凝汽器鈦管-板密封焊縫自動焊修復工藝研究

趙永明，方江，徐忠峰，魯立，查萌，薛新才，李世偉，陶鈞，楊佳

1.中核核電運行管理有限公司 浙江嘉興 314300

2.蘇州熱工研究院有限公司 江蘇蘇州 215004

1 序言

在核能發電中，凝汽器為核電站二回路中關鍵敏感設備，主要起冷卻作用，其運行狀態直接影響核電機組的可靠性。凝汽器管-板一般采用爆炸焊成形的復合鈦鋼板與鈦傳熱管連接的結構，使用脹管加自熔氬弧焊的方法形成密封焊縫[1-5]，以保證密封效果。

由于冷卻水所攜帶的泥沙長期外力沖刷、二次濾網組件脫落造成的撞擊、上游設備脫落的小部件造成的沖擊，以及焊縫原始內部缺陷等因素，在長時間運行后，管-板密封焊縫出現了焊縫余高磨損、焊縫磕傷、焊縫裂紋及焊縫腐蝕等缺陷[6-8]，會嚴重影響凝汽器的安全運行，甚至造成整個機組停運。目前，凝汽器鈦管-板密封焊縫的現場修復一般采用手工氬弧焊修補的方式，普遍存在著修復過程二次污染、可靠性差及效率低等問題。隨著自動焊控制技術和焊接工藝技術的不斷進步和完善，自動焊現場維修技術逐步得到應用。

本文采用自動氬弧焊技術，對凝汽器鈦管-板密封焊縫進行了自熔焊和填絲焊修復，通過無損檢測、宏觀形貌觀察及微觀組織分析等手段，評價了焊縫修復的質量，形成了一整套凝汽器鈦管-板密封焊縫自動修復工藝，為推動自動氬弧焊技術在凝汽器鈦管-板密封焊縫現場修復中的應用提供了借鑒。

2 試驗材料與方法

采用ASTM B265 Gr.1/ A516 Gr.70鈦復合板、ASTM B338 Gr.2鈦管作為試驗材料，鈦管-板的化學成分見表1，鈦管外徑為25mm，長度為100mm，壁厚分別為0.5mm、0.7mm和1.0mm共3種規格。填絲焊修復填充材料采用直徑為0.8mm的ERTi-2焊絲，化學成分見表1。修復焊接位置為5F，采用直流正接法。

表1 鈦管-板及焊絲的化學成分（質量分數） （%）

焊接試驗使用中核核電運行管理有限公司和蘇州熱工研究院有限公司聯合開發的管-板自動焊設備完成，自動焊設備采用1套控制系統（含電源）和2種機頭的組合模式，機頭Model 1000實現鈦管-板密封焊縫模擬件制作和自熔焊修復，機頭Model 2000實現鈦管-板密封焊縫自動填絲焊修復。

首先按照DL/T 1097—2008《火電廠凝汽器管-板焊接技術規程》完成模擬件的制作，其次在模擬件基礎上對鈦管-板密封焊縫進行自動自熔焊和自動填絲焊修復。

2.1 模擬件制作

按照DL/T 1097—2008《火電廠凝汽器管-板焊接技術規程》，使用自動化焊接裝備對鈦管-板進行密封焊接，管-板組對如圖1所示，鈦管-板密封焊縫模擬件焊接參數見表2。引弧從11點位置開始，順時針旋轉一周后在12點位置開始衰減，最后在3點位置收弧，如圖2所示。管-板清洗潔凈，脹管及焊接按照標準執行。

圖1 管-板組對示意

圖2 起弧和收弧位置示意

表2 鈦管-板密封焊縫模擬件焊接參數

焊接完成后，對密封焊縫進行滲透檢測，抽取部分焊縫進行金相宏觀檢測和角焊縫厚度測定，以確定焊縫成形是否滿足標準要求。

2.2 自熔焊修復

在已焊接合格的鈦管-板密封焊模擬件上，使用硬質合金磨頭對原始焊縫整圈打磨，打磨后余高控制在0～0.1mm，滲透檢測合格后，對接頭進行清潔，然后使用管-板自熔焊機頭對密封焊縫進行自熔焊修復，焊接參數見表3。為了增加熔深，可適當調高焊接電流，但是在焊接將要完成階段可適當降低焊接電流，防止過度熔化。

表3 鈦管-板密封焊縫自動自熔焊修復焊接參數

2.3 填絲焊修復

在已焊接合格的鈦管-板密封焊模擬件上，使用硬質合金磨頭對原始焊縫整圈打磨，直至完全清除原始密封焊縫。滲透檢測合格后，用白綢布沾濃度＞95%的酒精或丙酮擦洗接頭，管口清潔度以白綢布蘸酒精擦拭不染色為合格，然后使用管-板自動填絲焊機頭對密封焊縫進行自動填絲焊修復，焊接參數見表4。為了增加熔深，可適當調高焊接電流，但是在焊接將要完成階段可適當降低焊接電流，防止過度熔化。

