核電站主管道窄間隙TIG自動(dòng)焊焊接缺陷原因淺析

黃炳炎　余平　黃宗仁

【摘 要】核電站主管道現(xiàn)場(chǎng)安裝采用窄間隙TIG自動(dòng)焊可提高主管道現(xiàn)場(chǎng)安裝施工質(zhì)量、縮短施工周期。介紹了福清、方家山兩個(gè)核電工程自主研發(fā)的主管道窄間隙TIG自動(dòng)焊工藝的焊接設(shè)備、坡口形式、焊接材料、工藝參數(shù)等，組對(duì)情況、性能試驗(yàn)、無(wú)損檢測(cè)及焊接工期表明窄間隙TIG自動(dòng)焊技術(shù)在核電站主管道現(xiàn)場(chǎng)焊接的工程應(yīng)用是成功的，但由于窄間隙自動(dòng)焊技術(shù)是國(guó)內(nèi)核電工程首次應(yīng)用，需加強(qiáng)反饋、積累經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】核電站；主管道；窄間隙；TIG自動(dòng)焊；焊接未熔合

0 前言

目前國(guó)內(nèi)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站采用M310型機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)為三環(huán)路布置，每條環(huán)路包括反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵三大主設(shè)備，通過(guò)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)管道（簡(jiǎn)稱主管道）將三大主設(shè)備連接起來(lái)，構(gòu)成高溫（設(shè)計(jì)溫度343℃）、高壓（設(shè)計(jì)壓力17.2MPa，abs）、帶放射性的反應(yīng)堆冷卻劑流動(dòng)的環(huán)路。主管道現(xiàn)場(chǎng)焊接是整個(gè)核電廠建造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到核電廠建造的質(zhì)量和進(jìn)度，國(guó)內(nèi)M310型核電機(jī)組主管道現(xiàn)場(chǎng)安裝采用了自主研發(fā)的窄間隙自動(dòng)鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊（TIG）技術(shù)，相比以往的手工TIG打底加手工電弧焊填充的氬電聯(lián)合手工焊工藝，該技術(shù)可提高主管道現(xiàn)場(chǎng)安裝施工質(zhì)量、縮短施工周期。

1 主管道簡(jiǎn)介

M310型機(jī)組每條環(huán)路的主管道由熱段、冷段和過(guò)渡段組成。單個(gè)環(huán)路主管道結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，圖中C1、C4、F1、F4、U1、U2、U4、U6為需在核電站工程現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接的8道主管道焊口。8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)焊口處外徑最小Φ832.5mm、最大Φ976mm，壁厚最小67mm、最大95.7mm。

主管道為鑄造奧氏體——鐵素體雙相不銹鋼Z3CN20-09M，三大主設(shè)備接管嘴材料為鍛造控氮奧氏體不銹鋼Z2CND18-12N。兩種材料的碳含量很低，具有良好的焊接性能。

2 窄間隙TIG自動(dòng)焊工藝

窄間隙TIG自動(dòng)焊工藝是一種高效、優(yōu)質(zhì)的先進(jìn)焊接方法。研究及應(yīng)用表明[1-3]：核電廠主管道現(xiàn)場(chǎng)焊接采用窄間隙TIG自動(dòng)焊工藝是可行的，焊接質(zhì)量是可靠的，具有以往采用的氬電聯(lián)合手工焊工藝無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

2.1 焊接設(shè)備

焊接設(shè)備選用加拿大利保帝（LIBUEDI）公司的全位置脈沖TIG自動(dòng)焊機(jī)，該設(shè)備包括一個(gè)帶有數(shù)字化控制臺(tái)的焊接電源、一個(gè)管道焊接機(jī)頭和軌道、一個(gè)監(jiān)視系統(tǒng)，性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，可進(jìn)行焊接過(guò)程遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和鎢極位置微調(diào)。

2.2 焊接坡口形式

主管道窄間隙坡口為V型和U型組合坡口，如圖2所示，坡口底部寬度約7mm左右，坡口單邊寬度≤10mm，該坡口形式有利于焊接時(shí)形成好的焊縫形狀。坡口鈍邊厚度2.5mm，組對(duì)要求為：焊縫根部間隙0mm～1mm（目標(biāo)值0mm），坡口內(nèi)錯(cuò)邊量≤1.5mm。

2.3 焊接材料

根部焊道焊接材料為RCC-M規(guī)范[4]中ER316L不銹鋼實(shí)心焊絲，填充及蓋面焊道為ASME規(guī)范[5]中ER316LSi不銹鋼實(shí)心焊絲，焊絲化學(xué)成分見(jiàn)表1。高Si含量的ER316LSi焊絲具有較好的熔敷金屬潤(rùn)濕性和流動(dòng)性，有利于填充焊道側(cè)壁和層間充分熔合。

