核級(jí)管道異種鋼焊接缺陷的性質(zhì)、成因及解決對(duì)策

吾之英, 胡建群, 李 強(qiáng), 樊少巖

(1.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院,上海200240;2.中核集團(tuán)秦山第三核電有限公司,海鹽314300;3.上海寶冶建設(shè)有限公司,上海200941)

某核電廠(chǎng)部分核級(jí)管道焊接接頭是ASME SA-106 B和ASME SA-182 F304L的異種鋼焊接.在機(jī)組例行的在役檢查過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)多處異種鋼焊接接頭表面有線(xiàn)性缺陷顯示.鑒于該管道系統(tǒng)在核電站中的重要性,筆者對(duì)上述異種鋼焊接接頭表面的線(xiàn)性缺陷性質(zhì)及其產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析研究,并制定了相應(yīng)的返修工藝.

1 缺陷位置及其形態(tài)

根據(jù)在役檢查記錄,具有表面線(xiàn)性缺陷的異種鋼焊接接頭均為機(jī)組建造期間的現(xiàn)場(chǎng)焊接,采用手工氬弧焊(GTAW),焊材為φ 3.2 mm的ERNiCr-3焊絲;在焊接完成后,需進(jìn)行射線(xiàn)檢驗(yàn)(RT)、超聲波檢驗(yàn)(UT)等無(wú)損檢測(cè),由于部分焊接接頭UT檢查不合格而出現(xiàn)過(guò)返修.為滿(mǎn)足UT檢查要求,對(duì)焊縫咬邊焊接修復(fù),使其與周?chē)覆膱A滑過(guò)渡.

經(jīng)一段時(shí)間運(yùn)行后,對(duì)機(jī)組進(jìn)行了在役檢查,通過(guò)滲透檢測(cè)(PT)發(fā)現(xiàn):異種鋼焊接接頭表面存在上述超標(biāo)的線(xiàn)性缺陷顯示.

1.1 缺陷位置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道的焊縫標(biāo)識(shí),應(yīng)對(duì)缺陷位置進(jìn)行定位.通過(guò)統(tǒng)計(jì)可知,焊接缺陷均位于異種鋼焊縫的不銹鋼一側(cè),在不銹鋼母材的上方(圖1).

圖1 缺陷位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of defect positions

1.2 缺陷的宏觀(guān)形態(tài)和微觀(guān)形態(tài)

通過(guò)PT檢測(cè),典型線(xiàn)性缺陷顯示的宏觀(guān)形態(tài)如圖2所示.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)金相覆膜觀(guān)察到的缺陷微觀(guān)形態(tài)(圖3)具有較明顯的沿晶開(kāi)裂特征[1].

圖2 缺陷的宏觀(guān)形態(tài)Fig.2 Macroscopic feature of defect

圖3 缺陷的微觀(guān)形態(tài)Fig.3 Microscopic feature of defect

2 缺陷重現(xiàn)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料和條件

缺陷大多數(shù)位于理論焊接坡口外面,即位于不銹鋼母材上方,說(shuō)明缺陷主要出現(xiàn)在焊接接頭修復(fù)咬邊的焊道.從實(shí)質(zhì)上看,這個(gè)焊道是不銹鋼母材上的堆焊焊道.為研究上述焊接缺陷產(chǎn)生的原因,進(jìn)行了缺陷重現(xiàn)試驗(yàn).

為保證重現(xiàn)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)條件一致,重現(xiàn)試驗(yàn)所使用的焊接工藝應(yīng)與機(jī)組建造期間一致,其中試驗(yàn)用母材應(yīng)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物材料的化學(xué)成分重新冶煉的材料,這就保證了試驗(yàn)?zāi)覆牡幕瘜W(xué)成份以及冶煉工藝等與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物相近.焊材采用了與機(jī)組建造期間同批號(hào)的ERNiCr-3焊絲,試驗(yàn)?zāi)覆牡幕瘜W(xué)成分示于表1,試驗(yàn)焊材的化學(xué)成分示于表2.

