核電機組Overlay堆焊修復技術的典型應用分析

熊志亮，匡艷軍，劉 飛，柳 猛，黃騰飛，邱振生

中廣核工程有限公司 核電安全監控技術與裝備國家重點實驗室，廣東 深圳 518172

0 前言

隨著我國核電規模的不斷擴大以及機組運行時間的延長，核電材料性能劣化和部件失效的幾率也隨之增加。核電站反應堆壓力容器（RPV）、控制棒驅動機構（CRDM）、穩壓器（PZR）等機械設備及管道系統在運行過程中因制造缺陷、疲勞、腐蝕、磨損、振動等原因誘發裂紋、減薄甚至泄漏的現象時有發生，導致系統的可靠性和安全裕度降低，需及時進行維修或強化。核電設備及管道長期在高溫、高壓、輻照、腐蝕等環境條件下運行，其缺陷維修或結構強化既要保證修復質量，還應滿足輻射防護的相關要求。如采用挖補返修、部件更換等常規維修方式，往往需臨時停運或隔離相關管線系統，影響系統功能，存在異物污染風險，且在部分場合下不可行。

Overlay堆焊修復技術是一種在線維修方法，理論上無需去除缺陷金屬，無需對相關管線系統進行介質排空，可避免或減少返修過程與部件內部介質及被其污染的金屬接觸，易實現遠程機械化作業，有利于控制人員受照劑量，節省維修時間。通過調控構件內部殘余應力、提升堆焊層熔敷金屬服役性能，可實現對應力腐蝕開裂部件的修復和延壽。此外，結合回火焊道設計，還可實現對大壁厚鐵素體材料進行免焊后消應力熱處理的修復［1-2］。

本文結合CRDM的Ω密封焊縫和接管安全端異種金屬焊縫Overlay堆焊修復應用案例，梳理ASME、RCC-M等規范標準要求，探究堆焊層厚度與殘余應力的關系、堆焊結構的設計要求、堆焊材料的選擇原則、典型核電部件堆焊工藝的控制要求、堆焊結構完整性的評價方法等關鍵技術，旨在打破國外壟斷，為該技術在核電設備糾正性維修和預防性維修領域的應用推廣提供參考和指導。

1 Overlay堆焊厚度與殘余應力關系

Overlay堆焊技術是在構件待修復區域表面堆焊一定厚度的耐蝕金屬，進行結構補強和應力調控。一方面，堆焊層構成新的壓力邊界，增加了構件的有效承載面積，同時高韌性、耐腐蝕的堆焊層可提升構件的服役性能，進而實現對含缺陷構件的結構補強。另一方面，堆焊熔敷金屬與母材（包括原始焊縫）的縱向收縮變形不一致，會導致在作為堆焊層剛性支撐的母材（包括原始焊縫）內部形成一定程度的殘余壓應力，通過合理的堆焊結構設計和堆焊工藝控制，改善構件內部殘余應力的狀態及分布，促使堆焊后接頭薄弱區域呈壓應力狀態，抑制裂紋等缺陷的萌生和擴展，進而保證堆焊結構滿足長壽期安全運行要求。

以外直徑273 mm、壁厚7.5 mm、材質為Z2CN 18.10的不銹鋼管道為研究對象，采用ER316L焊絲在其外表面進行Overlay堆焊，堆焊層長度統一為80 mm，保持其他參數不變，分別堆焊1～4層（每層厚度2 mm），分析堆焊層對構件應力狀態的影響。采用MARC軟件進行有限元分析，幾何模型（采用軸對稱模型）和網格劃分情況如圖1所示。采用雙橢球熱源模型和生死單元技術模擬堆焊熔敷過程，從左向右依次進行焊接。

圖1 管道Overlay堆焊有限元幾何模型Fig.1 Finite element analysis model for weld Overlay on pipelines

