吳義黨 楊志鵬 張 斌 劉鳴宇

堆焊層缺陷對百萬千瓦級(jí)蒸汽發(fā)生器管板封口焊質(zhì)量的影響分析及處理

吳義黨 楊志鵬 張 斌 劉鳴宇

(中廣核工程有限公司，廣東深圳518124)

介紹了百萬千瓦級(jí)蒸汽發(fā)生器管板堆焊層缺陷形成的原因，針對某制造廠發(fā)生的管板堆焊層的質(zhì)量問題，采用分析和試驗(yàn)的方法確定該缺陷對后續(xù)管子管板封口焊縫質(zhì)量的影響，并提出了該質(zhì)量問題的處理方案，為處理和提高管板鎳基堆焊層的質(zhì)量問題提供參考。

蒸汽發(fā)生器 堆焊層缺陷 管子管板封口焊

0 序 言

蒸汽發(fā)生器管子－管板焊縫屬于核電廠一回路壓力邊界中最薄弱的環(huán)節(jié)，其厚度僅約1 mm，但焊縫數(shù)量多達(dá)8 948個(gè)。管子－管板封口焊是蒸汽發(fā)生器制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該焊縫質(zhì)量直接影響設(shè)備實(shí)體質(zhì)量及核電廠的運(yùn)行可靠性［1］。

從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，各蒸汽發(fā)生器制造廠封口焊工藝不盡相同，可能導(dǎo)致封口焊縫的質(zhì)量存在差異;此外，管子－管板封口焊縫質(zhì)量受到管板堆焊層質(zhì)量、穿管、定位脹、清潔度、封口焊工藝等多個(gè)環(huán)節(jié)的影響［2］。例如，如果管板堆焊層存在缺陷，可能會(huì)對管子－管板封口焊質(zhì)量產(chǎn)生影響，從而影響核電廠的可靠性運(yùn)行。

國內(nèi)某制造廠在蒸汽發(fā)生器管系組件執(zhí)行穿管及封口焊工序前，目視檢查發(fā)現(xiàn)管板孔內(nèi)壁存在一處夾雜物。經(jīng)分析，該表面缺陷是由于管板鎳基堆焊層內(nèi)部存在微小夾雜缺陷，深孔鉆加工造成該內(nèi)部微小夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷墓馨蹇變?nèi)壁缺陷。該表面缺陷成為影響該管孔封口焊縫質(zhì)量的風(fēng)險(xiǎn)因素之一。文中主要介紹該典型缺陷，分析論述產(chǎn)生堆焊層缺陷的原因及處理過程，在此基礎(chǔ)上提出處理措施。

1 工程質(zhì)量問題描述

某核電項(xiàng)目蒸汽發(fā)生器管系組件執(zhí)行穿管及封口焊操作前的目視檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)管板孔內(nèi)壁的堆焊層表面5 mm處區(qū)域有一個(gè)直徑約1 mm、深度約0．2 mm的夾渣物缺陷;打磨去除夾渣后，在管板孔內(nèi)壁形成一個(gè)長約 5．1 mm，寬3．2 mm，凹坑中心深度約 0．75 mm 的缺陷，由于缺陷邊緣未圓滑過渡至基體，凹坑不符合斜率1:4的尺寸要求。凹坑位置距管口約4 mm，凹坑中心距離管口6．55 mm，如圖1所示。

圖1 缺陷示意圖

2 質(zhì)量問題分析

管板鎳基堆焊層局部存在微小夾雜缺陷，產(chǎn)生的機(jī)理分析如下:

鎳基合金在堆焊過程中，鎳基耐蝕合金容易氧化，形成熔點(diǎn)比母材高得多的氧化皮，通常形成夾渣或細(xì)小不連續(xù)的氧化物，這類不連續(xù)的氧化物特別細(xì)小，一般無損檢測難以發(fā)現(xiàn)［3］。

NiCr合金的電阻大，熱導(dǎo)率低，熔焊時(shí)易形成難熔的Cr2O3薄膜，阻礙焊縫的形成并形成夾雜［4］。

在管板堆焊時(shí)，由于鎳基合金焊縫金屬流動(dòng)性差，焊道稍寬時(shí)容易造成堆焊層管板孔內(nèi)壁存在點(diǎn)狀凹坑夾雜，在深孔鉆后部分缺陷露出金屬表面。

3 質(zhì)量問題的處理

由于凹坑在定位脹區(qū)域，為保證定位脹操作質(zhì)量，需要評價(jià)該凹坑對定位脹的影響，包括對定位脹工藝、管子內(nèi)壁形狀和質(zhì)量的影響。

相比正常情況，在管子管板焊接時(shí)，凹坑內(nèi)空氣受熱膨脹，壓力升高，可能會(huì)沿焊道根部漏出，氧化封口焊縫根部。同時(shí)，由于液態(tài)鎳基合金的流動(dòng)性差，在無填充材料焊接時(shí)，容易在封口焊縫中形成氣孔。因此，在處理該質(zhì)量問題時(shí)，需要進(jìn)行相關(guān)模擬缺陷的工藝試驗(yàn)，評估上述影響或根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果改進(jìn)相關(guān)工藝。

