沈天闊

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1 序言

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電站的核心設(shè)備，也是核電廠運行過程中發(fā)生故障最多的設(shè)備之一，大多數(shù)故障都是由各種腐蝕造成的。管板為蒸汽發(fā)生器的最關(guān)鍵部件，它起著隔離核島一、二回路的作用[1，2]。由于管板一側(cè)（以下簡稱“一次側(cè)”）長期接觸帶有放射性和腐蝕性的高溫冷卻劑，所以在管板制造過程中，必須在一次側(cè)面堆焊鎳基合金，以滿足其耐高溫、抗腐蝕的需求。

管板鎳基合金堆焊是蒸汽發(fā)生器制造過程中的關(guān)鍵工序，堆焊質(zhì)量直接影響到設(shè)備的制造進(jìn)度、產(chǎn)品質(zhì)量以及后續(xù)工序的難易程度。本次設(shè)備采用帶極電渣焊堆焊鎳基合金，此焊接方法比一般的焊接難度大很多，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）鎳基合金電渣焊焊接電流大，熱輸出量高。在管板鎳基合金堆焊中，由于母材與堆焊層材料性能差異較大，容易造成母材熱影響區(qū)晶粒粗大。

2）管板一次側(cè)鎳基堆焊的過程中使用鎳基合金焊帶（寬60mm），使得焊接過程中電磁力對熔池形態(tài)影響較大，容易造成熔池中液態(tài)金屬收縮，出現(xiàn)咬邊缺陷，影響焊接質(zhì)量[3-5]。

3）管板一次側(cè)堆焊面積大，每一圈鎳基合金焊道都構(gòu)成一個封閉圓環(huán)，焊接過程中不利于材料熱應(yīng)力的釋放，容易導(dǎo)致母材變形。

本文通過對反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器管板鎳基合金電渣堆焊難點分析，提出了焊前準(zhǔn)備、焊接過程工藝控制及焊后檢測等相關(guān)措施，通過對影響焊接質(zhì)量各因素的控制，從而保證了產(chǎn)品堆焊的質(zhì)量。

2 焊接質(zhì)量控制

為了保證蒸汽發(fā)生器管板一次側(cè)鎳基合金堆焊質(zhì)量，應(yīng)該對焊接的全過程進(jìn)行有效控制，避免最終產(chǎn)品產(chǎn)生不必要的缺陷，導(dǎo)致質(zhì)量下降。

2.1 焊前準(zhǔn)備

在管板堆焊之前需做好前期準(zhǔn)備工作，主要包括：焊接設(shè)備、焊工及無損檢測人員資格、焊接工藝評定等檢查。

1）焊接設(shè)備和工具。堆焊之前，首先，需要對焊接所用的電加熱器、轉(zhuǎn)動器、焊機進(jìn)行調(diào)試，保證設(shè)備的完好且在檢定有效期內(nèi)；其次，應(yīng)為焊工準(zhǔn)備在鎳基堆焊層上行走的專用木鞋、焊接隔熱地毯、吸塵器等輔助設(shè)備；最后，還要準(zhǔn)備焊接過程中需使用的鋁基無鐵砂輪、便攜式測溫儀、秒表、鋼板尺以及厚度尺等工具。

2）焊接文件及人員資質(zhì)。堆焊前應(yīng)按照要求對管板的完工文件、工藝流轉(zhuǎn)卡進(jìn)行審查，確保部件的實際質(zhì)量符合上游設(shè)計文件要求。同樣，焊工、無損人員資格也需在焊前進(jìn)行審查，蒸汽發(fā)生器管板堆焊應(yīng)由具有相關(guān)焊接資格的焊工進(jìn)行施焊，焊工的資格需符合HAF603《民用核安全設(shè)備焊接人員資格管理規(guī)定》的有關(guān)規(guī)定；無損檢測人員的資格也需符合HAF602《民用核電安全設(shè)備無損檢測人員資格管理規(guī)定》的有關(guān)規(guī)定。