Overlay堆焊后的軸向殘余應力分布如圖2所示，堆焊后管道內壁呈壓應力狀態，堆焊層最后施焊位置存在一個拉應力區。堆焊1～3層時，隨著堆焊層數的增加，壓應力分布范圍逐漸增大且逐步向管道外壁側移動（堆焊3層時會在管道與堆焊層的交界面處形成壓應力），應力分布整體趨于平穩、均勻，當堆焊層數繼續增加時，管道壁厚上的壓應力分布范圍及峰值均減小。Overlay堆焊后的徑向和周向殘余應力分布分別如圖3、圖4所示，與軸向殘余應力分布規律相似，在堆焊厚度臨界值范圍內隨著堆焊厚度的增加，呈壓應力狀態的區域逐漸增大且趨于平穩、均勻。當堆焊3層時，除管道內壁受壓外，整個管道壁厚方向基本均為壓應力狀態或低拉應力狀態。由此可知，就本文研究對象而言，堆焊3層效果較好，堆焊后管道內表面及鄰近區域呈三維壓應力狀態。

圖2 管道Overlay堆焊后的軸向殘余應力分布Fig.2 Axial residual stress distribution after weld Overlay on pipelines

圖3 管道Overlay堆焊后的徑向殘余應力分布Fig.3 Radial residual stress distribution after weld Overlay on pipelines

圖4 管道Overlay堆焊后的周向殘余應力分布Fig.4 Circumferential residual stress distribution after weld Overlay on pipelines

綜上分析，Overlay堆焊厚度存在一個臨界值，臨界值的大小與待修復部件的壁厚有關，可通過有限元模擬分析等方式確認。在臨界值范圍內，隨著堆焊厚度增加，呈壓應力狀態的區域逐漸增大。當堆焊厚度達到一定尺寸后，管道內表面和一定深度范圍的近內表面能實現壓應力狀態。隨著堆焊厚度增加，內表面應力峰值逐漸降低，呈壓應力狀態的區域逐漸向管道外表面移動。通過調整焊接順序或堆焊層長度，可改變拉應力區與待修復部件薄弱區的相對位置，避免拉應力區位于待修復部件薄弱區處。

2 Overlay堆焊修復標準規范對比

核電機組Overlay堆焊修復分為全結構堆焊修復技術、優化堆焊修復技術、挖槽補焊技術等多種類型［3］，其結構設計、焊材選用、工藝控制、設計評價等需滿足ASME、RCC-M等標準規范的相關要求。

RCC-M規范［4］對常規性堆焊以及結構強度設計進行了規定，如RCC-M S3000規定了不銹鋼/鎳基合金堆焊等焊接工藝評定的相關要求，RCC-M B3600規定了核一級管道結構設計要求等，但沒有關于Overlay堆焊修復技術的專用章節。通過分析可知，RCC-M規范允許在核電部件表面進行堆焊（沒有禁止Overlay堆焊修復），可為Overlay堆焊修復的結構補強設計、焊接工藝評定等提供指導。

ASME規范［5］已將堆焊修復作為一種永久性的修復方法，目前國際上針對核電典型部件的堆焊修復也主要參照ASME體系實施。如ASME第Ⅺ卷IWB-3640和附錄C、第Ⅲ卷NB-3227.7等對堆焊修復結構設計和力學評價的要求進行了規定，第Ⅺ卷非強制性附錄Q規定了核1、2、3級奧氏體不銹鋼管道堆焊修復設計、檢驗的補充要求。此外，ASME規范中有較多關于堆焊修復的規范案例，部分案例的情況分析如表1所示。通過分析可知，ASME規范允許核電部件進行Overlay堆焊修復，并為Overlay堆焊修復的結構設計、工藝設計和檢驗評價等提供了參照。

表1 Overlay堆焊的部分ASME規范案例［6-9］Table 1 Some ASME code cases for Weld Overlay

綜上所述，以堆焊結構設計為例，堆焊最小厚度可基于如下規范要求確定：（1）根據ASME第Ⅲ卷NB-3227.7，滿足壓力所引起的總體一次薄膜應力強度的限制要求；（2）根據ASME第Ⅺ卷IWB—3640，缺陷深度超過壁厚的75%是不可接受的；（3）按照ASME第Ⅺ卷附錄C，根據凈截面塌陷理論以及極限載荷準則計算最小厚度；（4）堆焊至少兩層。

失效模式及工況條件是Overlay堆焊修復焊材選擇的重要因素，當失效模式以應力腐蝕開裂及其引起的其他開裂為主時，應優選耐蝕性好的52/52M鎳基合金，其他場合下耐蝕性可不作為考慮的重點，可選用與母材成分或性能相匹配的焊材。Overlay堆焊修復一般選用稀釋率低、熔敷效率高、焊縫成形好、單層熔深小的焊接工藝，可采用鎢極氬弧焊、焊條電弧焊等方法，對于薄壁結構或熱裂紋敏感材料，應控制道間溫度和焊接熱輸入。

