核電站輻照監(jiān)督管焊接技術(shù)及焊接質(zhì)量控制

林金平，劉 斌，范海平

（中國中原對(duì)外工程有限公司，上海200233）

核電站輻照監(jiān)督管焊接技術(shù)及焊接質(zhì)量控制

林金平，劉 斌，范海平

（中國中原對(duì)外工程有限公司，上海200233）

介紹了某反應(yīng)堆壓力容器焊縫及熱影響區(qū)輻照樣品管制造要求，通過分析其焊接工藝，結(jié)合制造廠經(jīng)驗(yàn)反饋，研究了輻照監(jiān)督管焊接中常見的質(zhì)量問題，提出從優(yōu)化焊接參數(shù)、提高焊接設(shè)備穩(wěn)定性和做好焊接母材表面檢驗(yàn)三個(gè)方面進(jìn)行控制，防止輻照監(jiān)督管焊接產(chǎn)生缺陷，從而提高焊接質(zhì)量，為后續(xù)的輻照監(jiān)督管焊接質(zhì)量控制提供指導(dǎo)。

輻照樣品監(jiān)督管；焊接缺陷；壓力電阻焊

0 前言

核電站反應(yīng)堆壓力容器常用材料為SA-508 Gr.Ⅲ，為體心結(jié)構(gòu)，具有冷脆特征，受輻照后其冷脆趨勢(shì)增加，即強(qiáng)度升高，塑韌性下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度上升，因而壓力容器突發(fā)性脆性破壞的可能性增加。為了監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆壓力容器堆芯區(qū)的鐵素體材料因中子輻照和熱環(huán)境引起的斷裂性韌度變化，以及利用輻照監(jiān)督所測(cè)數(shù)據(jù)確定壓力容器在全壽期內(nèi)可以運(yùn)行且具有適當(dāng)安全裕量的環(huán)境，需要對(duì)反應(yīng)堆壓力容器材料進(jìn)行輻照監(jiān)督。目前，反應(yīng)堆壓力容器輻照監(jiān)督采用在堆內(nèi)放置輻照監(jiān)督管，定期取樣的方法。即在運(yùn)行的反應(yīng)堆放入足夠數(shù)量、具有代表性的監(jiān)督樣品（包括母材、焊縫和熱影響區(qū)材料），樣品用與壓力容器同爐、同工藝的材料制作，分成若干份，放入輻照監(jiān)督管中，隨堆輻照，并定期取出進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)。每個(gè)反應(yīng)堆堆芯區(qū)域按設(shè)計(jì)要求制造10根輻照監(jiān)督管，其中8根輻照監(jiān)督管在反應(yīng)堆首次啟動(dòng)之前分別插入保持架內(nèi)，如圖1所示。另外2根暫不入反應(yīng)堆內(nèi)，留作壓力容器延壽備用。

本研究以輻照監(jiān)督管的焊接為研究對(duì)象，通過對(duì)輻照監(jiān)督管的制造工藝及檢驗(yàn)要求進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)分析焊接產(chǎn)生的不符合項(xiàng)，提出了輻照監(jiān)督管在制造過程中焊接質(zhì)量管理需要強(qiáng)化的地方，以減少焊接不符合項(xiàng)的產(chǎn)生，提高輻照監(jiān)督管的制造合格率。

圖1 輻照監(jiān)督管在壓力容器上的位置

1 輻照監(jiān)督管概述

輻照監(jiān)督管主要由母材樣品管、連接管、焊縫及熱影響區(qū)樣品管及抓頭組件組成?？傞L約2.2 m，直徑約50 mm。每個(gè)樣品管上部裝有上部端塞，下部裝有堵孔端塞，中間由1根鋼管組成。輻照監(jiān)督樣品管內(nèi)裝有力學(xué)性能試樣、中子劑量探測(cè)器、溫度探測(cè)器。其存放的試樣有沖擊試樣、拉伸試樣、斷裂韌性試樣等。輻照監(jiān)督力學(xué)性能試樣來源于母材金屬、焊縫金屬和焊縫熱影響區(qū)（HAZ）金屬，試樣材質(zhì)與壓力容器筒體相同，其中母材試樣從壓力容器筒身見證材料上切取，焊縫和熱影響區(qū)試樣從主焊縫見證件上切取。根據(jù)ASTM-E185每根輻照監(jiān)督管內(nèi)各種力學(xué)性能試樣的種類和數(shù)量如表1所示。