2.2 模擬堆焊試驗(yàn)和模擬坡口焊接試驗(yàn)

2.2.1 模擬堆焊試驗(yàn)

先采用焊材直接在鋼板表面堆焊,工藝則采用現(xiàn)場(chǎng)工藝和方法,得到第一條堆焊焊道;接著在焊道旁邊進(jìn)行第二道焊,模擬返修咬邊的焊接工藝,從而得到第二條堆焊焊道.然后,將焊縫余高修平進(jìn)行PT檢測(cè),發(fā)現(xiàn)第二道焊出現(xiàn)表面缺陷,而在第一道焊表面沒(méi)有缺陷顯示.

表1 試驗(yàn)?zāi)覆牡幕瘜W(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of base metals %

表2 試驗(yàn)焊材的化學(xué)成分Tab.2 Chemical compositions of welding materials %

2.2.2 模擬坡口焊接試驗(yàn)

模擬坡口焊接試驗(yàn)首先在母材上開(kāi)出和現(xiàn)場(chǎng)坡口角度一樣的寬度,深度為5 mm的坡口,坡口焊滿(mǎn)后,去除焊縫余高,經(jīng)PT檢測(cè)合格后對(duì)坡口兩側(cè)的“咬邊”缺陷進(jìn)行補(bǔ)焊,并再次對(duì)焊縫余高進(jìn)行修磨.經(jīng)PT檢測(cè)發(fā)現(xiàn):線(xiàn)性缺陷顯示,且缺陷也得到重現(xiàn).

通過(guò)以上2種試驗(yàn)以及多次重復(fù)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)缺陷均得到了重現(xiàn),這表明缺陷的試驗(yàn)重現(xiàn)并非偶然.

觀(guān)察試驗(yàn)重現(xiàn)的焊接缺陷,其宏觀(guān)形態(tài)與在役檢查所記錄的影像相似(圖4).

圖4 模擬焊接試驗(yàn)重現(xiàn)缺陷的宏觀(guān)形態(tài)Fig.4 Macroscopic feature of defect by the experiment of simulating weld

3 缺陷產(chǎn)生原因的分析

3.1 焊縫橫截面和焊縫表面觀(guān)察

對(duì)模擬堆焊試驗(yàn)的焊接試板進(jìn)行了解剖分析.在焊道的橫截面試樣上進(jìn)行宏觀(guān)觀(guān)察,可看到2個(gè)焊道的熔深基本一致,但第1個(gè)焊道的大度略厚于第2個(gè)焊道(圖5).通過(guò)顯微鏡觀(guān)察發(fā)現(xiàn):裂紋主要出現(xiàn)在第2個(gè)焊道上,而在第1個(gè)焊道上幾乎沒(méi)有裂紋(圖6).按照與現(xiàn)場(chǎng)金相覆膜一致的觀(guān)察方向,對(duì)焊道的表面進(jìn)行觀(guān)察,可在更大范圍內(nèi)看到裂紋在2個(gè)焊道上的分布情況:在第1個(gè)焊道上幾乎沒(méi)有裂紋,裂紋主要出現(xiàn)在第2個(gè)焊道上.裂紋的微觀(guān)形態(tài)為沿晶開(kāi)裂形式(圖7),與現(xiàn)場(chǎng)金相覆膜所觀(guān)察到的裂紋形態(tài)基本一致,這表明試驗(yàn)重現(xiàn)的缺陷與在役檢查時(shí)所發(fā)現(xiàn)的缺陷同屬一類(lèi)缺陷.

圖5 焊道橫截面試樣的宏觀(guān)形貌Fig.5 Macroscopic appearance of weld cross section

圖6 第2個(gè)焊道橫截面上裂紋的微觀(guān)形貌Fig.6 Microscopic appearance of the second weld cross section

圖7 焊道表面的裂紋的微觀(guān)形貌Fig.7 Microscopic appearance of cracks on the surface of the weld pass

3.2 裂紋斷面的分析

將帶有裂紋的試樣置于液氮中充分冷卻后,在沖擊試驗(yàn)機(jī)上把裂紋打開(kāi),將得到的斷面置于掃描電子顯微鏡中,以進(jìn)行斷面分析.在斷面的原始缺陷區(qū)域,其微觀(guān)形貌呈現(xiàn)圓潤(rùn)的自由結(jié)晶表面(圖8);而在新打開(kāi)的斷面區(qū)域,其微觀(guān)形貌為典型的金屬撕裂形貌——韌窩(圖9).

圖8 原始缺陷區(qū)域的微觀(guān)形貌Fig.8 Microscopic appearance of original defect surface

通過(guò)X-ray能譜微區(qū)成分分析可看到:在圓潤(rùn)的自由結(jié)晶表面上,S元素的含量明顯高于韌窩處.