3 CRDM的Ω密封焊縫Overlay堆焊修復

CRDM是核電站進行反應性控制的關鍵核心設備，其機械部件的承壓邊界包含多道薄壁異形的Ω焊縫，壁厚僅為1.9～2.3 mm。國內外多個核電站CRDM發生過Ω焊縫及鄰近母材泄漏的現象（見圖5），泄漏的失效模式主要為應力腐蝕開裂［1，10］。美國Zion核電站、Diablo Canyon核電站、Watts Bar核電站、嶺澳核電站、秦山核電站等多個電站采用Over‐lay堆焊方法進行了修復［11］，主要參照ASME Code Case N-504要求執行并附加了部分特殊要求。

圖5 CRDM Ω焊縫泄漏現場照片Fig.5 Photos of leakage of CRDM Ω welds

2005～2007年，嶺澳核電站先后發現P10、K14、H14等多組CRDM上部Ω焊縫或其鄰近母材存在硼結晶現象。電廠對上述CRDM進行了Overlay堆焊修復，采用應力腐蝕阻抗系數（SCRI）不小于34的鎳基合金焊材（Alloy 52），共堆焊兩層，堆焊總厚度不小于4.06 mm，焊道布置如圖6所示。堆焊過程中，第一層和第二層的最大熱輸入分別控制在6.54 kJ/cm和9.84 kJ/cm，道間溫度控制在177℃。堆焊完成后，通過設備機頭上的一個彩色攝像機對焊縫質量進行目視檢驗，該質量檢驗方式已被NRC所接受。利用殘余應力分析結果推算出構件的應力強度因子，進而開展裂紋擴展分析，計算結果表明，在電站壽期內裂紋擴展尺寸是可以忽略的，與ASME許用的缺陷尺寸比較，裂紋擴展尺寸是保守安全的，堆焊應用可保證修復后的Ω焊縫滿足40年安全運行要求［1］。

圖6 嶺澳核電站CRDM上部Ω焊縫堆焊結構［11］Fig.6 Bead layout and assumed crack propagation paths of weld Overlay on CRDM upper Ω welds in Ling’ao NPP

2013年，秦山核電站發現19組CRDM下部Ω焊縫有缺陷顯示，其中3組發生了泄漏，泄漏原因主要是一回路冷卻劑高溫水中氯離子和溶解氧聯合作用下的穿晶應力腐蝕開裂。最終電廠在保持原來的Ω密封結構形式的基礎上，采用鎳基合金焊材（Alloy 52M）對所有Ω焊縫進行了Overlay堆焊修復，即直接在原焊縫上再堆焊2層鎳基合金［12］。堆焊厚度的設計主要考慮：（1）結構強度。按照原焊縫已全部貫穿進行設計，由于鎳基堆焊層的機械性能優于原不銹鋼焊縫，堆焊層厚度只要不小于原Ω焊縫厚度即可。（2）裂紋擴展。把電站剩余壽命及可能的20年延壽作為假設進行分析，計算得到堆焊層厚度為3.3 mm。堆焊前，須對貫穿性缺陷進行補焊，以防止堆焊過程中出現塌陷缺陷而影響堆焊層質量。此外，堆焊前在焊縫上鉆2個小孔，對密封腔室進行排水放氣，以防止堆焊熔深達到原焊縫中未貫穿缺陷時，內部水汽進入焊接熔池而影響焊縫質量。電廠按照ASME規范NB-4367的要求進行金相檢驗，沒有發現裂紋、未焊透等超出規范要求的焊接缺陷，如圖7所示。

圖7 秦山核電站CRDM下部Ω焊縫堆焊結構和焊縫形貌［12］Fig.7 Bead layout and structure morphology of weld Overlay on CRDM lower Ω seal welds in Qinshan NPP