表1 每根輻照監(jiān)督管內(nèi)各種力學(xué)性能試樣的種類和數(shù)量

典型的焊縫及熱影響區(qū)監(jiān)督樣品管的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該樣品管主要由鋼管、上端塞、堵孔端塞、調(diào)整墊片、鋼管內(nèi)部的劑量盒和導(dǎo)熱模、放在內(nèi)部的試樣組成。

圖2 典型的焊縫和熱影響區(qū)輻照監(jiān)督樣品管結(jié)構(gòu)

2 輻照監(jiān)督管的焊接難點(diǎn)及主要焊接缺陷

2.1 輻照監(jiān)督管的焊接難點(diǎn)

在輻照監(jiān)督管制造過程中，主要的焊接為鋼管與上端塞的對(duì)接焊接、鋼管與堵孔端塞的對(duì)接焊接，以及堵孔端塞上的堵孔焊。

輻照監(jiān)督管焊接的主要難點(diǎn)：（1）在設(shè)計(jì)中，端塞除了用于密封外，還用于徑向定位，因此，焊接不能破壞其定位要求，這就要求焊縫在保證足夠熔深的前提下，盡量減少熔寬和余高；（2）由于鋼管壁厚為3 mm，薄壁管在焊接時(shí)很容易變形。為了控制焊接變形，在焊接時(shí)則應(yīng)盡量減少薄壁管的受熱部分。但同時(shí)焊縫的余高也應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這需在焊接過程中控制好焊接輸入能量和焊接速度。

2.1.1 鋼管/上端塞與鋼管/堵孔端塞焊接

鋼管與兩側(cè)端塞的焊接主要是對(duì)接焊。焊前質(zhì)量控制難點(diǎn)主要為裝配時(shí)控制組對(duì)間隙和同軸度。焊前準(zhǔn)備時(shí)，需嚴(yán)格控制好組對(duì)間隙和同軸度。在焊前按圖紙、工藝裝配，控制組對(duì)間隙為0.5 mm，上塞頭端部與鋼管外圓同軸度0.5，調(diào)整墊片與鋼管端部距離。鋼管與兩側(cè)端塞的焊接接頭如圖3所示。

圖3 鋼管與端塞的焊接接頭

鋼管與兩側(cè)端塞采用手工GTAW焊，兩者母材都為321不銹鋼，焊材選用ER347。在焊接過程中，通過熱輸入控制焊接變形，同時(shí)注意工件的直線度，根據(jù)變形情況隨時(shí)調(diào)節(jié)焊縫位置，焊接完成后進(jìn)行VT、PT和RT檢測(cè)。鋼管與兩側(cè)端塞的GTAW焊接參數(shù)如表2所示。

表2 鋼管與端塞焊接參數(shù)

2.1.2 堵孔端塞上的堵孔焊接

輻照監(jiān)督管堵孔焊主要流程如下，通過堵孔端塞的氣孔將監(jiān)督管抽真空后，立即沖入0.3MPa壓力的氦氣（氣室真空度為6.7 Pa以上），氦氣純度不低于99.9％，然后進(jìn)行堵孔焊。堵孔端塞孔的結(jié)構(gòu)如圖4所示。端塞堵孔焊主要采用壓力電阻對(duì)焊技術(shù)，即通過施加和保持一定的焊接壓力將被焊監(jiān)督管壓緊于兩導(dǎo)電夾具（端塞夾具和焊接夾具）之間，利用電流流經(jīng)監(jiān)督管和端塞的接觸面及臨近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱將被焊元件材料加熱到高溫塑性狀態(tài)，完成焊接。壓力電阻焊是利用焊接區(qū)本身的電阻熱和大量塑性變形能量，使焊接區(qū)金屬在固相狀態(tài)下，在結(jié)合面上產(chǎn)生足夠量的共同晶粒，從而使兩金屬連為一體，達(dá)到焊接目的。其焊接循環(huán)由預(yù)壓—加熱—頂鍛—保持—休止過程組成[1]，整個(gè)焊接過程如圖5所示。

圖4 堵孔端塞孔的結(jié)構(gòu)

