凝汽器管子管板封口焊問題分析及焊接工藝改進

張斌

摘要：針對核電機組凝汽器管子管板封口焊前期項目生產過程及現場檢查發現的質量問題進行了梳理和總結，分析其原因，并從清潔度控制、焊接參數優化、工藝參數調節試板的應用、焊縫成形及進深值控制提出了技術改進措施，在實際應用中取得了良好效果，為國內核電凝汽器管子管板封口焊焊接工藝的改進提供了借鑒經驗。

關鍵詞：凝汽器;管子管板;封口焊;自動氬弧焊

中圖分類號：TG441.7 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）11-0083-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.15

0 前言

核電機組凝汽器是凝汽式汽輪機系統的重要組成部分和輔機部套之一，是電力熱力循環中的重要一環，對整個電廠的建設和安全、經濟運行都有著決定性影響。凝汽器管束模塊封口焊工藝是凝汽器制造過程中的重點、難點，同時也是對機組運行影響最大的重要工序，其因為管口數量巨大（以紅沿河核電項目為例，單臺機組共6個凝汽器模塊，單個模塊19 444個管口），對焊接質量的穩定性提出了非常高的要求。中廣核工程公司前期核電項目的凝汽器封口焊發生了很多質量問題，給設備的制造及現場安裝均帶來了很大沖擊，尤其是在核電現場進行返修難度大、工期長、返修成本居高不下。為了切實提高凝汽器封口焊質量，中廣核工程公司對前期項目質量問題進行了原因分析，并對凝汽器封口焊焊接工藝進行了改進。

1 凝汽器管束封口焊結構及焊接工藝

百萬千瓦級核電機組凝汽器主要利用冷卻水冷凝汽輪機乏汽，其主要結構包括殼體、排汽頸、管束模塊、水室等[1]，管束模塊尺寸一般為16 m×4 m×5 m（長×高×寬），管板一般為鈦復合板，冷卻管為鈦管，采用脹接+密封焊的方式連接[2]。管束的制造工藝包括穿管、脹管、脹焊等重要工序，脹焊又稱封口焊，采取不填絲自動氬弧焊焊接工藝，凝汽器管束封口焊的結構示意見圖1，焊接工藝重要參數見表1。

2 凝汽器封口焊焊接問題分析及工藝改進

2.1 凝汽器封口焊缺陷統計

以前期核電項目為分析對象，凝汽器管束封口焊焊縫缺陷中氣孔缺陷最多，其他缺陷主要是波紋缺陷、裂紋缺陷和翻邊缺陷，同時存在成型不良和脹管劃痕缺陷，嶺澳和紅沿河項目的缺陷情況見表2、表3，典型缺陷特征見圖2。在凝汽器的制造過程中，封口焊進深質量問題也是突出問題，紅沿河項目的凝汽器管束封口焊進深值不合格情況見表4，封口焊進深值示意見圖3。

2.2 凝汽器封口焊缺陷原因分析

2.2.1 氣孔產生的缺陷原因

凝汽器管束封口焊發現的圓形顯示基本是氣孔，在各類缺陷中占比最高，雖然凝汽器脹焊已經建立了專門的清潔室，但在鈦-管板焊接時，母材、氬氣及污染物中的O2、N2、H2、CO2、H2O都會引起氣孔，其中氫是引起氣孔的主要氣體。其形成機理是：熔池中溶入了大量的氫，在熔池移動、冷卻、凝固過程中以氫氣的形式向外逸出，一些來不及逸出的氫氣將形成氣孔。因鈦管-板焊接前有清理、穿管和脹管等多道工序，均可能影響焊口清潔度。如在管-板脹接前，鈦管與復合板管孔表面清洗不徹底，殘留防銹油、灰塵等雜質，脹接后便封閉在鈦管與復合板孔壁之間。鈦管-板焊接時熔池中產生的氫氣來不及向外逸出，形成氣孔。另外空氣潮濕和氬氣純度不夠也是導致焊接中出現氣孔的原因[3]。