3．1 工藝試驗(yàn)原則的制定

(1)在帶極鎳基堆焊層的試塊上模擬，堆焊層厚度、管孔尺寸盡可能與產(chǎn)品一致。

(2)盡可能模擬真實(shí)缺陷位置和大小。特別注意，模擬缺陷邊緣距堆焊層表面的距離不應(yīng)大于3 mm，模擬缺陷深度和大小不應(yīng)小于真實(shí)缺陷。

(3)采用與產(chǎn)品相同的定位脹和焊接工藝。

(4)模擬試塊解剖和檢驗(yàn)要求可參照焊接見證件的要求執(zhí)行。金相截面應(yīng)盡可能通過模擬缺陷的中心線。

3．2 工藝試驗(yàn)的實(shí)施

3．2．1 試板準(zhǔn)備

采用與產(chǎn)品相同的堆焊工藝和焊接材料堆焊試板，鉆孔前鎳基堆焊厚度為7．9 mm。管孔數(shù)量為15個(gè)，管孔分布形式、直徑和孔橋距離與產(chǎn)品完全相同。

3．2．2 缺陷模擬

在管孔內(nèi)壁堆焊層模擬缺陷，模擬缺陷接近產(chǎn)品實(shí)際缺陷的形狀，要求模擬凹坑的最大深度處需達(dá)到0．75 mm，凹坑中心在5點(diǎn)鐘位置;凹坑邊緣需圓滑過渡，無尖角和凸起金屬;另外，凹坑邊緣距離外壁端面距離不大于3 mm。缺陷示意圖如圖2所示。

圖2 模擬凹坑示意圖

3．2．3 定位脹及封口焊

定位脹:采用與產(chǎn)品完全相同的工藝進(jìn)行脹接操作。模擬產(chǎn)品定位脹工況。

封口焊:采用與產(chǎn)品相同的不填絲自動(dòng)氬弧焊的焊接工藝。

焊口數(shù)量:設(shè)置15個(gè)封口焊焊縫進(jìn)行模擬。

3．2．4 無損檢驗(yàn)

經(jīng)歷與產(chǎn)品焊縫相同的目視檢查、滲透檢查、氦檢漏檢查、射線檢查，驗(yàn)收級(jí)別與產(chǎn)品相同。

3．2．5 破壞性試驗(yàn)

金相檢驗(yàn):宏觀6．5×，微觀100×。

制備要求:金相試樣剖切面在5～11點(diǎn)方位。

驗(yàn)收指標(biāo):與產(chǎn)品見證件 RCC－M SectionⅣWELDING(2000+2002)Afcen 2002相同，即:焊喉平均值≥0．9e，焊喉單個(gè)值≥0．66e(e為管壁厚度);根部不連續(xù)≤0．1 mm。

金相照片需包括凹坑處管子的形狀檢查，并測量出剖開后管子的變形情況，指標(biāo)為:管子外壁與管板孔內(nèi)表面的間隙(記錄中簡稱“間隙”)、管子變形凹坑等可測量尺寸)。

3．3 試驗(yàn)結(jié)果

模擬試驗(yàn)中的典型的金相照片如圖3所示。試驗(yàn)完成后，對封口焊縫進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表1。

圖3 R10C1 5h金相照片

表1 試驗(yàn)檢查結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明堆焊層內(nèi)壁凹坑對封口焊焊接質(zhì)量存在顯著的影響，具體如下:影響定位脹效果，即管子與管孔間存在較大的間隙;間隙間可能殘留空氣，造成焊接氣孔出現(xiàn)的概率增大;影響焊縫密封性;凹坑間隙造成焊縫根部不連續(xù)。因此，不建議在堆焊層內(nèi)壁存在凹坑的情況下進(jìn)行封口焊焊接。

(2)為了避免該表面缺陷對應(yīng)管孔在后續(xù)封口焊時(shí)出現(xiàn)難于處置的較嚴(yán)重質(zhì)量問題，特提出如下的處置措施:①對凹坑進(jìn)行清理，圓滑過渡，不得加深凹坑深度;②按正常工序進(jìn)行穿管、定位脹、封口焊焊接;③封口焊焊縫檢驗(yàn):如果合格，直接采用專用堵頭進(jìn)行堵管處理，若不合格，為防止缺陷擴(kuò)展惡化，應(yīng)當(dāng)首先返修合格，之后再進(jìn)行堵管處理;④按堵管工藝對該管孔進(jìn)行堵管處理并設(shè)置焊接見證件;⑤按封口焊焊縫的要求檢查，該管口堵管焊縫滿足要求。

［1］ 孫志遠(yuǎn)，張茂龍，胡 歡．1 000 MW核電蒸汽發(fā)生器管子管板焊接［J］．壓力容器，2016(1):67－73．

［2］ 張金元，趙素朝，符麗勇．核電站蒸汽發(fā)生器管子－管板焊縫滲漏分析［J］．企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2016，35(3):167－170．

［3］ 陳劍虹，周昭偉．焊接手冊(第二版)，第2冊，材料的焊接［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001．

［4］ 曾 樂．現(xiàn)代焊接技術(shù)手冊［M］．上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1993．

TG455

2017－02－07

吳義黨，1967年出生，學(xué)士，高級(jí)工程師。主要從事核電站設(shè)備監(jiān)造技術(shù)支持造管理工作，已發(fā)表論文10余篇。