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火电厂高压管道国内外焊接标准比较
相春正 邬澍文
浙江省电力建设总公司 315010

概述：由于国内外对火电厂高压蒸汽管道焊接标准存在着区别，本文通过对国外提供的存在问题的管道焊缝进行试验分析，对国外标准进行客观的评价。
主题词：火电厂 高压管道 焊接标准

一 概况
浙江北仑电厂二期工程三台亚临界600MW锅炉全套设备由日本石川岛播磨公司（IHI）提供，其中再热蒸汽冷段管道由IHI公司向美国B.F.SHAW公司采购。管道设计材料及运行参数分别为：内径997.3mm，壁厚24.47mm，材质ASME SA515Gr65，设计温度为361℃，设计压力为4.97MPa。
管道到现场后，在检查中发现共有十三根再热蒸汽冷段管道存在如下问题：在管道端部有间距小于300mm的两条焊缝，有的还用堆焊进行接长。

二 国内外标准比较
国内标准对火电厂高温高压管道焊接规定如下：管子两个对接焊缝的间离不宜小于管子外径。根据这一规定，上述十三根管子将被定为不合格，不能使用于本工程。但本工程合同规定采用ASME标准，而ASME标准对这类情况没有特别的规定。为此我们专门向美国ASME委员会POWER PIPING分会咨询，他们认为：对动力管道用堆焊的方法局部接长以便管道对口是可以接受的。根据这一解释，该批管子是可以使用的。

三 试验
发现问题后，尽管有ASME的上述解释，工地上仍及时对焊缝进行了检查、分析，检查的项目有焊缝的各区域及母材金属的金相组织、宏观硬度，同时还对工厂焊缝进行超声波检查。结果表明，焊缝各区域金相组织和硬度均属正常，超声波探伤也没有发现异常情况。
为确保工程质量，保证设备长期安全地运行，有必要在基建阶段消除所有隐患，因此工地上对该焊缝组织了更多的试验分析。

1、试验方案确定
在现场选择一条堆焊焊缝，在焊缝左右各1米处割下，用新的管子接上。在割下的2米管子左右各割下500mm管段，用与工厂相同的焊接工艺焊成一个比较焊口（以下称“试验管”），剩下1米为工厂堆焊焊缝（以下称“堆焊管”）。两段管子送试验所进行对比试验，试验项目有：宏观检查、焊缝及母材金属化学成分分析、各区域常温/高温（361℃）抗拉强度试验、冲击韧性比较、热影响区缺口敏感性比较、焊缝热影响区残余应力比较、各区域金相组织比较、各区域硬度比较。

2、宏观检查
堆焊管实测壁厚为25mm，焊接接头各区域的测量尺寸及取样位置分布见图一，截面宏观照片见照片一，照片证实了制造厂的说法，用堆焊进行管段端部壁厚加厚。试验管焊接接头的宏观照片见照片二。

3、化学成分分析
化学成分分析结果见表1 。
4mm
200mm
安装焊缝
外堆焊层
热影响区
内堆焊层

图一：堆焊管截面宏观示意图及力学、金相取样位置示意图
表一：化学成分分析结果
取样部位
C
Mn
Si
S
P
堆焊管安装焊缝
0.073
1.09
0.59
≤0.01
0.014
堆焊管堆焊焊缝
0.052
1.62
0.54
≤0.01
0.02
堆焊管母材
0.156
1.18
0.24
≤0.01
0.011
试验管焊缝
0.073
1.1
0.59
≤0.01
0.014
试验管母材
0.18
1.13
0.22
≤0.01
0.011
ASME标准
≤0.28
≤0.98
0.13-0.45
≤0.04
≤0.035
化学成分分析结果表明：堆焊管及试验管母材中Mn元素含量均较高，其它元素含量符合ASME标准中关于SA-515Gr65的技术要求。

4、常温及高温拉伸试验
拉伸试验采取纵向取样，取样位置见图一，试样分析为光滑试样及带缺口试样二种。带缺口试样是为了确保断裂位置在热影响区。其试样包括了整个焊接接头区域及母材，主要为观察其断裂位置，以判断焊接各区域抗拉强度的相对薄弱区，试验结果见表二。
表二：常温及高温拉伸试验结果

堆焊管
试验管
温度
试样位置
σs (MPa)
σb (MPa)
δ5(%)
ψ(%)
σs (MPa)
σb (MPa)
δ5(%)
ψ(%)
常

温
母材（无缺缺口）
342
486
33
74
339
510
31
66
母材（有缺缺口）

691

723

热影响区（有缺缺口）

816

791

焊缝（无缺缺口）

502

489

ASME标准SA-515Gr65：σb450-585 MPa，σb≥240 MPa ，δ≥25%
高

温
母材（无缺缺口）
211
436
33
76
220
457
34
71
母材（有缺缺口）

636

热影响区（有缺缺口）

774

焊缝（无缺缺口）

465

5、常温及高温冲击韧性试验
冲击试样亦采取纵向取样，取样位置见图一，试验结果见表三。
表三：常温及高温冲击韧性试验结果

堆焊管
试验管
温度
试样位置
Akv(J)
akv(J/cm2)
Akv(J)
akv(J/cm2)
常

温
母材
168
210
126
159
热影响区
166
209
185
230
焊缝上部
91
115

焊缝下部
154
194
180
230
高

温
母材
169
210
149
190
热影响区
143
180
194
243
焊缝
118
148
201
255

6、残余应力测试
残余应力测试采用盲孔电测法，测试位置见图二，测试结果见表四。
表四：残余应力试验结果
位置
测点号
试验管
堆焊管
σ1(MPa)
σ2(MPa)
θ(℃)
σ1(MPa)
σ2(MPa)
θ(℃)
焊缝中心
1
132
-31
5
99
-88
6
2
186
21
4
85
-67
3
堆焊层
1