Watts Bar核電站采用鎢極氬弧焊和Inconel 625對CRDM下部Ω焊縫進行了堆焊修復，共堆焊3層，堆焊總厚度不小于9.144 mm。分析發現，隨著堆焊層數增加，內表面應力逐漸降低，基于SCC擴展規律預測修復后的焊縫壽命超過57年［13］。魯治誠等人［14］對CRDM上部Ω焊縫堆焊修復結構完整性分析的結果表明，修復部件的疲勞性能、應力強度因子及裂紋擴展等均能滿足核電設計規范要求（見圖8）。羅家成等人［15］基于ASME規范中的斷裂力學分析方法，計算得到了CRDM中部Ω焊縫堆焊修復結構在60年設計壽期內的最大環向裂紋深度擴展量（0.567 mm）和最大軸向裂紋深度擴展量（0.414 mm），均小于堆焊設計裂紋允許的擴展量（1 mm）。蘆麗莉等人［16］采用XRD實測法和有限元模擬分析得到的CRDM上部Ω焊縫堆焊殘余應力結果吻合度高達86.4%，整個堆焊構件的殘余應力呈中心對稱分布，平均應力水平約為100 MPa，局部變形量最大不超過0.32 mm。文忠等人［17］通過對AP1000核電站CRDM中部Ω焊縫激光堆焊修復工藝研究發現，焊道搭接率在42%時，可獲得平整的堆焊層，熔池邊界處未混合區鐵素體富集，與鎳基堆焊層形成晶格差異，會導致平直的Ⅱ型邊界出現，需堆焊21道次才能對整個Ω焊縫進行雙層覆蓋，兩側交替堆焊可保證Ω焊縫不出現下塌現象。

圖8 CRDM上部Ω焊縫Overlay堆焊修復的結構完整性分析［14］Fig.8 Structural integrity analysis of weld Overlay on CRDM upper Ω welds

綜上，CRDM Ω焊縫的Overlay堆焊修復重點在于焊道布置和焊接質量控制。對于薄壁結構的Ω焊縫，一般堆焊2～3層（堆焊厚度3～5 mm），通過對密封腔室進行排水放氣以及控制熱輸入來保障Ω焊縫堆焊質量且不出現下塌現象。采用第一層對稱施焊、后續層順序施焊的焊道布置方式進行整圈熔敷，有利于控制焊接變形并促進Ω焊縫區域壓應力的形成。采用52/52M鎳基合金焊材進行堆焊以提升堆焊修復結構的耐蝕性，通過控制焊材雜質元素含量和焊接熱輸入、降低稀釋率、充分打磨和清潔等措施抑制鎳基合金微裂紋等質量缺陷的產生。依據ASME規范要求設計的結構尺寸進行堆焊，可以滿足40年甚至60年壽期服役安全要求。

4 異種金屬焊縫Overlay堆焊修復

RPV、PZR等設備接管嘴一般由低合金鋼制成，而與之連接的反應堆冷卻劑管道材料為奧氏體不銹鋼，為降低現場施焊難度，一般會在接管嘴上預先焊接一段不銹鋼安全端，現場安裝時再進行安全端與不銹鋼管道的焊接。受不同材料熱膨脹系數及合金元素差異、焊接殘余應力、碳遷移、馬氏體帶以及服役環境等因素影響，核電安全端異種金屬焊接接頭服役過程中易產生高溫高壓水環境下的應力腐蝕裂紋（PWSCC），瑞典Ringhals核電站、美國V.C.Summer核電站等曾發生接管安全端開裂失效。

目前減輕和修復PWSCC的技術主要是在安全端管接頭外表面堆焊一層更抗腐蝕的Alloy52材料。1985～1986年，Vermont Yankee沸水堆核電站首次對接管安全端進行了Overlay堆焊修復，之后，美國對D C Cook核電站1號機組等超過200個穩壓器接管安全端焊縫進行了修復［18］（見圖9）。相較于不銹鋼管道焊縫的修復，安全端焊縫的修復難點在于低合金鋼接管側的堆焊，因為在役維修一般很難對鐵素體材料進行焊后消應力熱處理。因此，接管安全端的堆焊修復需采用回火焊道等特殊工藝控制措施。美國機械工程學會在ASME Code Case N-504基礎上，制定了用于指導核級設備異種金屬焊縫全結構堆焊修復的ASME Code Case N-740。回火焊道技術是一種通過精確控制焊接熱循環、焊道幾何尺寸及焊道搭接量，使第二層焊道形成的次臨界區能夠最大程度覆蓋第一層焊道所形成的粗晶區，借助后一焊道熱循環對前一焊道及熱影響區起到“回火”作用（見圖10），改善其組織和性能的焊接修復方法。