3）焊接工藝評定。應(yīng)按照有效的工藝評定來實施管板的堆焊是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。在進(jìn)行蒸汽發(fā)生器管板堆焊之前，須進(jìn)行相應(yīng)的焊接工藝評定，根據(jù)合格、有效的焊接工藝評定報告制定產(chǎn)品的焊接工藝規(guī)程。實際焊接中的產(chǎn)品工藝規(guī)程應(yīng)符合相應(yīng)的焊接工藝評定報告，特別是參數(shù)允許的變化范圍等。

2.2 焊接過程控制

蒸汽發(fā)生器管板堆焊過程應(yīng)該選用合適的焊材（滿足RCC-M標(biāo)準(zhǔn)），優(yōu)良的焊接參數(shù)以及嚴(yán)格的檢測手段，以便更好地控制產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

（1）焊材的選擇 管板一次側(cè)表面電渣焊所采用的焊接材料為EQNiCr-3鎳基合金焊帶（0.5mm×60mm），牌號為SANICRO72HP[6]，其成分見表1。焊條電弧焊采用φ4.0mm，ENiCrFe-3鎳基合金焊條，牌號為SANICRO71Q。堆焊之前，所有的焊接材料都需要進(jìn)行熔敷金屬化學(xué)成分分析（見表2）和力學(xué)性能試驗。除了焊材質(zhì)量滿足設(shè)計文件要求外，還應(yīng)該注意焊材的存放情況、焊材的領(lǐng)用手續(xù)、焊材的烘烤以及保溫要求等。確保使用過程中的每批焊材都合格。

表1 鎳基焊帶Inconnel600化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）焊接工藝 CPR1000反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器所用管板的材質(zhì)為18MND5（見表3）[7，8]，厚度為557mm，直徑為3485mm，表面需堆有鎳基合金堆焊層（厚度≥8mm）。該焊接為異種金屬焊接，堆焊之前應(yīng)檢查管板表面，確保無水、氧化顆粒、油污等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)，并對待堆焊區(qū)進(jìn)行磁粉檢測（MT）。

表3 18MND5材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

管板一次側(cè)堆焊前，首先，對管板母材進(jìn)行整體預(yù)熱（預(yù)熱溫度≥160℃），通過預(yù)熱可以有效地控制焊縫的冷卻速度，減少焊縫及熱影響區(qū)的淬硬程度，提高焊接接頭的抗裂性；同時也減少了堆焊區(qū)域被焊工件的溫度梯度，降低了焊接應(yīng)力和應(yīng)變速度，有利于避免產(chǎn)生焊接裂紋。其次，在整個焊接過程中必須保證管板待堆焊面溫度超過預(yù)熱的最低溫度（160℃），操作者焊接過程中需每隔30min對管板待堆焊表面的溫度進(jìn)行監(jiān)測。

在制造過程中，管板堆焊采用鎳基焊帶帶極電渣堆焊與焊條電弧焊相結(jié)合的方法。如圖1a所示，蒸汽發(fā)生器管板一次側(cè)堆焊區(qū)域分為中心手工堆焊區(qū)域、邊緣R區(qū)手工堆焊區(qū)域、電渣焊帶極堆焊區(qū)域。為了滿足RCC-M標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)條件，即堆焊層厚度必須達(dá)到8mm以上，管板表面鎳基合金堆焊一般分為三層（見圖1b），每層堆焊焊道對上一層焊道起到回火作用，釋放上一層堆焊層殘余內(nèi)應(yīng)力，緩解接頭裂紋傾向，促使電渣堆焊的母材熱影響區(qū)晶粒細(xì)化。在堆焊過程中，每層鎳基焊帶帶極電渣堆焊的焊接方向與上一層相反（第一層焊接方向由內(nèi)向外，見圖1b），用以抵消每層堆焊后產(chǎn)生的管板變形。

圖1 管板堆焊示意

管板一次側(cè)每層先執(zhí)行帶極電渣堆焊，其焊道為環(huán)形焊道，如圖2所示。每個環(huán)形堆焊層一次焊接成形，寬度約為65mm，堆焊層表面成形良好，每圈之間須保持5～9mm的搭接量。對焊道搭接區(qū)域中出現(xiàn)點狀凹坑與輕微的咬邊，在每焊接一圈后需進(jìn)行手工打磨以去除這些缺陷。電渣焊焊機工作時在機頭安裝了磁控裝置，焊接過程中操作者需根據(jù)焊道成形，調(diào)整磁場大小，以抑制焊接過程中電磁力的不利影響，改善焊縫成形（見圖2）。