22
-1
15
2

70
42
100
热影响区
1
153
-39
9
≤σs
95
32
2
75
-30
5
≤σs
151
64
σ1为最大主应力，σ2为最小主应力，θ为最大主应力与件环向切线间夹角。
q
s2
y
x
s1
堆焊区焊缝热影响区
堆焊焊缝
安装焊缝

图二：残余应力测点位置示意图

7、热影响区缺口敏感性（qe）
堆焊管及试验管的热影响区在常温、高温下对缺口的敏感性见表五。
表五：热影响区缺口敏感性（qe）

堆焊管
试验管
温度
比较方式
qe
qe
常
温
母材(无缺口)/热影响区
0.6
0.64
母材(有缺口)/热影响区
0.85
0.91
高
温
母材(无缺口)/热影响区
0.56
0.62
母材(有缺口)/热影响区
0.82
0.91

8、焊缝区域金相组织检查
金相检查部位为焊缝外表面，各金相检查点位置见图一，检查结果见表六。
表六：各区域金相组织一览表
照片号 对应位置 金相组织及说明
照片1 堆焊管焊接接头 宏观照片，壁厚1/2处有明显热轧线
照片2 试验管焊接接头 宏观照片
照片3 堆焊管安装焊缝 等轴铁素体和珠光体
照片4 堆焊管安装焊缝熔合区 图左为焊缝，树枝状结晶的铁素体和珠光体
图右为热影响区半熔化状铁素体和珠光体
照片5 堆焊管安装焊缝熔合区 同照片4 (不同放大倍数)
照片6 堆焊管安装焊缝热影响区 铁素体和珠光体
照片7 堆焊管堆焊焊缝 树枝状结晶的铁素体和珠光体
照片8 堆焊管堆焊焊缝熔合区 图左为焊缝：树枝状结晶的铁素体和珠光体
图右为热影响区半熔化段：粗大的魏氏组织
照片9 堆焊管堆焊焊缝熔合区 同照片8 (不同放大倍数)
照片10 堆焊管母材（管材） 铁素体和珠光体组织较粗大，图中为热轧线附近组织
照片11 试验管焊缝 等轴状的铁素体和珠光体
照片12 试验管焊缝熔合区 图右为焊缝：树枝状结晶的铁素体和珠光体
图左为热影响区半熔化段：魏氏体组织
照片13 试验管焊缝熔合区 同照片12 (不同放大倍数)
照片14 试验管焊缝热影响区 魏氏组织
照片15 试验管母材 铁素体珠光体

9、硬度分布
硬度测试采用里氏硬度法，再通过查表转换成硬度值。硬度测试为焊接接头的截面，管壁厚1/2处，测试结果见图3。
120
180
140
堆焊缝
试验管
堆焊管
220
200
160
图3 硬度分布图

185

178

180
180

160

156
156

172
158
152

158
148

162
162

142

1
2
3
4
3
2
1

1、2、3对应的焊缝区域分别为母材、近热影响区及热影响区，4为焊缝中心

10、试验结果分析
（1） 堆焊管与试验管与对应各区域的拉伸试验强度无明显区别，热影响区的性能前者略低于后者。
（2） 堆焊管各区域的常温冲击韧性与试验管大致相同，但堆焊管焊缝上部的冲击韧性比焊缝中部低，高温性能前者比后者低，但其值在正常范围内。
（3） 堆焊管及试验管接头各区域残余应力的主应力分布较为合理，基本沿管道的切线方向，堆焊焊缝热影响区二个测点测得的主应力值均大于母材的屈服强度。
（4） 堆焊管热影响区对缺口不敏感，与试验管情况相同。
（5） 堆焊管与试验管各对应区域的金相组织大致相同，均未发现异常组织。
（6） 堆焊管与试验管各对应区域的硬度变化趋势吻合得较好。

四 结论：
1、 通过对堆焊管与试验管各试验数据的分析比较，带有工厂堆焊焊缝的安装焊缝,其各项常规性能指标与试验管焊缝各对应区域比较并无大的差异,也符合ASME标准。
2、 国内标准对火电厂高压管道的要求明显高于ASME要求，根据试验结果认为：对动力管道用堆焊的方法局部接长是可以接受的，在不得已的情况下也是可以使用的。本文仅对此作简单分析，以供同类型问题参考。
参考文献：1、IHI公司提供的管道设计、安装、图纸及手册。
2、电力建设施工及验收技术规范《管道篇》DL5031-94。
3、ASME标准。

作者：相春正 男 1965年11月出生 长期从事电力建设管理工作