核電蒸汽發生器最終環縫焊接技術

□ 李雙燕

上海電氣核電設備有限公司 上海 201306

1 研究背景

核電蒸汽發生器上筒體與錐筒體環縫作為最終環縫,是整個制造過程中的關鍵工序之一。上筒體與錐筒體環縫裝配對接時往往存在錯邊情況,焊接操作難度較大。為了提高焊接接頭質量,需要制作合適的接頭坡口形式和尺寸,細化操作工序,對錯邊區域修整焊接,并進行無損檢測。另一方面,采用埋弧自動焊工藝對接焊接蓋面層時,需要采取措施防止出現焊趾裂紋。若上筒體與錐筒體環縫接頭直徑、厚度較大,環縫局部熱處理時,筒體加熱膨脹會導致電加熱板與殼體內壁產生間隙,不能保證加熱的有效性,應制作專用工裝加以避免。當設計要求環縫熱處理過程中需要防止傳熱管產生凹痕時,應采取輔助設備及控制措施。

2 環縫焊接

上筒體與錐筒體材料均為錳鎳鉬低合金高強鋼鍛件,環縫焊縫一般采用U形或V形坡口形式,如圖1所示。內壁對接焊采用手工電弧焊工藝,外壁對接焊采用埋弧自動焊工藝。焊條型號為E9018-G,焊條規格為φ4.0 mm和φ5.0 mm。埋弧焊絲焊劑的組合型號為F8P4-EGN-GN,焊條規格為φ4.0 mm。裝配上筒體與錐筒體,并裝焊固定拉馬和塞鐵,完成后進行目視檢查和尺寸檢查,保證錯邊量不大于6 mm。預熱環縫待焊區域,預熱溫度不低于150 ℃,手工焊接環縫內側,采用φ4.0 mm焊條打底焊接,并采用φ5.0 mm焊條填充焊接,直至環縫內側焊滿。焊接完成后,立即加熱進行去氫處理,溫度為250～400 ℃,時間不短于4 h。使用氣割或碳弧氣刨的方式去除拉馬、塞鐵、預埋弧板,為避免傷及母材,去除時預留至少6 mm余量。氣割或碳弧氣刨去除前,預熱溫度應不低于121 ℃。布置環縫清根工位,外壁采用專用磨銼機打磨清根環縫,并對清根區域進行目視檢查、尺寸檢查和100%磁粉探傷檢查,清根深度為7～8 mm?；谇甯蟮某叽鐧z查數據,若內壁焊縫剩余厚度小于8 mm,則為防止外壁自動焊焊穿,應采用焊條進行補焊,確保外壁自動焊前內壁焊縫厚度不小于8 mm。預熱并進行外壁埋弧自動焊接,焊接完成后,立即加熱進行去氫處理,溫度為250～400 ℃,時間不短于4 h。環縫內側與外側對接焊過程中,控制層間溫度不高于250 ℃。環縫全部焊接完成后,進行輪廓度尺寸檢查,并打磨環縫內外壁,實現圓滑過渡。焊后與熱處理后對環縫接頭進行100%磁粉探傷檢查、100%超聲探傷檢查、100%射線探傷檢查。產品現場焊接頭如圖2所示。

圖1 環縫焊縫形式

圖2 產品現場焊接接頭

外壁自動焊接過程中,應控制熱輸入量,避免局部應力過大。打底層、填充層與蓋面層的焊接參數應進行區分。打底層和填充層的焊接電流為500～600 A,蓋面層的焊接電流為500～550 A。蓋面層焊接時,采用低熱輸入量,并采用退火焊道法進行焊接,減小焊道寬度,增加焊道數量,以減小應力集中,減輕焊接熱影響區過熱區的晶粒粗大問題。蓋面層焊接完成后,立即修磨兩側與母材搭接的焊趾區域,去除成形不良處,拋磨實現平滑過渡。

3 錯邊量處理

環縫錯邊修整堆焊區域如圖3所示。上筒體與錐筒體環縫裝配后,測量并記錄內外壁的錯邊量a2、a1和內外壁的坡口寬度w2、w1,沿圓周方向均布,至少測量八處。根據測量結果,找出最大錯邊量和最小錯邊量,并記錄位置和對應的坡口寬度。當w1/a1<6,w2/a2<6時,蓋面焊縫需要進行修整堆焊。外壁堆焊寬度L1為6a′1,內壁堆焊寬度L2為6a′2,a′1為外壁最大錯邊量,a′2為內壁最大錯邊量。內壁采用手工電弧焊進行焊接,外壁采用埋弧自動焊進行焊接。焊接完成后,進行焊縫輪廓度檢查,并記錄相關位置和尺寸。同時進行100%磁粉探傷檢查、100%超聲探傷檢查和100%射線探傷檢查,確保檢查范圍覆蓋整個環焊縫及修整焊縫區域。

