不锈钢换热管的加工生产工艺,核电设备用TP439换热管焊缝质量控制研究（一）

摘要：根据核电设备用TP439换热管的特殊要求和铁素体不锈钢的材料特性，分析了影响其焊缝质量的主要因素，包括焊接工艺、材料理化性能、钢材等。带材形貌和成型及质量保证体系，这些关键因素控制指标和技术对TP439换热管的焊缝形状、韧性、耐蚀性、焊区厚度和硬度均匀性非常重要，通过对这些因素的分析和研究，为批量生产保证和提高焊缝质量提供了理论依据和工艺改进的方向。

关键词：核电设备； TP439换热管； 铁素体不锈钢； 激光焊接。

介绍

高压给水加热器和汽水分离再热器是核电常规岛的主要辅助设备。 介质为高温高压水蒸气，换热管质量要求高。 除了要求在高温高压条件下具有优异的换热效率外，还需要具有良好的抗应力腐蚀和抗晶间腐蚀能力。 此外，还应具有良好的冷、热加工性能和优良的耐磨、耐冲蚀性能。 必须严格控制换热管焊缝质量，确保换热管在安装时能顺利胀焊。 ，确保换热管符合设计和使用要求。

TP439是铁素体不锈钢，导热系数高于普通奥氏体不锈钢，接近碳钢，抗应力腐蚀能力比普通奥氏体不锈钢好很多，TP439几乎不含镍，材料成本相对较低。 因此在核电机组的高压给水加热器和汽水分离器的换热管中得到广泛应用。 但铁素体不锈钢焊接性差，焊接时容易产生微裂纹。 其冷热加工性较差，脆化温度较高，在制管和管板扩管过程中存在开裂风险。 单相铁素体组织导致焊接时焊缝区晶粒粗大，使韧性急剧下降，同时也降低了抗晶间腐蚀性能。 这些与生俱来的特性使TP439换热管难以制造。

耐蚀合金焊接换热管是佛山市鑫泽昌不锈钢有限公司的主要产品之一，公司于2009年开始研发TP439焊接换热管，通过对不同原材料关键技术的研究分析，形成工艺、焊接工艺、热处理工艺，产品经过众多设备制造商、设计院和用户的评价和认可，成功应用于百万级千万级核电站项目。

焊缝区的质量控制是TP439焊接换热管制造中的一个关键点。 焊缝形状、韧性、耐腐蚀性、焊缝区域厚度和硬度的均匀性都是至关重要的。 本文着重对影响焊缝质量的主要因素进行了分析和研究，为保证批量生产和提高焊缝质量提供理论依据和工艺改进方向。

1 焊接工艺

焊接质量的直接影响因素是焊接工艺，其关键控制点是焊接方法的选择和焊接工艺参数的制定。 焊接方法主要与材料特性、设计、质量要求、经济性和焊接位置等因素有关。 与规格和性能要求有关。

1.1 焊接方法

生产TP439换热管有两种焊接方法，不添加填充金属的钨极氩弧焊和激光焊，钨极氩弧焊采用不熔钨或钨合金作为电极，电极与工件之间的间隙为产生电弧，焊接接头被电弧的热量熔化。 电弧面积大，能量密度相对较低，熔池冷却速度慢。 这种焊接方法非常适用于厚度≤3mm的奥氏体不锈钢。 工装成本和控制精度低，操作容易掌握。 自动化程度不高不锈钢换热管的加工生产工艺，焊区性能完全满足使用要求。

由于铁素体不锈钢的物理特性，这种方法会导致焊缝区晶粒尺寸比母材粗很多，导致韧性降低，内部焊缝补强控制困难，焊接控制不严参数。 ，生产效率低等一系列缺点，并增加了后续制造和安装的难度，导致焊缝开裂的风险更大。

激光焊接是通过将光能转化为热能来熔化焊接接头。 激光光斑直径小，能量集中，焊后冷却速度快，可以更好地控制和改善钨极氩弧焊的上述缺点。 激光焊接是一种比较先进的焊接技术，但是这种焊接工艺对整条生产线的精度和可靠性要求更高。 佛山市鑫泽昌不锈钢有限公司比较了两种焊接方式的优缺点，经过大量的批量试验，最终确认TP439换热管激光焊接效果更好不锈钢换热管的加工生产工艺，尤其是母管MSR 翅片管必须采用激光焊接。 以保证翅片的可加工性。

两种焊接方法的主要焊缝质量对比如下（见图1、图2、图3）：

图1 焊缝宏观组织

(a) 钨极氩弧焊； (b) 激光焊接

图2 焊缝晶粒度

(a) 钨极氩弧焊； (b) 激光焊接

另外，由于激光焊焊缝晶粒度更接近母材，焊缝区与母材的硬度差可控制在±10HV1以内，而氩弧焊基本在±20HV1以内。

1.2 焊接参数

激光焊接的主要工艺参数包括激光发生器、跟踪方式、激光功率、保护气体、焊接速度、焦距和焦点直径。 这些参数决定了焊接效率和焊缝形状和尺寸。 这些参数相互影响，需要通过大量的工艺评价来确定工艺参数的优化组合。

2 材料的理化性质

2.1 化学成分

材料的主要合金元素决定其金相组织和力学性能，其中微量元素对各项性能的影响非常显着。 根据/A803M[5]标准的要求，TP439的化学成分范围见表1。

表1 化学成分

性能降低，板材标准已将含碳量上限规定为0.03%。 另外，根据实际试验情况，碳含量的降低有利于管材成型和焊接。

(2)钛的影响，439材料中含有Ti的主要目的是提高材料的抗晶间腐蚀性能，但Ti含量与脆化温度有关。 板块膨胀不利。

(3)铜的影响。 铜是铁素体不锈钢中的残留元素。 铜含量过高对可焊性和耐腐蚀性有负面影响。

(4)铝的影响，铝能促进439不锈钢的回复再结晶，细化晶粒，对强度和硬度有显着影响。

标准中各个成分的范围很广，需要针对不同的用途进行细致的控制。 需要通过成形和焊接的影响研究，进一步控制原材料中碳、钛、铜、铝的实际范围。

2.2 机械性能

根据/A803M标准的要求，TP439的室温力学性能见表2。

表2 室温力学性能

钢带的强度、延伸率和硬度对冷变形有很大影响。 伸长率越低，硬度越高，成型越困难。 如果屈服比过高，在成型、焊接、翅片加工和热处理等环节也会有开裂的风险。 管板膨胀节性能方面，换热管表面质量容易产生应变，影响使用寿命。 需要大量的试验来确定机械性能的实际控制范围。 同一台设备制造的不同机械性能的表面存在明显差异（如图4所示）。

图 4 换热管表面质量

(a) 标准板； (b) 受控的机械性能

待续。

摘自《第六届中国国际400系不锈钢会议论文集》