800H与T22换热管装焊质量控制研究.pdf
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1、CFHI2024年 第2期(总218期)热加工CFHI TECHNOLOGY换热管是高温气冷堆蒸汽发生器最核心部件,作为一道屏障防止一回路的冷却剂和放射性物质释放到二回路,保证一回路压力边界的完整性,决定着蒸汽发生器的使用寿命。换热管制造在蒸汽发生器制造的关键路径上,直接影响蒸汽发生器的制造周期,而蒸汽发生器是高温气冷堆制造周期最长的设备,所以直接影响高温气冷堆的建设周期。如何控制换热管的装焊质量是高温气冷堆蒸汽发生器制造的关键问题,也是高温气冷堆制造的关键问题。换热管的管-管对接焊是高温气冷堆蒸汽发生器特有结构,在已建核电站其它成熟堆型蒸汽发生器中使用较少,核电领域类似小直径管对接焊可借鉴经
2、验较少。换热管对接焊存在换热管材料800H可焊性较差、800H和T22异种钢焊接、换热管空间结构复杂、装焊作业空间小及焊接精度要求高,对接焊缝(双侧)既不允许凹陷,也不能超出换热管表面(双侧)0.35 mm等技术难点,在焊接过程中极易产生内凹、通球不合格、夹渣、未熔合及裂纹等缺陷。1蒸汽发生器换热管结构每台高温气冷堆蒸汽发生器内有换热管 665根,每根换热管由蒸汽出口连接管、给水连接管及换热单元盘管3部分焊接而成,蒸汽出口连接管位于蒸汽发生器上部,长约5 m的空间弯曲结构,与换热单元盘管的高温段相连,给水连接管位于蒸汽发生器下部,为长约3 m的空间弯曲结构,与换热单元盘管的低温段相连。蒸 汽
3、出 口 连 接 管 材 质 为 800H,管 尺 寸 为19 mm3 mm。给水连接管材质为T22,管尺寸为19 mm3 mm。每台蒸汽发生器中有19组换热单元盘管,每组盘管由35根管组成,每根管由800H材质的高温段及 T22 材质的低温段焊接而成,800H段长约8 m,T22段长约55 m(见图1)。1.中核能源科技有限公司工程师,北京10009410.3969/j.issn.1673-3355.2024.02.008800H与T22换热管装焊质量控制研究刘运来1摘要:高温气冷堆蒸汽发生器换热管由Incoloy800H(800H)管和SA-213 T22(T22)管组焊而成,管程长,结构复
4、杂。为满足装焊质量,665根预弯制成形后在蒸汽发生器内装焊,装焊难度高。为减少焊接不合格率,分析换热管装焊难点及风险点,采取针对性控制措施保证装焊质量,对高温气冷堆蒸汽发生器换热管装焊提供指导。关键词:换热管;装焊;质量控制中图分类号:TM623文献标识码:B文章编号:1673-3355(2024)02-0008-04Research on Quality Control of Assembly Welding of 800H and T22 Heat Exchange TubesLiu YunlaiAbstract:Heat exchange tubes of high-temperatur
5、e gas-cooled reactor steam generator are assembly welded structure ofIncoloy800H(800H)and SA-213 T22(T22)tubes,with the characteristics of long tube length and complex structure.In orderto meet the quality requirement of assembly welding,655 pre-bent tubes are prepared for assembly welding in the st
6、eamgenerator,the welding work is very difficult.For the purpose of reducing welding failure,this study analyzes the difficulties andrisks of heat exchange tube assembly welding work,and takes corresponding control measures to ensure the quality of assemblywelding,so as to provide guidance on assembl
