核電站蒸汽發生器管子—管板焊縫滲漏分析

張金元 趙素朝 符麗勇

摘 ?要：核電站蒸汽發生器的管子-管板封口焊縫是一次側與二次側的密封焊縫，其焊接質量直接影響核設施的運行安全。封口焊縫數量多，質量要求高，無損檢測有一定的局限性，給質量控制帶來一定的難度。文章通過對蒸汽發生器管子-管板封口焊制造工藝和流程全過程的分析，找出了封口焊縫滲漏的影響因素，總結了質量控制的經驗，期待核電設備采購方、制造商、建安承包商及業主同行引以為鑒，共同做好設備采購和質量控制工作，以確保核電設備的質量。

關鍵詞：蒸汽發生器;封口焊縫;經驗反饋

中圖分類號：TG457.5 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2016）03-0167-03

1 ?概 ?述

1991年6月，秦山核電站作為中國第一座核電站并網發電，實現了中國核電制造從無到有的歷史跨越。

在國內核電建設者引以自豪的同時，許多在建造過程中由于技術不成熟或管理不到位等原因帶來的問題逐漸顯現，還存在較多技術難題亟待解決，必須引起大家足夠的認識和警醒。日本福島核電事故的發生，再次敲響了核電安全的警鐘。

作為核島四大主設備之一，在國內承制的蒸汽發生器（以下簡稱SG）其制造、檢驗和驗收規范主要為法國RCC-M或美國ASME規范，國內現有SG制造廠的制造經驗也是在采購過程中通過國外技術轉讓、在國外專家的現場指導下積累下來的。鑒于國內SG制造廠對SG設計理論的基礎試驗研究不深，對SG制造工藝試驗的研究、消化水平有限，又鑒于相關焊接設備、焊接材料、傳熱管等關鍵技術不能國產化，筆者認為，國產SG的焊接工藝設計、制造工藝流程設計尚待逐步完善。本文通過對蒸汽發生器管子-管板封口焊制造、檢驗活動進行詳細解析，找出管子-管板封口焊滲漏的主要原因，期待制造廠對SG關鍵工藝技術進行改進，加強過程控制，避免類似質量問題的重復發生。

2 ?管子-管板封口焊縫質量問題的產生過程

2011年， 國內某在建核電廠的SG在現場水壓試驗過程中發生滲漏，返修后對SG進行二次側第二次水壓試驗，結果發現其它部位仍有滲漏點。隨后，在表面未做任何處理的情況下，對所有的封口焊縫進行100%液體滲透檢查（以下簡稱PT）檢查，結果發現數75個焊縫存在顯示，接著，進一步對75個封口焊焊縫進行100%射線探傷檢查（以下簡稱RT），結果有9個焊縫存在記錄性缺陷。管子-管板焊縫滲漏示意圖，如圖1所示。

基于上述原因，設備制造廠隨即簽發了停工令，要求對所有在制的SG管子-管板封口焊縫進行排查。經過對現場在制的SG的第二次排查，檢查結果見表1。

事件發生后，制造廠根據缺陷的性質、位置分布，對制造過程進行了逐一排查，最終認為影響封口焊質量的主要原因是由于焊前清潔不徹底，焊接過程中由于鎢極燒損后更換不及時而影響焊接電弧導致焊后產生內部氣孔。

為了確保原因分析的準確性，制造廠進行了專項工藝試驗，組織國內專家進行經驗交流，聽取了專家、學者的意見，對封口焊焊接質量進行了分析和經驗總結，改進了部分制造工藝。

3 ?管子-管板封口焊縫的焊接和檢驗

管子-管板封口焊焊縫示意圖，如圖2所示。

管子-管板封口焊焊縫微觀金相照片（放大200倍），如圖3所示。

SG傳熱管材料為NC30Fe，管外徑Φ19.05 mm，管板一次側為鎳基堆焊層，管板孔尺寸為Φ mm，管板孔與管子外壁單邊最大間隙為0.15 mm。

傳熱管與管板的裝焊包括：穿管、定位脹、封口焊、液壓脹四個工藝過程。

管子-管板封口焊焊縫采用立位、全自動、全位置焊接。全自動焊機包括弧焊電源（電子控制的弧焊變壓器，可輸出脈沖電流）、控制系統及焊機機頭。控制系統一般由編程控制，包括焊接過程的程序控制（送氣、引弧、機頭旋轉、熄弧、斷氣）及參數自動優化控制等。焊接機頭包括焊嘴、定位導桿、旋轉機構等。焊接設備帶三相全自動補償電力穩壓器。

封口焊縫在焊接結束后要進行如下檢查：

①尺寸檢查（DT）、目視檢查（VT）、表面粗糙度檢查;

②液體滲透檢驗（PT）;

③密封性檢驗（LT）;

