核電廠MSR內襯焊縫缺陷原因分析及處理

徐寶坪，朱家澤，晉嘉昱，馮英超，劉金平

1.福建福清核電有限公司 福建福清 350318 2.核工業工程研究設計有限公司 北京順義 101300

1 設備概況

汽水分離再熱器（MSR）的功能是分離和再熱循環蒸汽，同時輔助有供氣、抽氣、疏水和控制等功能。MSR內部結構由殼體、預分離器、下部內襯、分離器、內件固定架、一級再熱器、二級再熱器及管系密封裝置等組成，如圖1所示，其中MSR下部內襯采用焊接連接而成，其作用首先為防蒸汽沖刷、沖蝕MSR筒體；其次起到蒸汽分流作用。

圖1 MSR內部效果

為滿足濕蒸汽防沖蝕的要求，MSR內襯優先選用不銹鋼材料，同時考慮選用的不銹鋼材料熱膨脹系數盡可能與MSR筒體材料（碳素鋼）相近。因此，MSR內襯材質牌號設計為06Cr13鋼（鐵素體不銹鋼），設計厚度為6～8mm，內襯構件采用焊接連接，形成角接接頭（角焊縫）。

2 MSR內襯焊縫缺陷及定性

某運行核電廠在大修期間實施2、4號機組MSR下部內襯焊縫目視檢查時，發現多處下部內襯焊縫沿著熔合線和熱影響區開裂，部分開裂延至母材，如圖2所示。

圖2 MSR下部內襯焊縫目視、PT呈線性顯示

3 06Cr13鋼焊接工藝

06Cr13鋼為鐵素體不銹鋼，雖然其顯著特點是強度高，但焊接性差。該類鋼在焊接熱循環的作用下，熱影響區的晶粒長大嚴重，碳、氮化物在晶界聚集，焊接接頭的塑韌性低，在拘束度較大時，容易產生焊接裂紋，接頭的耐腐蝕性也嚴重惡化[1]。為了防止焊接裂紋，改善接頭的塑韌性和耐蝕性，在采用同質熔焊工藝時，應進行100～150℃預熱，焊后進行750～800℃的退火處理，焊接過程中應盡可能采用較小的熱輸入，焊接過程中不擺動，不連續焊。

4 MSR下部內襯工廠焊接工藝

MSR下部內襯存在大量的小構件角焊縫焊接，若采用同質熔焊工藝時則無法實施焊前、焊后熱處理，尤其在機組服役后，MSR下部內襯焊前預熱、焊后熱處理更難以實施。因此，被迫采用奧氏體型焊接材料焊接工藝，以利于提高焊接接頭的塑韌性，可免做焊前預熱、焊后消除應力熱處理[1]。

MSR下部內襯焊縫均在工廠制造完成，工廠采用焊接方法為焊條電弧焊（SMAW），選用焊條為E309L-16（奧氏體不銹鋼焊條），根據內襯不同厚度，選擇焊條規格為φ3.2mm、φ4.0mm、φ5.0mm。

5 缺陷原因分析及結論

5.1 工況受力分析

（1）軸向和環向變形分析 MSR服役后，在運行壓力、溫度共同作用下，分析MSR筒體在軸向、環向和徑向均發生膨脹變形，造成對下部內襯及焊縫影響。

1）軸向變形：在兩個預分離器之間的部分（見圖3），由于下部內襯開孔處與預分離器采用焊接連接，使得下部內襯在軸向方向與筒體一起拉伸變形，產生較大應力（包含熱應力）。

2）環向和徑向變形：主要影響內件固定架與筒體相焊處（見圖4），對下部內襯及焊縫相對影響較小。

（2）熱態運行壓力、溫度影響分析 ①熱應力分析：據有關熱應力分析資料，MSR內部熱應力較大的區域主要分布在MSR兩個預分離器之間，如圖5所示標紅位置。②運行壓力產生的應力：應力較大區域在兩個預分離器之間，下部內襯與預分離器焊縫附近區域。③綜合考慮運行壓力、溫度工況后的應力：經運行壓力產生的應力和熱應力的高應力區域重疊，因而對結構焊接要求較高，若該區域焊接質量不佳，易產生裂紋。

