核電站蒸汽發生器管板鎳基合金堆焊質量的控制

沈天闊

中廣核工程有限公司 廣東深圳 518124

1 序言

蒸汽發生器是壓水堆核電站的核心設備，也是核電廠運行過程中發生故障最多的設備之一，大多數故障都是由各種腐蝕造成的。管板為蒸汽發生器的最關鍵部件，它起著隔離核島一、二回路的作用[1，2]。由于管板一側（以下簡稱“一次側”）長期接觸帶有放射性和腐蝕性的高溫冷卻劑，所以在管板制造過程中，必須在一次側面堆焊鎳基合金，以滿足其耐高溫、抗腐蝕的需求。

管板鎳基合金堆焊是蒸汽發生器制造過程中的關鍵工序，堆焊質量直接影響到設備的制造進度、產品質量以及后續工序的難易程度。本次設備采用帶極電渣焊堆焊鎳基合金，此焊接方法比一般的焊接難度大很多，主要體現在以下幾個方面：

1）鎳基合金電渣焊焊接電流大，熱輸出量高。在管板鎳基合金堆焊中，由于母材與堆焊層材料性能差異較大，容易造成母材熱影響區晶粒粗大。

2）管板一次側鎳基堆焊的過程中使用鎳基合金焊帶（寬60mm），使得焊接過程中電磁力對熔池形態影響較大，容易造成熔池中液態金屬收縮，出現咬邊缺陷，影響焊接質量[3-5]。

3）管板一次側堆焊面積大，每一圈鎳基合金焊道都構成一個封閉圓環，焊接過程中不利于材料熱應力的釋放，容易導致母材變形。

本文通過對反應堆蒸汽發生器管板鎳基合金電渣堆焊難點分析，提出了焊前準備、焊接過程工藝控制及焊后檢測等相關措施，通過對影響焊接質量各因素的控制，從而保證了產品堆焊的質量。

2 焊接質量控制

為了保證蒸汽發生器管板一次側鎳基合金堆焊質量，應該對焊接的全過程進行有效控制，避免最終產品產生不必要的缺陷，導致質量下降。

2.1 焊前準備

在管板堆焊之前需做好前期準備工作，主要包括：焊接設備、焊工及無損檢測人員資格、焊接工藝評定等檢查。

1）焊接設備和工具。堆焊之前，首先，需要對焊接所用的電加熱器、轉動器、焊機進行調試，保證設備的完好且在檢定有效期內；其次，應為焊工準備在鎳基堆焊層上行走的專用木鞋、焊接隔熱地毯、吸塵器等輔助設備；最后，還要準備焊接過程中需使用的鋁基無鐵砂輪、便攜式測溫儀、秒表、鋼板尺以及厚度尺等工具。

2）焊接文件及人員資質。堆焊前應按照要求對管板的完工文件、工藝流轉卡進行審查，確保部件的實際質量符合上游設計文件要求。同樣，焊工、無損人員資格也需在焊前進行審查，蒸汽發生器管板堆焊應由具有相關焊接資格的焊工進行施焊，焊工的資格需符合HAF603《民用核安全設備焊接人員資格管理規定》的有關規定；無損檢測人員的資格也需符合HAF602《民用核電安全設備無損檢測人員資格管理規定》的有關規定。

3）焊接工藝評定。應按照有效的工藝評定來實施管板的堆焊是保證焊接質量的關鍵因素之一。在進行蒸汽發生器管板堆焊之前，須進行相應的焊接工藝評定，根據合格、有效的焊接工藝評定報告制定產品的焊接工藝規程。實際焊接中的產品工藝規程應符合相應的焊接工藝評定報告，特別是參數允許的變化范圍等。

2.2 焊接過程控制

蒸汽發生器管板堆焊過程應該選用合適的焊材（滿足RCC-M標準），優良的焊接參數以及嚴格的檢測手段，以便更好地控制產品的焊接質量。

（1）焊材的選擇 管板一次側表面電渣焊所采用的焊接材料為EQNiCr-3鎳基合金焊帶（0.5mm×60mm），牌號為SANICRO72HP[6]，其成分見表1。焊條電弧焊采用φ4.0mm，ENiCrFe-3鎳基合金焊條，牌號為SANICRO71Q。堆焊之前，所有的焊接材料都需要進行熔敷金屬化學成分分析（見表2）和力學性能試驗。除了焊材質量滿足設計文件要求外，還應該注意焊材的存放情況、焊材的領用手續、焊材的烘烤以及保溫要求等。確保使用過程中的每批焊材都合格。

表1 鎳基焊帶Inconnel600化學成分（質量分數） （%）

表2 熔敷金屬化學成分（質量分數） （%）

（2）焊接工藝 CPR1000反應堆蒸汽發生器所用管板的材質為18MND5（見表3）[7，8]，厚度為557mm，直徑為3485mm，表面需堆有鎳基合金堆焊層（厚度≥8mm）。該焊接為異種金屬焊接，堆焊之前應檢查管板表面，確保無水、氧化顆粒、油污等影響焊接質量的雜質，并對待堆焊區進行磁粉檢測（MT）。