2.4 保護(hù)氣體

焊縫背面和熔池的保護(hù)采用純度不低于99.99%的氬氣進(jìn)行保護(hù)。相比國(guó)外采用氦氣+氬氣混合保護(hù)的焊接工藝，由于保護(hù)氣體為氬氣，適當(dāng)提高了焊接電流來(lái)增加熔深，以降低層間和側(cè)壁未熔合風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)通過(guò)提高焊接速度控制焊接熱輸入。

2.5 焊接工藝參數(shù)

2.6 無(wú)損檢測(cè)

在焊道熔敷15mm厚度左右和50%厚度左右進(jìn)行射線照相檢測(cè)，焊后進(jìn)行射線照相檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和液體滲透檢測(cè)。通過(guò)射線檢測(cè)和超聲波檢測(cè)相結(jié)合，提高焊接未熔合缺陷的檢出率。

3 窄間隙自動(dòng)焊工程應(yīng)用

3.1 應(yīng)用情況

相比氬電聯(lián)合手工焊，窄間隙TIG自動(dòng)焊工藝較易出現(xiàn)側(cè)壁和層間未熔合缺陷，但自主研發(fā)的窄間隙TIG自動(dòng)焊技術(shù)還是成功應(yīng)用于福清、方家山等核電站主管道的現(xiàn)場(chǎng)焊接[3，6]。

福清、方家山5臺(tái)機(jī)組共120道焊口組對(duì)間隙及內(nèi)錯(cuò)邊量均滿足要求，合格率100%；工藝評(píng)定和焊接見(jiàn)證件性能試驗(yàn)自動(dòng)焊接頭拉伸強(qiáng)度與手工焊接頭強(qiáng)度相當(dāng)，而且自動(dòng)焊接頭熔敷金屬的沖擊韌性明顯好于手工焊接頭，特別是自動(dòng)焊對(duì)熱影響區(qū)韌性的降低更是遠(yuǎn)小于手工焊的影響；5臺(tái)機(jī)組共120道焊口和10個(gè)焊接見(jiàn)證件均按要求進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果總體良好，特別是最先施焊的2臺(tái)機(jī)組焊縫無(wú)損檢測(cè)合格率100%；采用窄間隙自動(dòng)焊技術(shù)，單道焊口焊接時(shí)間為10～15天，相比手工焊約30天/焊口，單道焊口焊接時(shí)間縮短將近一半。

3.2 焊接缺陷

福清、方家山5臺(tái)機(jī)組共120道焊口和10個(gè)焊接見(jiàn)證件無(wú)損檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)焊接導(dǎo)致的咬邊、裂紋等缺陷，除6道焊口出現(xiàn)個(gè)別焊接未熔合及氣孔超標(biāo)，其余都滿足RCC-M規(guī)范[4]一級(jí)焊縫質(zhì)量要求，無(wú)損檢測(cè)結(jié)果總體良好。5臺(tái)機(jī)組主管道窄間隙TIG自動(dòng)焊接頭未熔合和超標(biāo)氣孔缺陷情況見(jiàn)表3。

2.編號(hào)1和2的機(jī)組最先焊接，編號(hào)3、4、5的機(jī)組在編號(hào)1和2的機(jī)組焊接完成后才開(kāi)始進(jìn)行焊接.

對(duì)表3中無(wú)損檢測(cè)結(jié)果進(jìn)一步分析，存在如下現(xiàn)象：

1）后焊機(jī)組焊接缺陷比先焊機(jī)組焊接缺陷多。根據(jù)表3最先焊接的編號(hào)1和2兩臺(tái)機(jī)組共48道焊口無(wú)損檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)不滿足設(shè)計(jì)要求的焊接缺陷，焊縫質(zhì)量良好；在編號(hào)1和2兩臺(tái)機(jī)組焊接完成后進(jìn)行的其它機(jī)組主管道的焊接，都出現(xiàn)了不滿足設(shè)計(jì)要求的焊接缺陷。

2）采用自動(dòng)焊工藝返修處易出現(xiàn)缺陷。在編號(hào)5的機(jī)組主管道焊接過(guò)程中，1U4和1U6焊口缺陷去除后采用窄間隙自動(dòng)焊返修時(shí)再次出現(xiàn)不滿足設(shè)計(jì)要求的焊接缺陷。

4 焊接缺陷原因分析及反饋

4.1 后焊機(jī)組焊接缺陷較多

在焊接缺陷出現(xiàn)后，經(jīng)過(guò)詢問(wèn)焊接操作工、調(diào)閱焊接記錄及焊接視頻、檢查焊接設(shè)備，缺陷主要由以下原因造成：

1）焊道表面與坡口側(cè)壁邊緣熔合區(qū)存在輕微的高低不均勻現(xiàn)象，在進(jìn)行下一道焊接時(shí)，焊接操作工未對(duì)輕微不平處修整清理，導(dǎo)致后續(xù)焊道焊接時(shí)該處焊縫熔合不良。