圖9 異種金屬焊縫Overlay堆焊修復案例Fig.9 Cases of weld Overlay on dissimilar metal welds

圖10 回火焊道焊接技術示意Fig.10 Diagram of temper bead welding

RPV、PZR接管等異種金屬焊縫堆焊前后的應力狀態分析結果表明［19］，Overlay堆焊可有效改善薄弱區域的應力狀態，堆焊后內表面軸向和環向殘余應力均由拉應力轉變為壓應力，如圖11所示。對堆焊前后的殘余應力進行測試［20］，實測結果與模擬數據趨勢一致（見圖12），Overlay堆焊可使異種金屬焊縫近內表面的應力顯著改善，應力曲線明顯下移，部分位置已經由拉應力轉變為壓應力。張世偉等人［21-22］依據ASME第Ⅺ卷C-5320中關于缺陷深度與厚度比的規定，以及薄膜應力和彎曲應力的限值要求，計算得到秦山核電站穩壓器接管安全端異種金屬焊縫最小堆焊厚度為11.2 mm（接管嘴側）和9.6 mm（管道側），堆焊修復后穩態運行期間軸向和環向殘余應力均轉變為壓縮應力。

圖11 接管安全端異種金屬堆焊修復前后應力分布對比［20］Fig.11 Comparison of residual stress distribution before and after weld Overlay on dissimilar metal welds

圖12 異種金屬焊縫中心線路徑上的應力分布對比［21］Fig.12 Comparison of residual stress distribution along the centerline of dissimilar metal welds

俄亥俄州立大學John C.Lippold等人［23］對異種金屬焊縫Overlay堆焊修復研究發現，堆焊修復后可能發生凝固開裂，這是因為316L型不銹鋼管道硫含量高，52/52M鎳基合金熔敷金屬被不銹鋼材料稀釋，造成其凝固溫度區間變大。為此，需要降低焊接熱輸入和稀釋率，同時考慮在不銹鋼側先預堆焊一層308L過渡層（見圖13），該方案已在穩壓器波動管座修復中應用。此外，ASME Code Case N-766中給出了在應力腐蝕敏感材料的內表面施加耐蝕層的Inlay和Onlay技術［24］，可在一定程度上抑制裂紋萌生和擴展。

圖13 接管安全端異種金屬焊縫堆焊結構優化示意［24］Fig.13 Optimization design of weld Overlay on dissimilar metal welds

分析可知，接管安全端異種金屬焊縫的Overlay堆焊修復重點在于免熱處理實施和SCC控制，可采用回火焊道的工藝控制方式，通過選用52/52M鎳基合金焊材、調控薄弱區域殘余應力分布等措施抑制SCC的萌生和擴展。此外，接管安全端焊縫的堆焊修復需進行超聲檢驗，堆焊層通常會把安全端與主管道的焊縫覆蓋在內，以便不影響該焊縫區域的在役檢查。

5 結論

（1）Overlay堆焊修復可實現對含缺陷構件的結構補強和服役性能提升，可改善構件內部殘余應力的狀態及分布，促使堆焊后內表面或薄弱區域呈壓應力狀態，抑制裂紋等缺陷的萌生和擴展，技術可行性和可靠性在CRDM Ω焊縫、接管安全端異種金屬焊縫等工程維修案例中得到了充分驗證，可廣泛應用于核電部件的糾正性維修和預防性維修。

（2）核電設計規范允許Overlay堆焊修復技術的應用。ASME規范可為堆焊結構設計、工藝設計和檢驗評價等提供依據或指導，通過合理選擇焊材、優化焊道布置、控制焊接熱輸入、降低焊縫稀釋率、采用回火焊道工藝、強化焊接過程管控等措施，可保證Overlay堆焊焊縫質量并實現堆焊修復后構件滿足長壽期安全運行要求。

（3）有必要進一步開展Overlay堆焊修復技術的創新研究，以最大限度地發揮其優越性。焊接工藝方面，研究開發基于激光焊、冷金屬過渡焊（CMT）等高效、低熱輸入焊接方法的堆焊工藝。焊接材料方面，研究開發高熵合金等通用性堆焊材料，進一步攻克異種金屬堆焊焊縫的裂紋缺陷。殘余應力方面，研究開發耦合外能量場調控應力的堆焊修復技術，研究無損、高精度的殘余應力在線測量技術等。