“華龍一號”貫穿件套筒預(yù)制階段的目視檢測

后 燦,邊永豐,謝明根,李義強(qiáng)

(1.中國建筑第二工程局有限公司,北京 101100;2.山東瑞祥模具有限公司,濟(jì)寧 272400)

核電站鋼制安全殼貫穿件是為工藝管道、電纜穿越安全殼時(shí),保持安全殼屏障的完整性和密封性而設(shè)置在安全殼壁上的穿墻連接部件,對核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著非常重要的作用,是核電站安全運(yùn)行的重要保障之一。

“華龍一號”鋼襯里有176個(gè)貫穿件套筒,貫穿件套筒有φ457 mm,φ508 mm,φ610 mm,φ625 mm,φ940 mm,φ1 016 mm等規(guī)格。鋼襯里貫穿件套筒的筒段部分通過卷板機(jī)彎曲成型,水平位置對焊而成。制造過程需要進(jìn)行100%目視檢測、泄漏檢測和滲透檢測,以保證貫穿件焊縫的牢固和密封。目視檢測是多道無損檢測工序中的首位工序,是重要的質(zhì)量檢測控制環(huán)節(jié)。以惠州太平嶺“華龍一號”核島鋼襯里貫穿件套筒為檢測對象,介紹了預(yù)制各階段中目視檢測的重點(diǎn)和常見缺陷,提出相關(guān)套筒筒段縱向焊縫余高及錯(cuò)邊尺寸測量方法并進(jìn)行驗(yàn)證,旨在確保貫穿件套筒預(yù)制過程中的目視檢測符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 預(yù)制各階段檢測重點(diǎn)及常見缺陷

貫穿件套筒預(yù)制過程中,目視檢測的重點(diǎn)主要為表面缺陷、坡口角度、組對間隙、錯(cuò)邊量、焊接接頭的寬度及余高等內(nèi)容。

1.1 組對前表面缺陷

搬運(yùn)和轉(zhuǎn)換工位過程中可能造成磕碰損傷;卷板機(jī)在卷制過程中。鋼板內(nèi)外表面也可能出現(xiàn)壓痕;保存不當(dāng)可能形成銹蝕凹坑;組對前坡口面通過機(jī)加工形成,加工過程中可能會(huì)出現(xiàn)表面不連續(xù)性、表面粗糙、邊緣毛刺等,同時(shí)也可能在坡口面上觀察到鋼板原材料的分層缺陷,這些缺陷都應(yīng)在組對前清除,表面機(jī)械損傷、分層缺陷示例如圖1所示。

圖1 表面機(jī)械損傷、分層缺陷示例

1.2 組對時(shí)表面缺陷

定位焊縫表面裂紋、未熔合、氣孔缺陷示例如圖2所示,定位焊時(shí),焊點(diǎn)處的未熔合、氣孔、夾渣、裂紋、咬邊等缺陷在后續(xù)焊接時(shí),可能被埋入焊縫中,成為內(nèi)部缺陷,進(jìn)而降低焊接接頭的嚴(yán)密性,減小焊縫的有效截面,致使其機(jī)械強(qiáng)度下降,也可能造成應(yīng)力集中,發(fā)展成焊縫裂紋源,因此定位焊的目視檢測應(yīng)和焊縫最終檢測的要求相同。

圖2 定位焊縫表面裂紋、未熔合、氣孔缺陷示例

1.3 焊后外觀檢測

完工的焊接接頭及熱影響區(qū)域不得有裂紋、未熔合、未焊透、密集氣孔、夾雜物、咬邊、焊瘤、未焊滿等外觀缺陷;特別值得注意的是,一些可能影響后續(xù)其他無損檢測結(jié)果的外形缺陷也是不能接受的,如未圓滑過渡的棱邊、打磨溝槽、表面劃傷等,這些缺陷可能對后續(xù)的滲透檢測顯示、射線底片的評定造成干擾,都應(yīng)在其他檢測之前消除。打磨溝槽外形缺陷的射線檢測底片如圖3所示[1]。