圖3 預分離器

圖4 焊縫

圖5 MSR內部結構

5.2 原材料焊接性分析

MSR下部內襯材質為鐵素體不銹鋼，其焊接性差，焊后極易在焊接接頭熱影響區形成馬氏體組織，使結構變脆，力學性能變差，該區域焊縫和母材相比為薄弱區。

5.3 焊縫質量分析

目視檢查MSR內襯焊縫成形較差，局部焊縫位置熔合不良，且部分焊縫表面未進行打磨圓滑過渡，存在連續咬邊，咬邊處（熔合線位置）易產生應力集中。部分焊縫根部位置存在未焊透等缺陷，存在缺口應力集中效應，如圖6所示。

圖6 焊縫成形差、咬邊

5.4 下料方式分析

MSR內襯原材料為鐵素體不銹鋼板材，制造期間采用剪板機剪切下料，易出現斷面分層缺陷，車間采取了打磨方式將分層缺陷去除，但實際斷層開裂的延伸深度大于目視可見開裂深度，易在母材中隱藏缺陷。

5.5 結論

（1）根本原因 鐵素體不銹鋼焊接過程中容易在熔合線發生貧鉻和滲碳沉淀，熱影響區易形成馬氏體組織，使結構變脆，力學性能比焊縫和母材差，在運行壓力和焊接應力共同作用下，從焊接接頭薄弱的熱影響區開裂。

（2）促成原因 原焊縫焊接質量較差，局部焊縫存在咬邊、熔合不良等缺陷，易產生應力集中，在外界壓力作用下使原焊縫缺陷擴展；MSR下部內襯板材下料方式存在不合理，易產生隱蔽缺陷，在外力作用下擴展成裂紋。

6 缺陷處理

（1）總體方案 采用“皮帶式”砂輪機打磨方法，對檢出的缺陷進行徹底消除，并選用技能嫻熟、經驗豐富且具備相應焊接資質的焊工實施補焊。補焊完成后，按NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》對補焊區域及鄰近兩側母材15mm范圍內進行100%PT檢測，合格級別為I級。

（2）優化返修工藝 制造階段MSR下部內襯焊接時，選用焊條規格為φ3.2mm、φ4.0mm、φ5.0mm。為避免現場返修時產生大的焊接應力，返修補焊時選用φ3.2mm焊條進行返修補焊，以減小焊接熱輸入量，降低焊接殘余應力。

（3）優化焊后表面處理 待缺陷打磨挖鑿并補焊后，實施嚴格打磨操作，確保熔敷金屬與母材過渡圓滑，杜絕焊縫咬邊、成形不良等表面缺陷。

（4）避開直角焊縫，增加止裂孔 對易產生焊縫應力集中位置，如直角頂點位置兩側各留10mm不焊，避免直角處焊縫應力集中（見圖7）；對較長的連續不規則焊縫端部，增加焊縫止裂孔（見圖8），防止此處焊縫運行啟裂后擴展。

圖7 避開直角焊縫

7 結束語

1）MSR下部內襯06Cr13鐵素體不銹鋼焊接過程中易在熔合線發生貧鉻和滲碳沉淀，熱影響區易形成馬氏體組織，使結構變脆，力學性能比焊縫和母材差，進而在運行壓力和焊接應力共同作用下，導致焊接接頭熱影響區開裂。

2）機組運行階段通過優化06Cr13鐵素體不銹鋼工廠焊接工藝，采取避開下部內襯直角邊焊接和增加焊縫止裂孔等有效措施，從而保證了MSR下部內襯焊縫返修焊接質量。

3）該運行電廠2、4號機組MSR內襯焊縫缺陷經挖補修復后進行了100%液體滲透檢測一次合格，并已安全、穩定運行三個燃料循環，未再出現任何異常。