2.2.2 翻邊、波紋、裂紋、氧化缺陷原因分析

在凝汽器管束封口焊接過程中，翻邊、波紋、裂紋、氧化、燒損等缺陷時有發生，也是封口焊典型缺陷[4-5]，主要與焊接參數不合理和焊接操作管理不足關聯較大。焊接工藝參數設置不合理是導致其出現裂紋和氧化的主要原因，焊接及檢驗過程質量控制不嚴格是出現翻邊和燒損的主要原因，尤其是在焊接過程中，焊接操作工容易產生視覺疲勞、操作疲勞，波紋缺陷則主要與鎢極離鈦管外壁表面距離過近相關[6]。

2.2.3 脹接不均勻、劃痕產生的缺陷原因分析

凝汽器管束脹管數量巨大，在脹管過程中，若個別脹珠損壞，容易導致部分管板孔脹接后存在橢圓現象，造成脹接不均勻現象[6]。

凝汽器管束在脹管工序后，會使用切管機和平管機進行切管和平管，由于切管機和平管機定位芯套材質為黃銅，易劃傷鈦管，另外芯套直徑偏小，當其在鈦管內高速旋轉時，易在定位芯套外與鈦管間嵌入鐵屑，也會劃傷鈦管。

2.2.4 封口焊成形不良及進深值不足原因分析

凝汽器管束封口焊進深值可理解為焊縫最小厚度。ASME標準中要求鈦管封口焊縫的進深值應不小于管壁厚度。長期以來，凝汽器封口焊焊縫成形不良以及進深值不足等問題是制約封口焊質量的重要因素，經分析類似質量問題往往受焊接位置、工裝機具、制造工藝等影響，特別是產品焊縫見證件進深不足將對產品焊縫造成巨大的質量風險?；谇捌陧椖抠|量問題，該類型缺陷產生原因具體分析如下：

（1）焊肉分布半徑偏大。

鈦管-板焊縫剖面的超景深檢測圖片顯示，鈦管-板焊縫的外形整體較為飽滿，圓弧狀焊縫表面曲線相關未熔合點整體呈扇形。但焊縫整體位置距離管孔中心半徑較大，即焊縫內圈表面離未熔合點距離較短，通常在該方向上，進深值不合格，如果能在焊肉量不變的基礎上，使得整個圓周上焊肉分布向鈦管中心靠攏，即焊肉相對未熔合點呈均勻分布，可增大鈦管-板焊縫的進深值，見圖4。鈦管-板自動旋轉氬弧焊接時，鎢極距鈦管外壁表面距離是影響這一因素的關鍵，鎢極距鈦管外壁距離偏大時，鈦管-板焊縫進深值容易不合格，過近焊縫表面則出現波紋缺陷及成形不良缺陷。

（2）熔敷金屬量不足。

因鈦管-板焊接采用自動旋轉氬弧焊自熔焊接工藝，無焊接材料填充。如果參與自熔焊接的鈦金屬量不足，會導致熔敷金屬量不夠，從而造成進深值不夠及成形不良。通過觀察現場作業情況，發現存在以下幾種影響熔敷金屬量的情況：

a. 換熱管端部在焊接前經過平管工序加工及去毛刺后，會使末端存在一個45°倒角，導致母材金屬量不足。

b. 脹管后，鈦管伸出長度不足。對現場已脹管待焊管的凝汽器殼體模塊進行測量、統計，發現鈦管伸出鈦面的長度非常不均勻，為0.2～0.5 mm，不能滿足工藝中要求的最佳值0.5 mm。

3 凝汽器封口焊工藝改進及成效

在實際生產過程中，封口焊質量缺陷具有產生頻率高、隨機性大、焊接質量穩定性差的特點。針對缺陷產生機理和大量參數試驗，從清潔度控制、焊接進深值控制、焊接參數優化、工藝參數調節試板的應用提出工藝改進措施。