圖3 打磨溝槽外形缺陷的射線檢測底片

2 尺寸檢測

坡口角度和組對間隙尺寸應(yīng)按圖紙要求嚴(yán)格控制,通常情況下可采用常規(guī)方法進(jìn)行檢測,即坡口角度使用焊接檢驗(yàn)尺的多用尺與主尺組合測量,組對間隙使用焊縫檢驗(yàn)尺的多用尺或者塞尺直接測量。

焊縫余高過高和錯(cuò)邊量超差是常見的幾何形狀偏差,可能破壞焊接接頭的連續(xù)性,又會(huì)造成局部應(yīng)力集中,降低疲勞強(qiáng)度,影響產(chǎn)品的使用安全周期。近年來國內(nèi)外對焊縫余高和錯(cuò)邊量控制都比較關(guān)注,也制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)加以控制。貫穿件套筒預(yù)制中焊縫余高和錯(cuò)邊量尺寸也有相關(guān)的要求,B.T.S.3.15 《安全殼防泄襯里和空氣閘門建造-無損檢驗(yàn)》 規(guī)范中焊縫余高的允許值如表1所示,同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)要求e<12 mm最大允許錯(cuò)邊量為e/4;e≥12 mm最大允許錯(cuò)邊量為e/10+2,且最大為5 mm。

表1 B.T.S.3.15規(guī)范中焊縫余高允許值 mm

目前,焊縫余高和錯(cuò)邊量的常規(guī)目視檢測方法是使用HJC40型通用焊接檢驗(yàn)尺測量相關(guān)尺寸,HJC40型通用焊接檢驗(yàn)尺結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖4所示。該檢驗(yàn)尺是為平板焊縫設(shè)計(jì)的,其測量套筒卷制縱焊縫尺寸時(shí),即使沒有余高,受套筒結(jié)構(gòu)影響,測量也會(huì)存在偏差,在套筒外表面測量余高時(shí),測量值將小于實(shí)際值,反之在內(nèi)表面測量余高時(shí),測量值將大于實(shí)際值,而且筒徑越小誤差越大,可能造成誤判漏判。因此,用該類型焊接檢驗(yàn)尺測量貫穿件套筒縱向焊縫余高時(shí),必須對測量結(jié)果進(jìn)行修正才能準(zhǔn)確判定余高是否滿足表1中的規(guī)定。同理,由于筒段焊縫兩側(cè)母材存在一定的曲率,使用通用的焊接檢驗(yàn)尺和直板尺測量錯(cuò)邊量時(shí),誤差較大,甚至無法測量。

圖4 HJC40型焊接檢驗(yàn)尺結(jié)構(gòu)及實(shí)物示意

2.1 筒段縱向焊縫余高測量

2.1.1 套筒內(nèi)側(cè)縱向焊縫余高測量修正

以HJC40型焊接檢驗(yàn)尺主尺端面AB為測量基準(zhǔn),在高度尺的配合下進(jìn)行測量,讀出的測量值會(huì)大于實(shí)際值,其差值為Δ內(nèi),套筒內(nèi)側(cè)縱向焊縫余高測量示意如圖5 所示。

圖5 套筒內(nèi)側(cè)縱向焊縫余高測量示意

圖5中套筒內(nèi)側(cè)縱向焊縫實(shí)際余高HE=HH/cosθ,由于傾斜角θ很小,所以HE≈HH/=h;內(nèi)側(cè)焊縫余高測量值h/=FH;當(dāng)無錯(cuò)邊余高為0時(shí),檢驗(yàn)尺讀數(shù)Δ內(nèi)=H/F,則有

Δ內(nèi)=H/F=CD=OC-OD

=(OB2-BC2)1/2-(H/O2-H/D2)1/2

=(r2-82)1/2-(r2-232)1/2

(1)

