核電站安注箱瓜瓣封頭焊接裂紋的成因與控制措施

肖瑞旺 高俊根 劉開理 孔永紅

摘要：安注箱封頭采用壓制瓜瓣焊條電弧焊拼接，由于操作不當，在焊后無損檢查時發現存在夾渣、氣孔等缺陷，需要返修補焊。安注箱封頭為瓜瓣拼接、球型形狀，焊接位置為向上爬坡焊，且材質為奧氏體不銹鋼材料，缺陷不能用碳弧氣刨而只能用砂輪打磨的方法清除，由于缺陷打磨過程中沒有注意打磨部位的形狀及補焊過程中的操作，補焊后RT出現裂紋。從安注箱封頭材料的化學成分、缺陷部位清理形狀、焊接工藝、焊工操作等方面分析裂紋原因，提出控制措施：（1）缺陷清除后應圓滑過渡，不得存在尖銳溝槽;（2）焊條擺動寬度不易過大，利用工裝將向上爬坡焊改為水平焊位置;（3）加強技術管控能力。

關鍵詞：安注箱;封頭;瓜瓣拼接;返修;裂紋

中圖分類號：TG441.7? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0114-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.21

0? ? 前言

安注箱是核電站核島重要設備，其主要功能是在發生一回路失水事故時淹沒堆芯，及時帶走反應堆燃料產生的熱量。安注箱為立式承壓容器，兩段由封頭密閉，其封頭由多塊壓制成型的瓜瓣拼焊而成。在某核電廠的安注箱建造過程中，兩臺機組共6臺安注箱封頭在施工時因焊工責任心不強、主觀意識麻痹等原因發生了大量的返修，在返修過程中由于操作不當、焊接工藝執行不合理等原因，在返修補焊后出現裂紋。鑒于安注箱設備的重要性以及安注箱材料的特殊性，裂紋缺陷必須清除并采取措施避免其產生。文中分析了安注箱封頭返修中裂紋產生的原因以及避免裂紋產生的措施，及時完成安注箱封頭的返修。

1 安注箱封頭焊接

安注箱為一個直立容器，筒體兩端用兩個半球型封頭封閉。以上封頭為例，其形狀如圖1所示，上封頭由6片瓜瓣和1塊上極板拼焊而成，上封頭壁厚為44 mm，瓜瓣壁厚40 mm，6片瓜瓣焊縫坡口形式及焊接順序如圖2所示，瓜瓣組件與上極板焊縫坡口形式及焊接順序如圖3所示。

安注箱封頭材料為Z2CN19.10 AC控氮不銹鋼， 其化學成分和力學性能如表1、表2所示。

封頭材料Z2CN19.10 AC是18-8型奧氏體不銹鋼，幾乎不含鐵素體組織[1]。純奧氏體不銹鋼材料可焊性較好，無淬硬傾向，對氫不敏感，一般情況下能很好地適應熔化焊，焊條電弧焊、埋弧焊、惰性氣體保護焊、等離子弧焊等均能獲得具有較好塑性和韌性的接頭。但當焊接工藝參數選用不合理時，純奧氏體不銹鋼具有較大的焊接熱裂紋敏感性，會產生熱裂紋、晶間腐蝕、σ相脆化等缺陷。安注箱封頭由于受其形狀的限制，目前無法采用自動化焊接方法，只能用焊條電弧焊。焊接材料選用大西洋焊條CHS002HR φ3.2/4.0，返修補焊選用φ2.5/3.2，其熔敷金屬化學成分和力學性能見表3、表4。

由表1～表4可知，安注箱封頭材料與焊材在化學成分方面很相近，焊材化學成分與母材匹配[2]。

1.2 焊接工藝評定試驗

在安注箱封頭母材、焊材選定后進行焊接工藝評定試驗，試件坡口形式如圖3所示，焊接位置為PA[3]，采用焊條電弧焊，焊接工藝參數如表5所示。

焊接工藝評定實驗要求直線運條、焊條不擺動。試件焊縫經RT（按一級焊縫評價）合格[4]，進行理化檢驗，其結果如表6、表7所示。焊縫金屬化學成分經德龍圖[5]計算得出焊縫金屬組織δ鐵素體含量為7.6%，由表可知，宏觀微觀金相及晶間腐蝕實驗合格。經評定試驗檢驗，Z2CN19.10 AC使用φ3.2 CHS002HR焊條，運用直線運條、不擺動，在熱輸入0.99～1.35 kJ/mm焊接條件下可以獲得良好的焊接接頭。

2 裂紋產生原因分析

2.1 材料

奧氏體不銹鋼的物理特性是熱導率小、線膨脹系數大，在焊接局部加熱和冷卻條件下，焊接接頭部位的高溫停留時間較長，焊縫金屬及近縫區在高溫承受較高的拉伸應力和拉伸應變，這是產生熱裂紋的基本條件。奧氏體不銹鋼焊縫通常聯生結晶形成方向性很強的粗大柱狀晶組織，在凝固結晶過程中，一些雜質元素及合金元素如S、P、Sn、Sb、Si、B、Nb等易于在晶間形成低熔點的液態膜，這些低熔點液態膜隨著在焊縫冷卻過程中奧氏體凝固結晶而不斷在焊縫中間聚集，在拉伸應力的作用下為熱裂紋的形成提供力的因素。同時，文獻[2]指出熱裂紋的行為與高溫凝固結晶的模式與高溫組織有更加直接的關系，對于不同合金成分的奧氏體焊縫金屬有三種凝固模式：①先結晶析出奧氏體，凝固過程結束后的組織為純奧氏體組織，稱為A凝固模式;②先結晶析出奧氏體，隨后發生包晶和共晶反應，凝固過程結束后的組織為奧氏體+鐵素體，稱為AF凝固模式;③先結晶析出鐵素體，隨后發生包晶和共晶反應，凝固結束后的組織為奧氏體+鐵素體，稱為FA凝固模式。根據晶位潤濕理論，在結晶過程中形成的偏析液態膜能夠潤濕γ界面，而難以潤濕γ+δ界面，因此A凝固模式形成的純奧氏體組織具有較高的熱裂紋敏感性。安注箱封頭材料Z2CN19.10 AC焊縫凝固模式屬于A凝固模式，所以材料自身具有較大的熱裂紋傾向，在操作不當的情況下容易產生熱裂紋。