3.1 封口焊清潔度控制

（1）端管板組件裝焊前檢查清潔度。

端管板來料時，仔細檢查管孔內的銹蝕與防銹油涂抹情況，如有銹蝕或防銹油涂抹量不足，則在端管板組件裝焊前對其進行清理和補涂防銹油。

（2）端管板組件裝焊時保護管孔區域清潔度。

端管板組件裝焊時，先在端管板碳鋼側管束區域內表面貼一層附膜防銹紙，在防銹油作用下，防銹紙會與管板表面緊密貼合，將管孔徹底保護起來，確保無飛濺和粉塵進入管孔。

（3）端管板組件裝焊后，管孔區域補涂防銹油。

端管板裝焊完成后，先用管道壓縮氣體吹干凈碳鋼層表面與管孔內壁表面的灰塵與雜質，仔細清洗后，在整個管孔區域內仔細涂覆防銹油，杜絕留下盲區，見圖5。

（4）采用“隨擦隨穿、隨擦隨脹、隨擦隨焊”的方式，保證管束區域清潔度。

清潔度對鈦管-板焊接質量的影響極大，無論是前工序穿管工序、脹管工序和焊接前，均需清理干凈雜質。驗收時以用白布擦拭20個以上待焊管孔不變黑為清潔度合格依據，有效保證焊前清潔度。

（5）封口焊焊接預熱后，采用電吹風熱風對待焊管口進行吹掃，有效去除水汽、灰塵及其他雜質，從而消除原高壓管道氣吹掃帶來的水、油等污染風險。

3.2 焊縫成形及進深值控制措施

（1）控制鎢極旋轉半徑。

對于厚度0.7 mm鈦管，焊接時應嚴格控制鎢極旋轉半徑，使鎢極距鈦管外表面距離為0～0.1 mm。為精確控制鎢極與鈦管外表面距離，根據鎢極距中心線的角度和鎢極尖角度，焊接過程中增加塞尺進行測量，如圖6所示。

（2）優化脹管后的平管工序。

對凝汽器殼體后行脹接的一側管，適當增加鈦管脹接后的伸長量，脹管后的平管工序使得鈦管末端伸出鈦面0.6～0.7 mm，并檢查末端伸出余量，從而保證保留足夠的母材金屬，如圖7所示。

（3）改善設備工裝。

針對切管和平管設備，將定位芯套材質由黃銅改為尼龍，使其即使與鈦管接觸也不會劃傷鈦管，增大芯套直徑至略小于鈦管內徑，使鐵屑不易嵌入定位芯套與鈦管之間的空隙;增加防轉動裝置，使除切刀系統外的其他部件不會轉動劃傷鈦管。

3.3 焊接工藝參數優化

在原焊接工藝上，適當提高電流起始值，延長送氣時間，保護氣體純度由原來的99%提高到99.999%，優化后的焊接參數見表5。

3.4 增加工藝參數調節試板

在凝汽器封口焊過程中，發現焊接缺陷后控制方法不當也是導致焊接缺陷重復出現的重要原因。經觀察，在實際焊接作業過程中，當偶爾出現單個缺陷時，操作人員并不是立即停下檢查焊槍，而是作好記號后繼續施焊。只有當連續出現缺陷時，才會停下來調整焊槍，然后在產品試板上施焊，以檢查焊槍參數調整效果。因此，在原有焊接見證件的基礎上增加工藝參數調節試板，以提高產品試板焊縫一次合格率。具體要求為在產品焊接過程中一旦出現異常，立即停止焊接操作并調整焊槍位置及參數，在工藝參數調節試板和產品試板施焊合格后才能繼續在產品上施焊。該方法優化了焊接過程的工藝流程，減少了非正常因素引起的產品焊接缺陷，改進前后焊縫質量控制對比見圖8。

通過不斷的改進焊接工藝，經過約10年、20多臺核電機組凝汽器制造經驗積累，目前中廣核工程公司已將凝汽器“封口焊縫”一次焊接不合格率由11.3%降至0.03%。

4 結論

通過分析核電站凝汽器管子管板封口焊接缺陷，總結了氣孔、波紋、成形不良、進深值不足等缺陷產生的原因;提出通過調整焊接參數來優化焊接工藝，建立了相對精準定量控制凝汽器管子-管板封口焊縫的進深值方法和通過增加工藝參數調節試板的方式來調整焊接參數，確保焊縫質量，為核電制造廠分析凝汽器管束封口焊缺陷原因和制定工藝改進措施提供了參考方法。

參考文獻：

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