式中:r為套筒內(nèi)半徑;Δ內(nèi)為套筒內(nèi)側(cè)縱向焊縫余高修正值;h′為焊接檢驗(yàn)尺測量值。

所以修正后的實(shí)際筒段內(nèi)側(cè)縱焊縫余高值h=h′-Δ內(nèi)。

2.1.2 套筒外側(cè)縱向焊縫余高測量修正

HJC40型焊接檢驗(yàn)尺主尺端面AB與套筒外側(cè)表面相切,保證主尺中心線對準(zhǔn)圓心,以此為基準(zhǔn),在高度尺的配合下進(jìn)行測量,讀出的測量值會(huì)小于實(shí)際值,其差值為Δ外,套筒外側(cè)縱向焊縫余高測量示意如圖6所示。

圖6 套筒外側(cè)縱向焊縫余高測量示意

圖6中套筒外側(cè)縱向焊縫實(shí)際余高HE=HH′cosθ,由于傾斜角θ很小,所以HE≈HH′=h;外側(cè)焊縫余高測量值h′=FH;當(dāng)無錯(cuò)邊余高為0時(shí),檢驗(yàn)尺讀數(shù)Δ外=H′F,則有[2]

Δ外=H′F=CD=OC-OD

=R-(H′O2-H′D2)1/2

=R-(R2-232)1/2

(2)

式中:R為套筒外半徑;Δ外為套筒外側(cè)縱向焊縫余高修正值;h′為焊接檢驗(yàn)尺測量值。

所以修正后的筒段外側(cè)縱焊縫余高值h=h′+Δ外。

2.1.3 套筒縱向焊縫余高測量試驗(yàn)

為了驗(yàn)證套筒縱向焊縫余高理論公式的準(zhǔn)確性,選一個(gè)外徑為457 mm,壁厚為16 mm,圓度較好的套筒作為試驗(yàn)對象,套筒內(nèi)、外側(cè)縱向焊縫余高測量現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 套筒內(nèi)、外側(cè)縱向焊縫余高測量現(xiàn)場

由式(1)可得套筒內(nèi)側(cè)焊縫余高修正值Δ內(nèi)=(212.52-82)1/2-(212.52-232)1/2=1.10 mm。選取一處測量點(diǎn),在套筒內(nèi)側(cè)通過HJC40型焊接檢驗(yàn)尺量出縱向焊縫余高測量值h′=4 mm。故修正后內(nèi)側(cè)焊縫實(shí)際余高h(yuǎn)=h′-Δ內(nèi)=2.90 mm。

由式(2)可得套筒外側(cè)焊縫余高修正值Δ外=228.5-(228.52-232)1/2=1.16 mm 。在內(nèi)側(cè)選取測量點(diǎn)對應(yīng)的套筒外側(cè)位置,通過HJC40型焊接檢驗(yàn)尺量出縱向焊縫余高測量值h′=1 mm。故修正后外側(cè)焊縫實(shí)際余高h(yuǎn)=h′+Δ外=2.16 mm。

為了實(shí)際工作中方便,筆者列出幾種常見預(yù)制規(guī)格的貫穿件套筒內(nèi)、外側(cè)縱向焊縫余高修正值Δ(見表2)。

表2 幾種規(guī)格的貫穿件套筒內(nèi)、外側(cè)焊縫余高修正值Δmm

筆者對測量點(diǎn)進(jìn)行切割,然后對焊縫截面進(jìn)行宏觀金相腐蝕,測量得出套筒內(nèi)側(cè)實(shí)際余高h(yuǎn)=2.84 mm,外側(cè)實(shí)際余高h(yuǎn)=2.12 mm。套筒內(nèi)、外側(cè)縱向焊縫余高宏觀金相顯示如圖8所示。

圖8 套筒內(nèi)、外側(cè)縱向焊縫余高宏觀金相顯示

同理,分別對常見規(guī)格的貫穿件套筒加工余量的縱向焊縫余高測量點(diǎn)進(jìn)行取樣,通過金相腐蝕試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,其結(jié)果如表3所示。

