焊的质量；

D、焊前预热，包括以下分步骤；

d1）将两热电偶分别固定在管材6点和12点位置，热电偶测量端距离焊缝坡口外边缘30mm-50mm；

d2）两热电偶外包裹电加热带，热电偶测量端距离电加热带边缘0-5mm，外由保温棉包裹捆扎，两热电偶测量端之间100mm-140mm为焊缝及飞溅区域，用保温棉带进行封堵；

d3） 通电预热，用数显点温计定时测量坡口面温度，控制坡口面的预热温度在125℃-250℃范围；

d4）预热符合要求后，将保温棉带拆除；

E、手工钨极氩弧焊打底焊，采用分段对称施焊；

e1）确定分段对称焊接顺序和起弧位置：第一组焊接顺序；按照钟点位置6→5、11→12；3→2、8→9；6→7、1→12；4→3、9→10；的顺序焊接；其中6→5、11→12为一对对称焊段，3→2、8→9为一对对称焊段，6→7、1→12为一对对称焊段，4→3、9→10为一对对称焊段；以焊接方向为前进方向；焊接6→5、6→7，3→2，9→10时分别从6、6、3、9点的前10mm起弧，然后分别折回6点、6点、3点、9点的后10-20mm起焊；焊接11→12、4→3、1→12、8→9时分别从11、4、1、8点位置的点固块前20mm起弧，然后分别折回到11、4、1、8点位置的点固块前10mm位置起焊，直至过了12、3、12、9位置后收弧；

e2）第二组焊接顺序：按照7→8、2→1；5→4、10→11顺序焊接；其中5→4、10→11为一对称焊段，7→8、2→1为一对称焊段；焊接每一焊段时，先将该焊段两端的点固块打磨清除，焊疤打磨至与坡口面平齐，然后从该焊段起始钟点前10mm位置起弧，然后向后折回至后方焊段与焊缝接头后起焊，然后再向前行走至前方焊段与焊缝接头后收弧；

e3）打底焊道共焊2层，每层1道，焊丝选用φ1.6或φ2.4，线性焊道，焊炬摆宽不超过焊丝直径的3倍，焊缝背面相对于管材内壁余高小于3mm，层间温度在125℃—250℃范围；

F、手弧焊填充盖面：采用线性焊道、对称焊，焊炬摆宽不超过焊丝直径的3倍，层间温度在125℃—250℃；焊条选用φ3.2或φ4.0，使用φ3.2焊条时，每层厚度在4-5mm，使用φ4.0焊条时，每层厚度在5-8mm；焊缝表面余高小于2.5mm；

G、后热，包括以下分步骤；

g1）焊接完成后，立即用保温棉带将焊缝包紧并绑紧；

g2）按照工艺规程所规定进行后热处理，保温时间至少为1小时，并实时监控；

g3）保温时间到达规定后停止供电，冷却后，拆除保温棉、保温面带、电加热带及热电偶；

H、打磨清除焊缝两边所有的缺陷，保证焊缝必须与管材外周面平滑过渡；

I、消除应力热处理，包括以下分步骤；

i1）将两热电偶分别对应不同颜色和编号；

i2）将两热电偶分别固定在管材外周面6点和12点位置，热电偶测量端置于焊缝外表面中心；

i3）将电加热带以焊缝为中心线包裹在焊缝外，外面再用保温棉包裹捆扎，加热总宽度大于50mm；

i4）通电加热，热处理温度为595-625℃，保温时间90±10min，加热速度和冷却速度不超过110 ℃／h；

i5）根据热电偶测试的温度通过记录仪同步生成温度-时间曲线； 

J、清除焊缝表面氧化皮及浮灰。

2.如权利要求1所述的大管径厚管壁核工艺管道焊接及热处理工艺，其特征在于步骤F手弧焊填充盖面的焊接顺序、起弧收弧位置与打底焊相同。

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