核級管道異種鋼焊接缺陷的性質、成因及解決對策

吾之英, 胡建群, 李 強, 樊少巖

(1.上海發電設備成套設計研究院,上海200240;2.中核集團秦山第三核電有限公司,海鹽314300;3.上海寶冶建設有限公司,上海200941)

某核電廠部分核級管道焊接接頭是ASME SA-106 B和ASME SA-182 F304L的異種鋼焊接.在機組例行的在役檢查過程中,發現多處異種鋼焊接接頭表面有線性缺陷顯示.鑒于該管道系統在核電站中的重要性,筆者對上述異種鋼焊接接頭表面的線性缺陷性質及其產生的原因進行了分析研究,并制定了相應的返修工藝.

1 缺陷位置及其形態

根據在役檢查記錄,具有表面線性缺陷的異種鋼焊接接頭均為機組建造期間的現場焊接,采用手工氬弧焊(GTAW),焊材為φ 3.2 mm的ERNiCr-3焊絲;在焊接完成后,需進行射線檢驗(RT)、超聲波檢驗(UT)等無損檢測,由于部分焊接接頭UT檢查不合格而出現過返修.為滿足UT檢查要求,對焊縫咬邊焊接修復,使其與周圍母材圓滑過渡.

經一段時間運行后,對機組進行了在役檢查,通過滲透檢測(PT)發現:異種鋼焊接接頭表面存在上述超標的線性缺陷顯示.

1.1 缺陷位置

根據現場管道的焊縫標識,應對缺陷位置進行定位.通過統計可知,焊接缺陷均位于異種鋼焊縫的不銹鋼一側,在不銹鋼母材的上方(圖1).

圖1 缺陷位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of defect positions

1.2 缺陷的宏觀形態和微觀形態

通過PT檢測,典型線性缺陷顯示的宏觀形態如圖2所示.通過現場金相覆膜觀察到的缺陷微觀形態(圖3)具有較明顯的沿晶開裂特征[1].

圖2 缺陷的宏觀形態Fig.2 Macroscopic feature of defect

圖3 缺陷的微觀形態Fig.3 Microscopic feature of defect

2 缺陷重現試驗

2.1 試驗材料和條件

缺陷大多數位于理論焊接坡口外面,即位于不銹鋼母材上方,說明缺陷主要出現在焊接接頭修復咬邊的焊道.從實質上看,這個焊道是不銹鋼母材上的堆焊焊道.為研究上述焊接缺陷產生的原因,進行了缺陷重現試驗.

為保證重現試驗與現場條件一致,重現試驗所使用的焊接工藝應與機組建造期間一致,其中試驗用母材應是根據現場實物材料的化學成分重新冶煉的材料,這就保證了試驗母材的化學成份以及冶煉工藝等與現場實物相近.焊材采用了與機組建造期間同批號的ERNiCr-3焊絲,試驗母材的化學成分示于表1,試驗焊材的化學成分示于表2.

2.2 模擬堆焊試驗和模擬坡口焊接試驗

2.2.1 模擬堆焊試驗

先采用焊材直接在鋼板表面堆焊,工藝則采用現場工藝和方法,得到第一條堆焊焊道;接著在焊道旁邊進行第二道焊,模擬返修咬邊的焊接工藝,從而得到第二條堆焊焊道.然后,將焊縫余高修平進行PT檢測,發現第二道焊出現表面缺陷,而在第一道焊表面沒有缺陷顯示.

表1 試驗母材的化學成分Tab.1 Chemical compositions of base metals %

表2 試驗焊材的化學成分Tab.2 Chemical compositions of welding materials %

2.2.2 模擬坡口焊接試驗

模擬坡口焊接試驗首先在母材上開出和現場坡口角度一樣的寬度,深度為5 mm的坡口,坡口焊滿后,去除焊縫余高,經PT檢測合格后對坡口兩側的“咬邊”缺陷進行補焊,并再次對焊縫余高進行修磨.經PT檢測發現:線性缺陷顯示,且缺陷也得到重現.

通過以上2種試驗以及多次重復試驗,發現缺陷均得到了重現,這表明缺陷的試驗重現并非偶然.

觀察試驗重現的焊接缺陷,其宏觀形態與在役檢查所記錄的影像相似(圖4).

圖4 模擬焊接試驗重現缺陷的宏觀形態Fig.4 Macroscopic feature of defect by the experiment of simulating weld

3 缺陷產生原因的分析

3.1 焊縫橫截面和焊縫表面觀察

對模擬堆焊試驗的焊接試板進行了解剖分析.在焊道的橫截面試樣上進行宏觀觀察,可看到2個焊道的熔深基本一致,但第1個焊道的大度略厚于第2個焊道(圖5).通過顯微鏡觀察發現:裂紋主要出現在第2個焊道上,而在第1個焊道上幾乎沒有裂紋(圖6).按照與現場金相覆膜一致的觀察方向,對焊道的表面進行觀察,可在更大范圍內看到裂紋在2個焊道上的分布情況:在第1個焊道上幾乎沒有裂紋,裂紋主要出現在第2個焊道上.裂紋的微觀形態為沿晶開裂形式(圖7),與現場金相覆膜所觀察到的裂紋形態基本一致,這表明試驗重現的缺陷與在役檢查時所發現的缺陷同屬一類缺陷.