7、y welding of high-temperature gas-cooled reactor steam generator.Key words:Heat exchange tube;assembly welding;quality control252024年 第2期(总218期)CFHI热加工一重技术蒸汽出口连接管与换热单元盘管的高温段焊接相连,采用带熔化环的TIG焊,熔化环的材质为IN82(见图2)。2换热管装焊质量控制难点分析2.1材料焊接难点分析(1)800H合金焊接风险热裂纹敏感性高温气冷堆蒸汽发生器换热管用 800H合金的显微组织为奥氏体组织1(见图3),在焊接过程中,由于奥
8、氏体柱状晶的方向性强,杂质元素如硫、磷在奥氏体中溶解度低,在凝固过程中产生偏析,在枝状晶间和凝固晶界面区域形成低熔点液体薄膜,在收缩应变和外部拘束下裂纹敏感性大大提高。且由于奥氏体不锈钢导热率低、线膨胀系数大,冷却时收缩应力大,所以热裂纹敏感性高。气孔敏感性800H合金密度大,熔池流动性较差。焊接过程中溶入高温熔池的氢气、氮气或焊接后期反应产生的一氧化碳等,在熔池凝固过程中由于温降导致溶解度降低,由于熔池流动性差,气体不能及时逸出,易产生气孔。(2)T22及800H合金焊接风险导热性及热膨胀系数差异较大T22 合金及800H合金的导热性及热膨胀系数差异较大,其中,800H合金热膨胀系数大,导热
9、率低,焊接过程中电弧热量不能及时有效传导,极易在焊缝周向出现热量集中,使换热管接头环向受热不均,出现局部焊缝凹陷,焊缝熔深前后不一致,无法保证焊缝成形质量。另外,由于材料热膨胀系数不匹配而产生的“自应力”集中在焊缝界面处时,可能因应力释放导致焊接接头产生裂纹。2T22侧产生淬硬组织由于T22合金化学成分中含有较高的Cr、Mo、Mn等元素(见表1),焊接图3800H合金金相图1与蒸汽出口连接管焊接;2悬挂肋板;3换热单元外筒;4承重条;5换热单元内筒;6第一层螺旋盘管;7第二层螺旋盘管;8第三层螺旋盘管;9第四层螺旋盘管;10第五层螺旋盘管;11换热单元底座;12与给水连接管焊接;13T22与8
10、00H管管对接焊图1换热单元盘管图2换热管接头形式图1800H换热管;2熔化环;3T22换热管C0.050.15Mn0.300.60P0.015S0.015Si0.50Cr1.902.60Mo0.871.13Co0.03Cu0.25Sn0.010Sb0.005As0.010表1T22合金的化学成分(wt.%)26CFHI2024年 第2期(总218期)热加工CFHI TECHNOLOGY时易在T22侧热影响区产生淬硬组织,熔合线附近硬度较高,导致T22侧熔合线附近出现裂纹的几率较高。3碳迁移T22合金及 800H合金能够影响碳活度的合金元素成分存在差异,造成焊缝两侧形成碳活度梯度,碳元素自发从
11、低合金侧向高合金侧迁移,在熔合边界形成窄的高硬度马氏体区,焊缝有产生裂纹的风险。2.2换热管结构导致焊接难点及风险(1)换热管内的铁屑及铁锈在焊前加工坡口时,虽已采取封堵措施,由于高温气冷堆每个机组有6台蒸汽发生器,每台蒸汽发生器有665根换热管,持续焊接时间长,导致疲劳及误操作,或取出封堵材料时均存在铁屑掉入换热管的风险,而由于换热管结构复杂且长度长,管内掉入铁屑难以清理干净。另外,位于蒸汽发生器下部的T22换热管易生锈,即便采取防锈措施,由于存放时间较长,T22换热管内壁仍难免生锈,在焊接过程中通背部保护气体时易将T22管内的铁锈及铁屑等杂物带入熔池中,产生未熔合、夹渣或气孔等缺陷。(2)
12、换热管装配错位T22和800H换热管在直径不足500 mm的空间内组焊,相邻两层管的理论距离仅 50 mm,800H换热管及T22换热管为螺旋盘管结构,在弯管过程中,由于制造和装配误差导致焊接空间更小,而适用焊枪最小回转半径为40 mm,装焊空间特别狭小,导致装配时管与管间容易错位,而消除错位采取强力装配方法易引起焊接未熔合、管壁内凹、管焊缝内侧凸起量超标等问题。2.3换热管焊缝技术要求导致的难点及风险换热管焊缝技术要求:换热管对接焊缝(双侧)不允许凹陷,也不能超出换热管表面(双侧)0.35 mm。为了检查管内侧焊缝的外凸量,可以利用通球试验检查,通球直径不得小于 12.3 mm。最大内凸0.
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