2）焊接時(shí)焊絲出現(xiàn)輕微抖動(dòng)等異常后未及時(shí)停止焊接，導(dǎo)致后續(xù)焊接出現(xiàn)熔合不良。

3）焊機(jī)軌道接頭處些微不平整、導(dǎo)絲嘴孔徑磨損增大等設(shè)備異常導(dǎo)致焊縫熔合不良。

4）出現(xiàn)焊絲尖偏離、鐵水前涌等異常時(shí)，焊接操作工視頻監(jiān)控時(shí)觀察重點(diǎn)為焊縫表面成型及側(cè)壁熔合情況，未關(guān)注焊縫中心熔合情況，沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行焊接過(guò)程中的微調(diào)，導(dǎo)致焊縫中心未熔合。

由于主管道窄間隙TIG自動(dòng)焊技術(shù)是國(guó)內(nèi)核電工程首次應(yīng)用，結(jié)合上述缺陷原因分析，出現(xiàn)后焊機(jī)組焊縫缺陷比先焊機(jī)組缺陷多的現(xiàn)象：一是先焊接的機(jī)組因?yàn)槭钦g隙TIG自動(dòng)焊的首次應(yīng)用，技術(shù)人員及焊接操作工等各方人員高度重視，嚴(yán)格按相關(guān)操作規(guī)程執(zhí)行，在前兩臺(tái)機(jī)組焊接零缺陷后，其它機(jī)組焊接時(shí)人員思想上出現(xiàn)松懈，焊接參數(shù)及鎢極位置微調(diào)不及時(shí)，道間焊縫成形觀察、修整不到位，都易導(dǎo)致出現(xiàn)焊縫缺陷；二是首次應(yīng)用，自動(dòng)焊工程經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)自動(dòng)焊機(jī)保養(yǎng)、易損件磨損情況及其對(duì)焊接操作的影響把握不到位，導(dǎo)致出現(xiàn)焊縫缺陷。

4.2 采用自動(dòng)焊工藝返修處易出現(xiàn)缺陷

查閱焊接記錄，自動(dòng)焊返修處焊道寬度基本靠近工藝覆蓋下限，且焊接缺陷人工打磨去除，打磨后坡口面不如機(jī)加平整，再根據(jù)焊接視頻中熔池流動(dòng)情況，分析認(rèn)為自動(dòng)焊工藝返修處易出現(xiàn)缺陷主要是打磨去除缺陷過(guò)程中因顧忌傷及母材，影響窄間隙焊道坡口狀況，缺陷打磨后的焊道很窄，且打磨坡口面的修整不夠，導(dǎo)致返修過(guò)程中出現(xiàn)氣孔、側(cè)壁未熔合等新缺陷。

4.3 反饋

無(wú)損檢測(cè)結(jié)果表明，主管道窄間隙TIG自動(dòng)焊技術(shù)能有效降低焊接未熔合風(fēng)險(xiǎn)，所進(jìn)行的無(wú)損檢測(cè)也能有效發(fā)現(xiàn)焊接未熔合缺陷，確保主管道焊接質(zhì)量。但后焊的幾臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)的缺陷處理情況表明：

1）窄間隙TIG自動(dòng)焊對(duì)坡口狀況要求極高，焊道間目視檢查應(yīng)觀察到位，對(duì)成形不好的焊道應(yīng)及時(shí)修整；

2）窄間隙TIG自動(dòng)焊對(duì)焊接操作工要求極高，焊接過(guò)程中要觀察到位，應(yīng)能根據(jù)異常情況及時(shí)對(duì)鎢極位置和送絲進(jìn)行微調(diào)；

3）進(jìn)一步把握自動(dòng)焊接設(shè)備保養(yǎng)要點(diǎn)，對(duì)焊機(jī)易磨損也應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，及時(shí)更換。

5 結(jié)論

1）主管道現(xiàn)場(chǎng)焊接采用窄間隙TIG自動(dòng)焊焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊縫質(zhì)量高，接頭性能特別是沖擊韌性優(yōu)于手工焊接頭，且相比以往的氬電聯(lián)合手工焊工藝有效縮短焊接工期，窄間隙TIG自動(dòng)焊技術(shù)在核電站主管道現(xiàn)場(chǎng)焊接的工程應(yīng)用是成功的。

2）無(wú)損檢測(cè)結(jié)果表明主管道窄間隙TIG自動(dòng)焊技術(shù)對(duì)坡口形狀、焊接設(shè)備狀況及焊接操作工要求極高，由于窄間隙自動(dòng)焊技術(shù)是國(guó)內(nèi)核電工程首次應(yīng)用，需加強(qiáng)反饋、積累經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步提高焊縫質(zhì)量。

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[責(zé)任編輯：劉展]