圖5 電阻對(duì)焊焊接循環(huán)（F-壓力；I-電流；S-位移）

2.2 輻照樣品管的焊接檢驗(yàn)要求

輻照監(jiān)督管的焊接主要包括鋼管與上端塞的對(duì)接焊接的環(huán)焊縫和監(jiān)督管的堵孔焊。其中，對(duì)于環(huán)焊縫，主要要求焊縫表面平整、光潔、外形幾何尺寸符合圖紙要求。焊縫表面無裂紋、氣孔、咬邊、未熔合等焊接缺陷，且焊縫檢查不合格只允許補(bǔ)焊一次。對(duì)于監(jiān)督管的堵孔焊，其主要技術(shù)要求是焊點(diǎn)熔深大于等于0.75 mm，焊點(diǎn)直徑不大于3mm。焊點(diǎn)內(nèi)部X射線檢查無裂縫和夾雜等缺陷，僅允許存在直徑小于等于0.30 mm的分散氣孔，且在整個(gè)焊點(diǎn)內(nèi)的可見氣孔數(shù)不超過2個(gè)。焊點(diǎn)表面應(yīng)為光滑的半球形，無氣孔、裂紋、劃傷和氧化等缺陷。在堵孔焊焊接完成后，輻照監(jiān)督管焊縫應(yīng)進(jìn)行外觀檢查、X射線檢查、金相檢查和氦質(zhì)譜檢查。其中，對(duì)于輻照監(jiān)督管充氦密封點(diǎn)焊外觀檢查，按照GB/T 11809放大60倍以上進(jìn)行檢查，焊點(diǎn)厚度應(yīng)大于0.70 mm，焊點(diǎn)內(nèi)無氣孔、夾雜物缺陷。X射線檢查用于檢查輻照監(jiān)督管上環(huán)縫和上端塞頂部堵孔焊點(diǎn)的質(zhì)量，要求每條環(huán)焊縫需轉(zhuǎn)3個(gè)角度透照3次。在進(jìn)行氦質(zhì)譜檢查時(shí)，焊好的輻照監(jiān)督管氦質(zhì)譜儀檢漏，氦氣泄漏率應(yīng)小于1.33×10-9Pa·m3/s。

2.3 輻照樣品管的焊接主要缺陷

雖然輻照監(jiān)督管堵孔焊采用壓力電阻焊接工藝不產(chǎn)生金屬熔池，不易產(chǎn)生氣孔和裂紋，但部分輻照監(jiān)督管堵孔焊后還是出現(xiàn)平頭和凹陷兩種缺陷。而由于出現(xiàn)平頭或凹陷，無法進(jìn)行RT，操作人員進(jìn)行檢查時(shí)，既不能保證補(bǔ)償塊與工件貼合精密，又不能保證底片與工件貼合緊密，也就不能保證熔深完全在透照區(qū)，無法檢查熔深要求。平頭和凹坑的產(chǎn)生使焊點(diǎn)的最小熔合直徑和焊縫的最小熔合高度不能滿足設(shè)計(jì)要求，從而最終影響焊透率，使接頭性能不滿足要求。

3 提高堵孔焊焊接質(zhì)量的措施

當(dāng)焊接缺陷檢查出來后，除根據(jù)不符合項(xiàng)處理流程對(duì)其進(jìn)行評(píng)定并做出處理外，還有一項(xiàng)更為重要的工作，即分析缺陷產(chǎn)生的原因，采取相關(guān)措施，防止缺陷再次發(fā)生。通過分析發(fā)現(xiàn)，輻照監(jiān)督管的焊接質(zhì)量不符合項(xiàng)主要集中在端塞堵孔焊焊接過程中。端塞堵孔焊焊接工藝屬于壓力電

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Discussion on the welding technique and welding quality control of nuclear irradiation samples monitoring pipe

LIN Jinping，LIU Bin，F(xiàn)AN Haiping
（China Zhongyuan Engineering Company，Shanghai 200233，China）

This paper introduces manufacture requirements of the reactor pressure vessel welding seam and heat affected zone irradiation sample tube，carries on the discussion and analysis in the process of welding technology.Through the factory feedback，it points out the common welding quality problem in the irradiation sample tube，and puts forward the improving welding parameter selection，improves the stability of the welding equipment，and makes welding base metal surface inspection three aspects to prevent welding defects.At the same time，it points out that welding quality control for the plugging holes is the key process for manufacture the irradiation monitoring pipe.

irradiation samples monitoring pipe；welding defects；pressure resistance welding

TG441.7

A

1001－2303（2017）01－0106-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.20

獻(xiàn)

林金平，劉斌，范海平.核電站輻照監(jiān)督管焊接技術(shù)及焊接質(zhì)量控制[J].電焊機(jī)，2017，47（1）：106-108，112.

2016-08-26

林金平（1985—），男，湖北宜昌人，碩士，工程師，主要從事核電設(shè)備采購管理工作。