④另外，封口焊焊縫焊后還要進行6%射線抽檢（RT）（制造廠內部控制）。

封口焊焊縫根部焊縫缺陷照片，如圖4所示，延伸到焊縫中的缺陷照片，如圖5所示，因為焊接應力產生的撕裂照片，如圖6所示，因為焊接應力產生的撕裂照片，如圖7所示。

封口焊焊接工藝評定和見證件的檢驗要求：

①焊喉平均值（焊接3點鐘及9點鐘位置）≥0.9 e（e為管子壁厚，0.98 mm）; 焊喉單個值≥0.66 e（0.72 mm）;②焊根（未熔合及其它缺陷尺寸）≤0.1 mm;③不允許有裂紋，只有局部最短的泄露途徑>0.66 e時，才允許存在氣孔和夾雜物。

3 ?無損探傷在管子-管板封口焊應用中的局限性

3.1 ?滲透探傷的局限性

PT檢查只能檢測開口型缺陷。一旦焊縫中的微小氣孔（管子-管板封口焊多為針尖氣孔）被焊縫表面的氧化物覆蓋，PT檢查就會失效。

另外，PT檢查對環境的溫濕度要求較高，如果當時環境的濕度較大，凝結在封口焊焊縫上的水膜就會預先通過毛細作用先行吸附到焊縫缺陷的開口當中，而隨后PT檢查涂覆的滲透液對微小氣孔的滲透、擴散作用就會大大減弱，發生漏檢的可能性極大。

3.2 ?射線探傷的局限性

管子管板封口焊射線檢查使用射線源為Ir192，焦點尺寸為0.5×0.5 mm。在檢測工藝方面，由于底片的幾何不清晰度（Ug值）與射線源尺寸成反比，要使Ug盡可能小，只有使射線源尺寸盡可能小或焦距盡可能大。實際上，在管子-管板封口焊焊縫RT探傷過程中使用的射線源尺寸要遠大于缺陷的實際尺寸，這樣，射線照相底片存在很大的幾何不清晰度，射線檢查的效果并不是很理想。

目前，制造廠在管子-管板封口焊的檢查過程中設置射線檢查，其目的不是為了專門檢測焊縫內部缺陷，而是為了避免產生批量缺陷。

3.3 ?氦檢漏的局限性

氦檢漏僅能發現貫穿性的缺陷（例如氣孔）;對于非貫穿性的缺陷是無法發現，檢驗方法的局限性造成無法真實準確地判斷設備的制造質量。

4 ?制造工藝過程對管子-管板封口焊質量的影響

4.1 ?管板鎳基堆焊層質量的影響

管板鎳基堆焊層雖然焊后進行了PT和UT探傷（只是消除了超標缺陷而已），但是仍然殘存大量的非超標缺陷。這些殘存的非超標缺陷為日后的封口焊接留下了質量隱患。在實際封口焊過程中，也多次發現因為堆焊層缺陷影響封口焊質量的事實。管板堆焊層中殘尊的缺陷，如圖8所示。

4.2 ?深孔鉆工藝流程的影響

該制造廠管板深孔鉆安排在管板堆焊、機加工后進行。因為深孔鉆工序的超前設置，造成管板孔在熱處理工序二次污染，且管板孔直徑較小，管板孔內表面的氧化層清理困難，給后續的封口焊焊接帶來質量隱患。

國內其它SG制造廠的管板鎳基堆焊后，暫不安排管板深孔鉆，而是先安排與下部筒節組對焊，待CVP組件整體消除應力熱處理后，再安排管板深孔鉆。

4.3 ?熱處理工藝流程的影響

該制造廠的管板深孔鉆后的消除應力熱處理安排了兩次熱處理，且管板孔均受到了長時間熱處理的影響（氧化、二次污染）：

①管板與下部筒體下筒節（VB）組對焊成CVP組件的整體消除應力熱處理（深孔鉆后，管板孔造成污染）。

②CVP組件與TVC組件組對焊成TIF組件的整體熱處理（深孔鉆后，管板孔造成污染）;

國內其它SG制造廠的熱處理工藝安排：

①CVP組件整體消除應力熱處理（還未深孔鉆，管板孔未造成污染）;

②CVP組件與TVC組件組對焊成TIF組件采用局部熱處理（雖然已經深孔鉆，但是局部熱處理不會對管板孔造成污染）。

4.4 ?封口焊過程控制對封口焊質量的影響

4.4.1 ?對清潔度、溫濕度的控制情況

該制造廠的清潔室為卷簾式頂棚，卷簾傳遞部位有縫隙，清潔室與外界有氣體交換，外部焊接、焊縫打磨產生的煙塵可能進入到清潔室。清潔度不夠對封口焊質量帶來隱患。

該制造廠位于河道邊緣，長年濕度較大，清潔室內對濕度的控制不到位（管板表面時常發現冷凝水的薄膜）。濕度對封口焊質量帶來隱患。

國內其它SG制造廠家的清潔室為全密封房間，清潔室內有中央空調進行溫度控制，有大型工業除濕機進行除濕。疑似殘存在傳熱管外壁與管板孔之間的雜質，如圖9所示。

4.4.2 ?對封口焊焊縫區域的拋磨情況

由于對封口焊焊縫表面的氧化膜清理不徹底，覆蓋有氧化薄膜的封口焊焊縫在后續的PT檢查過程中，沒有將隱埋的缺陷暴露出來。

4.4.3 ?對焊接使用鎢極的控制情況

合格的鎢極尖頭可保持電弧穩定和足夠的熔深，若焊接鎢極不合格，會造成鎢極燒損，影響焊接電弧燃燒的穩定性（該制造廠的鎢極是焊接操作者自己修磨，對封口焊焊接帶來質量隱患。）。