圖3 環縫錯邊修整堆焊區域

當內壁出現錯邊量不小于4 mm的情況時,除進行修整堆焊外,為防止清根后外壁實施埋弧焊時內壁出現燒穿的情況,需要在內壁不進行修整堆焊的一側進行額外堆高焊接,堆高焊縫厚度不小于5 mm。堆焊完成后,進行額外堆高區域的尺寸檢查并記錄,同時進行后續的100%磁粉探傷檢查、100%超聲探傷檢查和100%射線探傷檢查。

4 環縫局部熱處理

蒸汽發生器上部組件與管束組件焊接完成后,蒸汽發生器管束內件不能進行熱處理,上筒體與錐筒體環縫只能采取局部熱處理方式。局部熱處理時,采用電加熱板同時進行內壁和外壁加熱。電加熱板布置時,要確保環縫區域達到熱處理保溫溫度要求。同時要對環縫兩側區域的溫度梯度進行控制。上筒體與錐筒體環縫局部熱處理如圖4所示。焊后熱處理溫度為595～620 ℃,350 ℃以上加熱和冷卻速度不高于55 ℃/h,降到350 ℃以下冷卻。

圖4 上筒體與錐筒體環縫局部熱處理

局部熱處理時,環縫內壁和外壁均布置電加熱板和保溫棉。上筒體和錐筒體在熱處理加熱過程中發生膨脹,容易使電加熱板與殼體內壁產生間隙,不能有效加熱殼體,造成加熱溫度失去控制,無法達到規定要求。為此,制造一種自由伸縮式固定裝置,可隨殼體直徑變化始終使電加熱板與殼體內壁緊密接觸,保證電加熱板不脫離殼件,不與殼件產生間隙,保證加熱的有效性。在環縫內壁電加熱板和保溫棉安裝完成后,對裝置進行固定。裝置下側固定于內套筒上,上側固定在支撐環上。然后進行調節,使裝置與電加熱板和保溫棉相接觸,并壓緊保溫棉。固定裝置安裝如圖5所示。

圖5 固定裝置安裝

5 防凹痕控制

蒸汽發生器上部組件與完整下部組件焊接完成后,采取局部熱處理,并采用熱電偶監測控溫。進行局部焊后熱處理時,蒸汽發生器內部受熱,加熱空氣向上傳送的熱量使蒸汽發生器上部溫度高于下部。當套筒上部及支撐板上部拉桿受熱高于下部時,支撐板產生彎曲,引起支撐板外周區域角位移,導致傳熱管與支撐板梅花孔間的間隙產生變化,嚴重時可能造成傳熱管受梅花孔直段頂壓,出現凹痕。

通過采用冷風機對蒸汽發生器內腔上下部分空氣溫度進行調節,使蒸汽發生器內套筒和支撐板拉桿上下部分的溫度趨于均勻,從而有效避免支撐板彎曲,防止傳熱管產生凹痕。熱處理時,通過布置在頂部支撐板四個位置的角位移測量儀進行變形監控。熱處理溫度降至室溫以后,對蒸汽發生器外圈至少20根U形管進行內部渦流檢測,以驗證傳熱管是否產生凹痕。

為避免上筒體與錐筒體焊縫熱處理時的熱量轉移到二次側,采用一臺抽風機,通過導管連接二次側人孔進行抽風,使熱空氣排出蒸汽發生器。同時,靠近管板的四個手孔打開,其余蒸汽發生器開口關閉,以防止空氣流動?？諝饬鲃尤鐖D6所示。通過改變風機流量,使風機能在不同的流速下使空氣流動。根據支撐板角位移檢測情況,進行風機流量的調節。風機應帶有過濾器,防止異物進入管束區域。

圖6 空氣流動

整個防凹痕過程就是控制頂部支撐板角位移的過程,根據角位移的變化情況靈活控制風機的流量。支撐板的變形主要由管板變形引起,上筒體與錐筒體環縫的局部熱處理受管板影響較小,角位移角度實際測量結果小于0.3°,渦流檢測不出現任何凹痕信號。

6 結束語

筆者介紹了核電蒸汽發生器最終環縫焊接技術。低合金鋼采用埋弧自動焊工藝對接焊時,蓋面層應采用低熱輸入量,并采用退火焊道法進行焊接,降低出現焊趾裂紋的概率。

上筒體與錐筒體環縫出現錯邊時,應對錯邊區域進行修整堆焊,并對修整后的焊縫進行輪廓度尺寸檢查并記錄,同時進行無損檢查,確保檢查范圍覆蓋整個環焊縫及修整焊縫區域。

上筒體與錐筒體環縫進行焊后局部熱處理時,為防止筒體膨脹導致電加熱板與殼體內壁產生間隙,破壞加熱的有效性,可以在環縫內壁電加熱板上布置自由伸縮式固定裝置,避免電加熱板與殼體產生間隙。

為防止熱處理過程中傳熱管產生凹痕,采用冷卻設備將殼體內的熱空氣抽出,使熱空氣排出蒸汽發生器。