圖2 焊縫成形

帶極電渣堆焊后采用焊條電弧焊堆焊中心區(qū)與邊緣R區(qū)，焊接過程中須保護(hù)好已完成的鎳基堆焊面，防止手工焊接時的飛濺以及電弧傷及母材。起弧時不能在前一道收弧處引弧，且對焊道接頭需進(jìn)行檢查，根據(jù)需要進(jìn)行輕微打磨拋光，保證搭接區(qū)域圓滑過渡。手工R區(qū)堆焊時要定時測量圓弧面，保證其滿足圖樣要求。完成手工焊接后，需檢查焊縫的厚度和形狀，且應(yīng)注意要多焊出一定的厚度，以便有足夠的打磨余量，焊接參數(shù)見表4。

每層堆焊完成后，應(yīng)進(jìn)行后熱處理，其作用是消除焊接產(chǎn)生的熱應(yīng)力、均勻焊縫和熱影響區(qū)的組織、細(xì)化焊縫和熱影響區(qū)的晶粒，使得焊材與母材更好熔合。后熱過程中操作者應(yīng)對后熱溫度的監(jiān)控和測量，后熱溫度見表4。為了更好的控制焊接質(zhì)量，管板堆焊完成后還應(yīng)該進(jìn)行消應(yīng)力熱處理（IRS），保溫溫度595～620℃，保溫時間1h以上。

表4 焊接參數(shù)

2.3 焊接檢測

（1）化學(xué)分析 管板鎳基堆焊完成后，應(yīng)在管板堆焊層表面磨掉0.5mm后，在深度2mm的范圍內(nèi)取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果滿足技術(shù)要求（見表5）。

表5 化學(xué)成分取樣分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）目視檢測及尺寸檢測 管板堆焊完成后的檢測，首先目視檢測，檢測堆焊層表面是否滿足圖樣規(guī)定要求及后續(xù)無損檢測要求。同時，目視檢測還包括表面粗糙度及焊縫平滑程度，不得存在表面氣孔、夾渣、裂紋、未熔合、咬邊、焊瘤及內(nèi)凹等缺陷。焊縫周圍的熔渣及表面的飛濺物必須清除。其次是尺寸檢測主要測量管板尺寸及手工R區(qū)弧面尺寸，確保尺寸滿足上游圖樣要求。

（3）超聲波檢測及超聲波測厚 目視檢測完成后，需進(jìn)行超聲波檢測，檢測堆焊層是否存在體積型、連續(xù)未熔合、層下裂紋等缺陷。同時，使用超聲波探測儀進(jìn)行管板堆焊層厚度的測量，堆焊厚度滿足設(shè)計圖樣要求（≥8mm）。

（4）液體滲透檢測 管板堆焊層表面機加工后，最后還需進(jìn)行PT檢測，對堆焊層表面是否存在尺寸＞1.5mm的顯示，以及尺寸＜1.5mm但其間距＜3mm的顯示，均應(yīng)作不合格處理，進(jìn)行手工拋磨修理，用以滿足后續(xù)鉆孔要求。

3 結(jié)束語

蒸汽發(fā)生器管板一次側(cè)表面鎳基合金堆焊為大面積異種金屬電渣焊，焊接難度大，并且鎳基合金材料的焊接性能差，是蒸汽發(fā)生器制造工藝過程的重點、難點之一[9]。為獲得質(zhì)量優(yōu)良的鎳基合金堆焊層，焊接參數(shù)的優(yōu)化、焊道布置的合理化、焊接工位清潔度的保證、焊接設(shè)備狀態(tài)的良好，以及焊接工人的專業(yè)技術(shù)和責(zé)任心都是不可缺少的。

本文針對管板表面鎳基堆焊的工藝特性，分析了影響焊接質(zhì)量的重要因素，提出了控制焊接質(zhì)量的措施，有效地保證了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，降低了缺陷產(chǎn)生的概率，對提高核島主設(shè)備產(chǎn)品焊接質(zhì)量有一定的指導(dǎo)作用。