國內其它SG制造廠的鎢極通過外協廠加工，鎢極的質量好，封口焊質量受控。

4.5 ?焊接工藝對封口焊縫質量的影響

焊接引弧電流上升階段，成形效果不理想，需要利用后續焊接對電流上升階段的焊縫進行重熔。為改善焊縫質量，可以在焊接起始段通過延時進行重熔即可，但是該制造廠實際重熔兩圈，焊接圈數多，勢必造成封口焊焊縫產生過渡氧化（鎳在溫度達到750 ℃則能劇烈氧化）。

另外，該制造廠在焊接過程中預設的保護氣體預通氣、滯后保護時間僅為8～10 s（國內其它廠家為20 s），造成封口焊焊縫表面殘留大量的氧化層，給封口焊帶來質量隱患。

4.6 ?焊接操作對封口焊縫質量的影響

實踐證明，焊接機頭定位不良、鎢極長度調節不良等因素也是造成焊接缺陷的原因。如圖10所示。

5 ?配套輔助工藝對封口焊縫質量的影響

5.1 ?定位脹使用可溶性潤滑脂的影響

該制造廠使用的可溶性潤滑脂的部分成分見表2。

其中，肥皂、自由基的脂肪酸均是碳氫氧化合物，水是碳氫化合物，這些物質均是產生氣孔的直接誘因。

在機械脹管過程中，脹輥與傳熱管間摩擦并產生大量的熱，潤滑脂極易在滾壓摩擦熱下液化并滲透到脹接接頭的縫隙，鎳基材料的焊接對水、油脂非常敏感，水、油脂是封口焊焊縫產生氣孔的主要原因。

國內其它SG制造廠家在定位脹過程中使用的酒精和丙酮（使用熱空氣吹干后極易揮發，不會產生焊接污染）。

5.2 ?封口焊保護氣體組成設計對封口焊質量的影響

鎳及鎳合金焊接時最常見的氣孔是H2O（水）氣孔。由于液態鎳能溶解大量氧（1 720 ℃時氧在鎳中的溶解度為1.18%），凝固時，氧的溶解度下降（1 470 ℃時僅為0.06%）。凝固過程中過剩的氧將鎳氧化成氧化亞鎳（NiO），氧化亞鎳和熔池中的氫化合，鎳被還原而氫和氧結合成H2O，其反應式為：

NiO+H2→Ni+H2O

（封口焊焊接使用的保護氣體有5%H2，因而容易在焊接過程中形成水）。由于封口焊采用的是脈沖電流，能量的輸入有間歇，焊接過程中高溫停留時間短，熔池金屬冷卻快，被還原的水受熱膨脹來不及溢出便產生氣孔。

國內其它SG制造廠封口焊保護氣體為氦氣和氬氣兩種惰性氣體（不含還原性氣體，不會產生焊接污染）。

6 ?經驗總結及思考

①務必重視工藝交底工作，提高操作人員的操作技能和質量意識。

②務必重視深孔鉆和熱處理等工藝流程設計，避免管板孔受到氧化和污染。

③務必重視管板鎳基堆焊層的焊接質量控制，避免堆焊缺陷對封口焊質量的影響。

④務必重視對焊接工藝評定的控制，避免焊接工藝缺陷對封口焊質量的影響。

⑤務必重視清潔室溫度、濕度控制，避免濕度對焊接的影響。

⑥務必重視焊接過程控制。控制好焊接參數、焊接機頭定位、鎢極到工件距離、保護氣體質量、鎢極的質量等。

⑦務必重視封口焊待焊表面的清潔度控制，避免管孔表面的氧化物、水漬、油污等對封口焊質量的影響。

⑧務必重視焊縫表面的拋磨、清理工作，避免因為缺陷被覆蓋而漏檢。

⑨務必重視對PT探傷過程中的溫度、濕度控制，避免溫濕度對PT檢查的影響。

⑩務必重視對封口焊焊接過程中使用的輔助耗材的控制，避免耗材最封口焊質量產生影響。

7 ?結 ?語

只要設備制造參與者對每個不符合項做到切實的分析和處理，及時地總結經驗和教訓，做到質量原因分析不清不放過，沒有采取切實可行的糾正措施不放過，不符合項是不會重復發生的，SG管子-管板封口焊縫質量也是可以得到有效控制的。

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