核電站蒸汽發(fā)生器管子—管板焊縫滲漏分析

張金元 趙素朝 符麗勇

摘 ?要：核電站蒸汽發(fā)生器的管子-管板封口焊縫是一次側(cè)與二次側(cè)的密封焊縫，其焊接質(zhì)量直接影響核設(shè)施的運行安全。封口焊縫數(shù)量多，質(zhì)量要求高，無損檢測有一定的局限性，給質(zhì)量控制帶來一定的難度。文章通過對蒸汽發(fā)生器管子-管板封口焊制造工藝和流程全過程的分析，找出了封口焊縫滲漏的影響因素，總結(jié)了質(zhì)量控制的經(jīng)驗，期待核電設(shè)備采購方、制造商、建安承包商及業(yè)主同行引以為鑒，共同做好設(shè)備采購和質(zhì)量控制工作，以確保核電設(shè)備的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：蒸汽發(fā)生器;封口焊縫;經(jīng)驗反饋

中圖分類號：TG457.5 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2016）03-0167-03

1 ?概 ?述

1991年6月，秦山核電站作為中國第一座核電站并網(wǎng)發(fā)電，實現(xiàn)了中國核電制造從無到有的歷史跨越。

在國內(nèi)核電建設(shè)者引以自豪的同時，許多在建造過程中由于技術(shù)不成熟或管理不到位等原因帶來的問題逐漸顯現(xiàn)，還存在較多技術(shù)難題亟待解決，必須引起大家足夠的認(rèn)識和警醒。日本福島核電事故的發(fā)生，再次敲響了核電安全的警鐘。

作為核島四大主設(shè)備之一，在國內(nèi)承制的蒸汽發(fā)生器（以下簡稱SG）其制造、檢驗和驗收規(guī)范主要為法國RCC-M或美國ASME規(guī)范，國內(nèi)現(xiàn)有SG制造廠的制造經(jīng)驗也是在采購過程中通過國外技術(shù)轉(zhuǎn)讓、在國外專家的現(xiàn)場指導(dǎo)下積累下來的。鑒于國內(nèi)SG制造廠對SG設(shè)計理論的基礎(chǔ)試驗研究不深，對SG制造工藝試驗的研究、消化水平有限，又鑒于相關(guān)焊接設(shè)備、焊接材料、傳熱管等關(guān)鍵技術(shù)不能國產(chǎn)化，筆者認(rèn)為，國產(chǎn)SG的焊接工藝設(shè)計、制造工藝流程設(shè)計尚待逐步完善。本文通過對蒸汽發(fā)生器管子-管板封口焊制造、檢驗活動進行詳細(xì)解析，找出管子-管板封口焊滲漏的主要原因，期待制造廠對SG關(guān)鍵工藝技術(shù)進行改進，加強過程控制，避免類似質(zhì)量問題的重復(fù)發(fā)生。

2 ?管子-管板封口焊縫質(zhì)量問題的產(chǎn)生過程

2011年， 國內(nèi)某在建核電廠的SG在現(xiàn)場水壓試驗過程中發(fā)生滲漏，返修后對SG進行二次側(cè)第二次水壓試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其它部位仍有滲漏點。隨后，在表面未做任何處理的情況下，對所有的封口焊縫進行100%液體滲透檢查（以下簡稱PT）檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)數(shù)75個焊縫存在顯示，接著，進一步對75個封口焊焊縫進行100%射線探傷檢查（以下簡稱RT），結(jié)果有9個焊縫存在記錄性缺陷。管子-管板焊縫滲漏示意圖，如圖1所示。

基于上述原因，設(shè)備制造廠隨即簽發(fā)了停工令，要求對所有在制的SG管子-管板封口焊縫進行排查。經(jīng)過對現(xiàn)場在制的SG的第二次排查，檢查結(jié)果見表1。

事件發(fā)生后，制造廠根據(jù)缺陷的性質(zhì)、位置分布，對制造過程進行了逐一排查，最終認(rèn)為影響封口焊質(zhì)量的主要原因是由于焊前清潔不徹底，焊接過程中由于鎢極燒損后更換不及時而影響焊接電弧導(dǎo)致焊后產(chǎn)生內(nèi)部氣孔。