圖5 焊道橫截面試樣的宏觀形貌Fig.5 Macroscopic appearance of weld cross section

圖6 第2個焊道橫截面上裂紋的微觀形貌Fig.6 Microscopic appearance of the second weld cross section

圖7 焊道表面的裂紋的微觀形貌Fig.7 Microscopic appearance of cracks on the surface of the weld pass

3.2 裂紋斷面的分析

將帶有裂紋的試樣置于液氮中充分冷卻后,在沖擊試驗機上把裂紋打開,將得到的斷面置于掃描電子顯微鏡中,以進行斷面分析.在斷面的原始缺陷區域,其微觀形貌呈現圓潤的自由結晶表面(圖8);而在新打開的斷面區域,其微觀形貌為典型的金屬撕裂形貌——韌窩(圖9).

圖8 原始缺陷區域的微觀形貌Fig.8 Microscopic appearance of original defect surface

通過X-ray能譜微區成分分析可看到:在圓潤的自由結晶表面上,S元素的含量明顯高于韌窩處.

3.3 焊道的化學成分分析

采用直讀光譜儀對不同的焊道進行化學成分分析,結果示于表3.

圖9 新斷面區域的微觀形貌Fig.9 Microscopic appearance of fresh fracture surface

表3 不同焊道的化學成分分析Tab.3 Chemical compositions of different weld passes%

從表3可看出:第2焊道的硫含量較高,而鎳元素和鈮元素的含量則明顯較低,這顯然是由于2個焊道的熔合比不一致所造成的.

3.4 綜合分析

對于奧氏體鋼,其導熱系數小,線膨脹系數大,焊縫金屬在凝固期間存在較大的拉應力,這是奧氏體鋼焊接的特點;而對于鎳基合金,豐富的Ni容易在焊接時與熔池中的S形成NiS及Ni-Ni3S2共晶,它們的熔點僅為797℃和645℃,屬低熔點物質[2].此類低熔點物質在焊縫的凝固過程中逐漸在焊縫的柱狀間富集,形成低熔點液態薄膜,并在冷卻收縮時導致晶間開裂[3].

通過上述試驗分析可初步確定:試驗重現的缺陷為焊接過程中產生的熱裂紋.因為硫元素是形成焊縫熱裂紋的主要元素,它可擴大高溫脆性溫度區和降低焊縫金屬高溫塑性,含硫量越高,形成熱裂紋的風險越大.結合以上試驗和分析可知,硫含量過高是形成本文所述的焊接熱裂紋的主要因素.

4 缺陷形成的影響因素

為全面探討上述熱裂紋形成原因的影響因素,采用了不同的焊接工藝進行正交堆焊試驗,以找出熔合比、熱輸入對熱裂紋的影響規律,其結果示于圖10.從圖10可看出,熱裂紋的形成與熔合比有關,只有當熔合比在某個區間(本試驗條件下為50%～60%)時,熱輸入的大小會影響熱裂紋的形成,由此可看出:在進行焊接時應適當減小熔合比,并且采用小的熱輸入,以便得到無裂紋的焊接接頭.

圖10 試驗得出的熔合比、熱輸入與熱裂紋之間的關系Fig.10 The relationship of fusion ratio vs heat input and its effect on the formation of hot cracks by experiments

5 返修工藝的制定與返修實踐

根據以上試驗結果,返修工藝通過采用坡口焊減小熔合比,焊接電流為130～160 A,熱輸入不得超過15 kJ/cm,焊接時應注意提高焊絲填充量等工藝措施,減少母材中硫元素向焊縫中的擴散,同時降低熱輸入.通過焊接工藝評定,各項性能指標均符合要求,經金相檢查也未發現有熱裂紋.

采用上述評定合格的返修工藝,完成了對核電站核級管道異種鋼焊接接頭表面線性缺陷的修復工作,返修焊縫一次合格率達到了100%.

6 結 論

(1)本文所研究與分析的異種鋼焊接缺陷為焊接熱裂紋.

(2)焊縫中的硫元素含量過高是形成核級管道異種鋼焊接缺陷的主要原因.

(3)在焊接時,控制熔合比和熱輸入可有效防止所述缺陷的產生.

[1]LIPPOLD John C,KOTECKI Damian J.不銹鋼焊接冶金學及焊接性[J].陳劍虹,譯.北京:機械工業出版社,2008.

[2]埃里希?福克哈德.不銹鋼焊接冶金[M].栗卓新,朱學軍,譯.北京:化學工業出版社,2004.

[3]張文鉞.焊接冶金學[M].北京:機械工業出版社,1999.