3.3 焊道的化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對(duì)不同的焊道進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果示于表3.

圖9 新斷面區(qū)域的微觀(guān)形貌Fig.9 Microscopic appearance of fresh fracture surface

表3 不同焊道的化學(xué)成分分析Tab.3 Chemical compositions of different weld passes%

從表3可看出:第2焊道的硫含量較高,而鎳元素和鈮元素的含量則明顯較低,這顯然是由于2個(gè)焊道的熔合比不一致所造成的.

3.4 綜合分析

對(duì)于奧氏體鋼,其導(dǎo)熱系數(shù)小,線(xiàn)膨脹系數(shù)大,焊縫金屬在凝固期間存在較大的拉應(yīng)力,這是奧氏體鋼焊接的特點(diǎn);而對(duì)于鎳基合金,豐富的Ni容易在焊接時(shí)與熔池中的S形成NiS及Ni-Ni3S2共晶,它們的熔點(diǎn)僅為797℃和645℃,屬低熔點(diǎn)物質(zhì)[2].此類(lèi)低熔點(diǎn)物質(zhì)在焊縫的凝固過(guò)程中逐漸在焊縫的柱狀間富集,形成低熔點(diǎn)液態(tài)薄膜,并在冷卻收縮時(shí)導(dǎo)致晶間開(kāi)裂[3].

通過(guò)上述試驗(yàn)分析可初步確定:試驗(yàn)重現(xiàn)的缺陷為焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱裂紋.因?yàn)榱蛟厥切纬珊缚p熱裂紋的主要元素,它可擴(kuò)大高溫脆性溫度區(qū)和降低焊縫金屬高溫塑性,含硫量越高,形成熱裂紋的風(fēng)險(xiǎn)越大.結(jié)合以上試驗(yàn)和分析可知,硫含量過(guò)高是形成本文所述的焊接熱裂紋的主要因素.

4 缺陷形成的影響因素

為全面探討上述熱裂紋形成原因的影響因素,采用了不同的焊接工藝進(jìn)行正交堆焊試驗(yàn),以找出熔合比、熱輸入對(duì)熱裂紋的影響規(guī)律,其結(jié)果示于圖10.從圖10可看出,熱裂紋的形成與熔合比有關(guān),只有當(dāng)熔合比在某個(gè)區(qū)間(本試驗(yàn)條件下為50%～60%)時(shí),熱輸入的大小會(huì)影響熱裂紋的形成,由此可看出:在進(jìn)行焊接時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小熔合比,并且采用小的熱輸入,以便得到無(wú)裂紋的焊接接頭.

圖10 試驗(yàn)得出的熔合比、熱輸入與熱裂紋之間的關(guān)系Fig.10 The relationship of fusion ratio vs heat input and its effect on the formation of hot cracks by experiments

5 返修工藝的制定與返修實(shí)踐

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果,返修工藝通過(guò)采用坡口焊減小熔合比,焊接電流為130～160 A,熱輸入不得超過(guò)15 kJ/cm,焊接時(shí)應(yīng)注意提高焊絲填充量等工藝措施,減少母材中硫元素向焊縫中的擴(kuò)散,同時(shí)降低熱輸入.通過(guò)焊接工藝評(píng)定,各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合要求,經(jīng)金相檢查也未發(fā)現(xiàn)有熱裂紋.

采用上述評(píng)定合格的返修工藝,完成了對(duì)核電站核級(jí)管道異種鋼焊接接頭表面線(xiàn)性缺陷的修復(fù)工作,返修焊縫一次合格率達(dá)到了100%.

6 結(jié) 論

(1)本文所研究與分析的異種鋼焊接缺陷為焊接熱裂紋.

(2)焊縫中的硫元素含量過(guò)高是形成核級(jí)管道異種鋼焊接缺陷的主要原因.

(3)在焊接時(shí),控制熔合比和熱輸入可有效防止所述缺陷的產(chǎn)生.

[1]LIPPOLD John C,KOTECKI Damian J.不銹鋼焊接冶金學(xué)及焊接性[J].陳劍虹,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[2]埃里希??？斯?不銹鋼焊接冶金[M].栗卓新,朱學(xué)軍,譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[3]張文鉞.焊接冶金學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.