2.2 打磨方式不當

（1） 采用手工角砂輪打磨方式去除焊接缺陷，打磨時對挖鑿區根部形狀尺寸未做適當要求，造成缺陷區打磨后根部窄，形成窄而深的返修坡口，如圖4所示。當挖鑿深度較深時，在焊接時焊縫中心部位容易造成雜質聚集，同時由于根部窄，焊接時容易出現熔深熔寬比（熔深比）大于1的焊縫。文獻[3]指出熔深大于熔寬的焊縫，其凝固溫度區間增寬，容易產生熱裂紋。

（2）采用手工角砂輪打磨方式去除缺陷，打磨工作量大，磨屑、飛塵容易聚集，缺陷去除后補焊前還需PT檢查，PT后殘留物質易進入補焊區域，雜質的存在也增加了不銹鋼焊接熱裂紋產生的風險。

2.3 熱輸入量的影響

制造廠焊接、返修工藝源自于評定合格的焊接工藝，但在實際實施時焊工并沒有嚴格遵守焊接工藝評定試驗數據，具體表現之一：返修焊縫施焊電弧擺動寬度超過工藝要求（PA位置擺動寬度不能超過焊條直徑的3倍），隨意擺動無限制，如圖5所示。

表現之二：通過查看焊接記錄發現焊工操作時使用焊接參數為：焊接電流130 A、焊接電壓34 V、焊接速度6 cm/min，熱輸入量3.0 kJ/mm。

表現之三：工藝要求焊工操作時焊條擺動寬度不能超過焊條直徑的3倍，實際施焊時焊條擺動寬度已達到22 mm。焊條擺動寬度大，造成焊縫寬度大，焊接位置為上坡焊，熱輸入量大，焊縫在高溫區停留時間長，使得低熔點雜質（S、P）易在晶界上富集，形成的低熔點液態膜將在焊縫中間長時間停留，線膨脹率大，加熱冷卻過程中產生的拉伸應力大，液態膜在拉伸應力作用下開裂，形成熱裂紋。

3 控制措施

3.1 操作人員培訓

成立專門的返修團隊，組織工藝、技術、質量、質保、操作人員對返修工作進行培訓，規定返修環境、操作、焊接工藝、返修平臺，成立專項團隊，挑選有經驗、有技術的焊工承擔返修工作。

3.2 焊接工藝控制

（1）補焊時嚴格控制層間溫度和道間溫度小于等于100 ℃。焊接過程中采取窄焊道、薄焊層、焊條直運條不擺動，適當提高焊接速度，利用工裝調整返修焊接位置，由向上爬坡焊改成水平焊位置，如圖6所示，盡量降低熱輸入量。

（2） 層間、道間清理打磨干凈，嚴格限制焊縫中的C、S、P等雜質元素的含量。

（3） 缺陷清除時注意挖槽坡口形狀，避免尖銳、深窄部位產生。尖而深的根部容易形成熔深比大的焊縫從而造成熱裂紋，為避免這種現象，在返修時規定根部寬度應保證在5 mm以上，為達到此要求，制作檢測工具，檢測缺陷打磨后形狀，如圖7所示。

4 結論

安注箱封頭材料為Z2CN19.10AC控氮不銹鋼，焊接時具有較大的熱裂紋敏感性，必須嚴格控制焊接線能量。在采取控制返修打磨區域形狀、焊接時不擺動、焊接位置改成水平、運用小線能量等措施補焊后，裂紋部位返修合格，沒有發現新裂紋。在此對奧氏體不銹鋼的返修有以下建議：

（1）缺陷清除后根部應圓滑過渡，不得存在尖銳溝槽，并保證根部坡口寬度不影響后續補焊操作;焊接時焊工焊條擺動寬度不宜過大，控制熱輸入量。

（2）補焊時，待補焊部位應處于良好的焊接位置，嚴格控制層間溫度、電流、速度等焊接參數。

（3）制造廠技術人員應加強技術管控能力，焊接技術人員應能降低焊接操作人員違規操作的風險。

參考文獻：

壓水堆核島機械設備設計和建造規則，RCC-M 第二卷 材料（下）[S]. 2007.

壓水堆核島機械設備設計和建造規則，RCC-M 第四卷 焊接[S]. 2007.

國際焊接工程師培訓教程，第四冊：焊接生產及應用2017

中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（2）—材料的焊接[M].北京：機械工業出版社，1992.

壓水堆核島機械設備設計和建造規則，RCC-M[S]. 2007.

李春范.不銹鋼焊接及焊接材料實用手冊[M].北京：化學工業出版社，2015.

傅積和，孫玉林.焊接數據資料手冊[M].北京：機械工業出版社，1994.