表3 18MND5材料的化學成分（質量分數） （%）

管板一次側堆焊前，首先，對管板母材進行整體預熱（預熱溫度≥160℃），通過預熱可以有效地控制焊縫的冷卻速度，減少焊縫及熱影響區的淬硬程度，提高焊接接頭的抗裂性；同時也減少了堆焊區域被焊工件的溫度梯度，降低了焊接應力和應變速度，有利于避免產生焊接裂紋。其次，在整個焊接過程中必須保證管板待堆焊面溫度超過預熱的最低溫度（160℃），操作者焊接過程中需每隔30min對管板待堆焊表面的溫度進行監測。

在制造過程中，管板堆焊采用鎳基焊帶帶極電渣堆焊與焊條電弧焊相結合的方法。如圖1a所示，蒸汽發生器管板一次側堆焊區域分為中心手工堆焊區域、邊緣R區手工堆焊區域、電渣焊帶極堆焊區域。為了滿足RCC-M標準中的技術條件，即堆焊層厚度必須達到8mm以上，管板表面鎳基合金堆焊一般分為三層（見圖1b），每層堆焊焊道對上一層焊道起到回火作用，釋放上一層堆焊層殘余內應力，緩解接頭裂紋傾向，促使電渣堆焊的母材熱影響區晶粒細化。在堆焊過程中，每層鎳基焊帶帶極電渣堆焊的焊接方向與上一層相反（第一層焊接方向由內向外，見圖1b），用以抵消每層堆焊后產生的管板變形。

圖1 管板堆焊示意

管板一次側每層先執行帶極電渣堆焊，其焊道為環形焊道，如圖2所示。每個環形堆焊層一次焊接成形，寬度約為65mm，堆焊層表面成形良好，每圈之間須保持5～9mm的搭接量。對焊道搭接區域中出現點狀凹坑與輕微的咬邊，在每焊接一圈后需進行手工打磨以去除這些缺陷。電渣焊焊機工作時在機頭安裝了磁控裝置，焊接過程中操作者需根據焊道成形，調整磁場大小，以抑制焊接過程中電磁力的不利影響，改善焊縫成形（見圖2）。

圖2 焊縫成形

帶極電渣堆焊后采用焊條電弧焊堆焊中心區與邊緣R區，焊接過程中須保護好已完成的鎳基堆焊面，防止手工焊接時的飛濺以及電弧傷及母材。起弧時不能在前一道收弧處引弧，且對焊道接頭需進行檢查，根據需要進行輕微打磨拋光，保證搭接區域圓滑過渡。手工R區堆焊時要定時測量圓弧面，保證其滿足圖樣要求。完成手工焊接后，需檢查焊縫的厚度和形狀，且應注意要多焊出一定的厚度，以便有足夠的打磨余量，焊接參數見表4。

每層堆焊完成后，應進行后熱處理，其作用是消除焊接產生的熱應力、均勻焊縫和熱影響區的組織、細化焊縫和熱影響區的晶粒，使得焊材與母材更好熔合。后熱過程中操作者應對后熱溫度的監控和測量，后熱溫度見表4。為了更好的控制焊接質量，管板堆焊完成后還應該進行消應力熱處理（IRS），保溫溫度595～620℃，保溫時間1h以上。

表4 焊接參數

2.3 焊接檢測

（1）化學分析 管板鎳基堆焊完成后，應在管板堆焊層表面磨掉0.5mm后，在深度2mm的范圍內取樣進行化學成分分析，分析結果滿足技術要求（見表5）。

表5 化學成分取樣分析（質量分數） （%）

（2）目視檢測及尺寸檢測 管板堆焊完成后的檢測，首先目視檢測，檢測堆焊層表面是否滿足圖樣規定要求及后續無損檢測要求。同時，目視檢測還包括表面粗糙度及焊縫平滑程度，不得存在表面氣孔、夾渣、裂紋、未熔合、咬邊、焊瘤及內凹等缺陷。焊縫周圍的熔渣及表面的飛濺物必須清除。其次是尺寸檢測主要測量管板尺寸及手工R區弧面尺寸，確保尺寸滿足上游圖樣要求。

（3）超聲波檢測及超聲波測厚 目視檢測完成后，需進行超聲波檢測，檢測堆焊層是否存在體積型、連續未熔合、層下裂紋等缺陷。同時，使用超聲波探測儀進行管板堆焊層厚度的測量，堆焊厚度滿足設計圖樣要求（≥8mm）。

（4）液體滲透檢測 管板堆焊層表面機加工后，最后還需進行PT檢測，對堆焊層表面是否存在尺寸＞1.5mm的顯示，以及尺寸＜1.5mm但其間距＜3mm的顯示，均應作不合格處理，進行手工拋磨修理，用以滿足后續鉆孔要求。

3 結束語

蒸汽發生器管板一次側表面鎳基合金堆焊為大面積異種金屬電渣焊，焊接難度大，并且鎳基合金材料的焊接性能差，是蒸汽發生器制造工藝過程的重點、難點之一[9]。為獲得質量優良的鎳基合金堆焊層，焊接參數的優化、焊道布置的合理化、焊接工位清潔度的保證、焊接設備狀態的良好，以及焊接工人的專業技術和責任心都是不可缺少的。

本文針對管板表面鎳基堆焊的工藝特性，分析了影響焊接質量的重要因素，提出了控制焊接質量的措施，有效地保證了產品的焊接質量，降低了缺陷產生的概率，對提高核島主設備產品焊接質量有一定的指導作用。