國產(chǎn)百萬千瓦級核電廠電氣貫穿件筒體與端板焊接質(zhì)量分析研究

王彩霞　馬遠(yuǎn)路

摘 要：通過對百萬千瓦級核電廠電氣貫穿件制造中焊接材料的特性、焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施焊人員等因素進(jìn)行分析，找出了影響產(chǎn)品焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵因素，并提出了改進(jìn)措施，以期為提高產(chǎn)品焊縫交檢的合格率提供參考。

關(guān)鍵詞：核電廠；電氣貫穿件；焊接工藝；質(zhì)量分析

中圖分類號：TL353 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.05.077

百萬千瓦級核電廠電氣貫穿件主要承壓部件的材料為0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼和HD245低碳鋼，這2種材料分別用于制造筒體組件的端板和筒體，屬于異種材料焊接。本文將對這2種材料的特性、焊縫結(jié)構(gòu)形式及其采用的手工鎢級氬弧焊和焊條電弧焊焊接工藝方法進(jìn)行分析和工藝試驗，從而解決筒體與端板焊縫一次交檢合格率偏低的問題。

1 材料和結(jié)構(gòu)特性分析

1.1 焊接性能分析

0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼屬于通用型核電材料用鋼，理化性能優(yōu)良，焊接熱裂紋、冷裂紋敏感性較低，焊接性能優(yōu)良。HD245低碳鋼屬于國產(chǎn)新研制的核電材料用鋼，焊接熱裂紋、冷裂紋敏感性較低，焊接性能優(yōu)良。焊接性能分析值如下。

通過上述計算，2類材料均適合焊接熱加工，但作為核電用焊接材料，其在國內(nèi)應(yīng)用不是很廣泛。

1.2 接頭的結(jié)構(gòu)形式

電氣貫穿件筒體與端板焊縫的結(jié)構(gòu)為帶襯墊插入式焊接接頭。在常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，帶襯墊接頭形式的焊縫接頭系數(shù)均<1. 在國產(chǎn)化電氣貫穿件研制的過程中，為了提高導(dǎo)體組件的密封性，筒體與端板的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計為“帶襯墊插入式”接頭；為了提高電氣貫穿件的安全性，襯墊型焊縫接頭系數(shù)必須為1（全熔透型），且其焊縫質(zhì)量等級必須滿足RCC-M S7462條2級焊縫的質(zhì)量要求。

2 焊接缺陷統(tǒng)計分析

在首批交貨的紅沿河1號和2號機(jī)組筒體與端板焊接加工中，焊接一次交檢合格率分別只有74.3%和83.8%. 分析發(fā)現(xiàn)，缺陷主要集中在焊縫根部打底層，缺陷分布和出現(xiàn)的概率為：根部未熔合和咬邊各占35.4%、內(nèi)凹占19.3%、裂紋占9.6%.

2.1 工藝參數(shù)分析

2.1.1 根部未熔合

未熔合主要出現(xiàn)在HD245低碳鋼一側(cè)。形成原因主要是焊接電流過小、接頭組對間隙過小和焊接速度過快。結(jié)合實際產(chǎn)品的施焊過程，可排除焊接電流過小和焊接速度過快因素。通過觀察發(fā)現(xiàn)，根部未熔合主要出現(xiàn)在焊縫收尾階段，在筒體與端板組對的過程中沒有對稱點(diǎn)焊加固，且施焊過程未按工藝規(guī)程對稱施焊、整條焊縫受熱不均、局部熱應(yīng)力集中，造成末端焊縫組對間隙變小，預(yù)先設(shè)定的焊接電流值無法滿足間隙變小后的工藝參數(shù)要求，進(jìn)而造成根部未熔合。

2.1.2 根部咬邊

咬邊缺陷主要出現(xiàn)在0Cr18Ni9不銹鋼一側(cè)。從HD245和0Cr18Ni9的物理性能分析可知，2種材料的電阻率相差57 μΩ/cm，導(dǎo)熱率相差30.60 W/m·K，在同規(guī)格尺寸的工件下，不銹鋼的焊接速度應(yīng)加快10%左右。焊絲填充量需適量增加，否則會造成根部咬邊、焊縫塌陷或焊瘤缺陷。

2.1.3 根部裂紋

裂紋缺陷主要出現(xiàn)在根部焊縫，平行于焊縫中心線，屬于高溫液化裂紋或由于根部打底層中填充材料過少所致。當(dāng)填充材料過少時，焊縫金屬受到母材（HD245）金屬的稀釋作用，會在焊接接頭過渡區(qū)產(chǎn)生脆硬的馬氏體組織，即在HD245一側(cè)熔合區(qū)附近形成低塑性區(qū)，進(jìn)而形成裂紋。

2.2 工作人員

在紅沿河1，2號機(jī)組28件返修產(chǎn)品的返修過程中，3名焊工的返修產(chǎn)品分別占25.0%，42.9%和32.1%.由此可見，在手工焊作業(yè)中，即使采用相同的工藝參數(shù)，人員因素也是不可忽視的。

3 改進(jìn)措施

針對上述問題，在不違背焊接工藝評定的基礎(chǔ)上可實施以下5點(diǎn)改進(jìn)措施：①明確筒體組件組對的工藝要求，規(guī)定對稱點(diǎn)焊加固，給出點(diǎn)焊和施焊的工序分布圖。②由于手工鎢級氬弧焊中規(guī)定的焊接速度的操作性不強(qiáng)，可通過明確在打底層中焊絲的填充量間接固化速度。③在打底層焊縫收弧階段增加氬氣的延遲性保護(hù)；在收弧階段，采取點(diǎn)狀加絲，從而有效增加焊絲的填充量。④針對異種鋼的焊接特性，應(yīng)加強(qiáng)焊工理論和操作培訓(xùn)，增強(qiáng)焊工對2種材料焊接性能的了解。⑤增加打底層焊縫內(nèi)表面的目視檢驗，及時返修缺陷，從而減少返修工作量。

4 整改后的效果

打底層完成后，焊縫按照RCC-M MC7100篇和設(shè)計技術(shù)條件中的要求進(jìn)行了內(nèi)外壁目視檢驗（VT），超標(biāo)缺陷明顯減少；填充和蓋面完成后，焊縫按照RCC-M MC7100篇和設(shè)計技術(shù)條件中的要求進(jìn)行了目視檢驗（VT），按照MC4000篇和設(shè)計技術(shù)條件中的要求進(jìn)行了100%液體滲透檢驗，按照MC3000篇和設(shè)計技術(shù)條件中的要求進(jìn)行了100%射線探傷，產(chǎn)品焊縫質(zhì)量符合RCC-M S7462條2級焊縫要求，焊接一次合格率明顯上升。

5 結(jié)論

通過對整改后福清1號機(jī)組和方家山1號機(jī)組的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品合格率由最初的74.3%穩(wěn)步提高到目前的98.6%，解決了焊縫根部未熔合和根部咬邊缺陷，驗證了前期工藝分析的正確性和改進(jìn)措施的有效性。

〔編輯：張思楠〕

Abstract： Through the analysis of factors on electrical million kilowatt class nuclear power plant， through the characteristics of welding material welding seam structure manufacture and welding personnel， find out the key factors affecting the product quality of welds， and proposes the improvement measure， in order to provide reference for improve the qualification rate of products inspected weld.

Key words： nuclear power plant； electrical penetration assembly； welding process； quality analysis