表4 鈦管-板密封焊縫自動填絲焊修復焊接參數

3 試驗結果

3.1 無損檢測

焊接完成后，對焊縫進行外觀目視檢測和滲透檢測。

1）目視檢測按照NB/T 47013.7—2015《承壓設備無損檢測 第7部分：目視檢測》執行，結果表明，焊縫表面顏色為銀白色，焊縫表面成形均勻，無裂紋、氣孔、未熔合、焊偏及管翻邊等缺陷，焊縫與母材圓滑過渡；模擬件焊縫余高為0.2～0.3mm，自熔焊修復后的焊縫余高為0.1～0.2mm，填絲焊修復后的焊縫余高為0.4～0.6mm；模擬件和自熔焊修復后的焊縫寬度為1.8～1.9mm，填絲焊修復后的焊縫寬度為2.6～2.9mm。

2）滲透檢測按照NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》執行，結果無缺陷顯示。

3.2 宏觀金相

使用線切割方式，對鈦管-板模擬件焊縫、自熔焊修復焊縫和自動填絲焊修復焊縫制取金相試樣，每個焊縫從起弧點位置順時針呈90°切取4個試樣。使用HF∶HNO3∶H2O＝2∶1∶17腐蝕液對金相試樣進行腐蝕，然后采用VHX-1000E超景深三維顯微鏡對試樣進行宏觀觀察，并對角焊縫厚度進行測量。結果表明，所有焊縫無裂紋、未熔合、夾雜及氣孔等缺陷，如圖3～圖5所示。各類焊縫的角焊縫厚度值都均＞2/3的鈦管公稱壁厚，數據統計見表5。

圖3 模擬件焊縫宏觀金相照片

圖4 自熔焊修復焊縫宏觀金相照片

圖5 自動填絲焊修復焊縫宏觀金相照片

表5 鈦管-板密封焊縫角焊縫厚度

3.3 顯微組織

使用金相顯微鏡，對鈦管-板模擬件焊縫、自熔焊修復焊縫和自動填絲焊修復焊縫典型金相試樣進行顯微組織觀察，焊接接頭的金相組織如圖6～圖8所示。結果表明，所有焊縫無裂紋、未熔合、夾雜、氣孔及氧化組織等缺陷。

圖6 0.5mm鈦管-板模擬件修復焊縫顯微金相組織

鈦管和鈦板母材為再結晶等軸α組織[9]。管-板焊接時，晶粒變粗，如圖6a、圖7a和圖8a所示；熔合線模糊，熱影響區與母材的交界線比較清晰，管-板熱影響區為粗大的鋸齒α晶粒和板條α晶粒，如圖6b、圖7b和圖8b所示。鈦管-板模擬件焊縫和自熔焊修復焊縫為鋸齒狀α組織和少量針狀α'組織，如圖6c和圖7c所示，在焊接過程中小的熱輸入能控制α'組織的生成量，提高焊接接頭的質量，另外焊縫中允許存在少量針狀α'組織。圖8c所示為0.5mm鈦管-板自動填絲焊修復后的焊縫組織，由于填絲的緣故，組織為粗大的α組織。

圖7 0.5mm鈦管-板自熔焊修復焊縫顯微金相組織

圖8 0.5mm鈦管-板自動填絲焊修復焊縫顯微金相組織

4 結束語

采用管-板自動焊工藝，對鈦管-板模擬件焊縫進行了自熔焊修復和自動填絲焊修復，通過分析焊接接頭的無損檢測結果、宏觀金相、角焊縫高度和顯微組織，可得出以下結論。

1）焊縫表面顏色為銀白色，焊縫表面成形均勻，未發現焊接缺陷；自熔焊和自動填絲焊修復后的焊縫余高和焊縫寬度滿足標準要求。

2）宏觀金相、微觀組織中無焊接缺陷和氧化組織，各類焊縫的角焊縫厚度值均＞2/3的鈦管公稱壁厚，滿足標準要求。

3）針對現場鈦管-板密封焊縫受損狀況，對于焊縫輕微磨損、磕傷和腐蝕等缺陷，建議采用自動自熔焊修復方式對原始焊縫進行自熔補強；對于焊縫嚴重磨損、磕傷和腐蝕等缺陷，建議采用自動填絲焊修復方式對原始焊縫進行填絲補強。

4）開發的一整套凝汽器鈦管-板密封焊縫自動修復工藝能夠滿足現場檢修的需求。

綜上所述，采用自動自熔焊和自動填絲焊修復工藝得到的鈦管-板密封焊接頭成形良好，組織中無焊接缺陷，角焊縫厚度值滿足要求，解決了手工修復過程中二次污染、可靠性差、效率低等問題。