表3 幾種規(guī)格的貫穿件套筒內(nèi)、外側(cè)焊縫余高測試值與金相腐蝕驗(yàn)證值對比 mm

可見,采用上述修正方法得到的縱向焊縫余高測試值與金相腐蝕驗(yàn)證值基本一致,此方法用于測量套筒內(nèi)、外側(cè)縱向焊縫余高是可行的。

上述理論計(jì)算都是基于套筒圓度較好的前提下,當(dāng)套筒圓度較差或者焊縫附近存在較大棱角時(shí),修正值Δ可以在筒體上,直接使用HJC40型焊接檢驗(yàn)尺測出,但是必須注意套筒外側(cè)測量時(shí),應(yīng)保持主尺端面中點(diǎn)與切點(diǎn)重合,若中點(diǎn)與切點(diǎn)偏離,將引起更大誤差。

2.2 錯(cuò)邊量測量

套筒筒段存在一定的曲率,使用通用焊接檢驗(yàn)尺和直板尺測量錯(cuò)邊量較困難。在測量之前,需要加工輔助測量的試板,通過配合使用可快速測出。

在套筒外側(cè)測量錯(cuò)邊量時(shí),輔助測量試板的內(nèi)圓弧半徑為被檢套筒的外半徑R,試板內(nèi)側(cè)母材切割有一個(gè)同圓心的槽;在套筒內(nèi)側(cè)測量時(shí),輔助測量試板的外圓弧半徑為被檢套筒的內(nèi)半徑r,試板外側(cè)母材切割有一個(gè)同圓心的槽[3]。槽深應(yīng)高于被檢焊縫余高,寬度大于焊縫寬度加兩側(cè)各15 mm,輔助試板兩側(cè)端面至槽距離相同,且要保持平整一致,輔助測量試板結(jié)構(gòu)及其實(shí)物如圖9所示。

圖9 輔助測量試板結(jié)構(gòu)及其實(shí)物

在套筒外側(cè)測量錯(cuò)邊量時(shí),首先目測錯(cuò)邊最嚴(yán)重的位置,再將輔助測量試板的圓弧槽中心線與縱向焊縫中心線對齊,使用鋼板尺分別測出焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)至槽的距離,兩邊測得高度之差即為焊縫該處的錯(cuò)邊量,套筒外側(cè)縱向焊縫錯(cuò)邊量測量原理及現(xiàn)場如圖10所示。

圖10 套筒外側(cè)縱向焊縫錯(cuò)邊量測量原理及現(xiàn)場

筆者測量了外徑為457 mm的貫穿件套筒縱向焊縫兩邊熱影響區(qū)至槽的距離,其結(jié)果分別為11 mm和7 mm,所以錯(cuò)邊量為4.0 mm。

為了驗(yàn)證此方法的可行性,在測量位置選取試樣進(jìn)行宏觀金相腐蝕,外側(cè)顯示的錯(cuò)邊量為3.90 mm,內(nèi)側(cè)顯示的錯(cuò)邊量為3.92 mm(見圖11),結(jié)果與上述測量計(jì)算值基本一致,證明此方法適用。

圖11 套筒內(nèi)外側(cè)縱向焊縫錯(cuò)邊量的宏觀金相顯示

3 結(jié)語

(1) 貫穿件套筒預(yù)制中,組對定位焊焊縫外觀缺陷的檢測不能忽視,其可能影響產(chǎn)品整體焊縫質(zhì)量和使用壽命,并影響后續(xù)其他無損檢測結(jié)果的判定。

(2) 采用HJC40型通用焊接檢驗(yàn)尺測量貫穿件套筒內(nèi)、外側(cè)縱向焊縫余高時(shí),需要進(jìn)行修正才能得到實(shí)際的余高值。圓度較好的預(yù)制套筒,縱向焊縫余高修正值可以通過表2直接得到,也可通過式(1)和式(2) 計(jì)算得到。

(3) 對于幾種常用規(guī)格的套筒,可提前加工一些輔助測量試板,方便快速測量出套筒縱向焊縫錯(cuò)邊量。該方法也可以用于相似管段等部件焊縫尺寸的測量,便于目視檢測人員能夠準(zhǔn)確判斷出相關(guān)焊縫尺寸是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。