為了確保原因分析的準(zhǔn)確性，制造廠進行了專項工藝試驗，組織國內(nèi)專家進行經(jīng)驗交流，聽取了專家、學(xué)者的意見，對封口焊焊接質(zhì)量進行了分析和經(jīng)驗總結(jié)，改進了部分制造工藝。

3 ?管子-管板封口焊縫的焊接和檢驗

管子-管板封口焊焊縫示意圖，如圖2所示。

管子-管板封口焊焊縫微觀金相照片（放大200倍），如圖3所示。

SG傳熱管材料為NC30Fe，管外徑Φ19.05 mm，管板一次側(cè)為鎳基堆焊層，管板孔尺寸為Φ mm，管板孔與管子外壁單邊最大間隙為0.15 mm。

傳熱管與管板的裝焊包括：穿管、定位脹、封口焊、液壓脹四個工藝過程。

管子-管板封口焊焊縫采用立位、全自動、全位置焊接。全自動焊機包括弧焊電源（電子控制的弧焊變壓器，可輸出脈沖電流）、控制系統(tǒng)及焊機機頭?？刂葡到y(tǒng)一般由編程控制，包括焊接過程的程序控制（送氣、引弧、機頭旋轉(zhuǎn)、熄弧、斷氣）及參數(shù)自動優(yōu)化控制等。焊接機頭包括焊嘴、定位導(dǎo)桿、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)等。焊接設(shè)備帶三相全自動補償電力穩(wěn)壓器。

封口焊縫在焊接結(jié)束后要進行如下檢查：

①尺寸檢查（DT）、目視檢查（VT）、表面粗糙度檢查;

②液體滲透檢驗（PT）;

③密封性檢驗（LT）;

④另外，封口焊焊縫焊后還要進行6%射線抽檢（RT）（制造廠內(nèi)部控制）。

封口焊焊縫根部焊縫缺陷照片，如圖4所示，延伸到焊縫中的缺陷照片，如圖5所示，因為焊接應(yīng)力產(chǎn)生的撕裂照片，如圖6所示，因為焊接應(yīng)力產(chǎn)生的撕裂照片，如圖7所示。

封口焊焊接工藝評定和見證件的檢驗要求：

①焊喉平均值（焊接3點鐘及9點鐘位置）≥0.9 e（e為管子壁厚，0.98 mm）; 焊喉單個值≥0.66 e（0.72 mm）;②焊根（未熔合及其它缺陷尺寸）≤0.1 mm;③不允許有裂紋，只有局部最短的泄露途徑>0.66 e時，才允許存在氣孔和夾雜物。

3 ?無損探傷在管子-管板封口焊應(yīng)用中的局限性

3.1 ?滲透探傷的局限性

PT檢查只能檢測開口型缺陷。一旦焊縫中的微小氣孔（管子-管板封口焊多為針尖氣孔）被焊縫表面的氧化物覆蓋，PT檢查就會失效。

另外，PT檢查對環(huán)境的溫濕度要求較高，如果當(dāng)時環(huán)境的濕度較大，凝結(jié)在封口焊焊縫上的水膜就會預(yù)先通過毛細(xì)作用先行吸附到焊縫缺陷的開口當(dāng)中，而隨后PT檢查涂覆的滲透液對微小氣孔的滲透、擴散作用就會大大減弱，發(fā)生漏檢的可能性極大。

3.2 ?射線探傷的局限性

管子管板封口焊射線檢查使用射線源為Ir192，焦點尺寸為0.5×0.5 mm。在檢測工藝方面，由于底片的幾何不清晰度（Ug值）與射線源尺寸成反比，要使Ug盡可能小，只有使射線源尺寸盡可能小或焦距盡可能大。實際上，在管子-管板封口焊焊縫RT探傷過程中使用的射線源尺寸要遠(yuǎn)大于缺陷的實際尺寸，這樣，射線照相底片存在很大的幾何不清晰度，射線檢查的效果并不是很理想。

目前，制造廠在管子-管板封口焊的檢查過程中設(shè)置射線檢查，其目的不是為了專門檢測焊縫內(nèi)部缺陷，而是為了避免產(chǎn)生批量缺陷。

3.3 ?氦檢漏的局限性

氦檢漏僅能發(fā)現(xiàn)貫穿性的缺陷（例如氣孔）;對于非貫穿性的缺陷是無法發(fā)現(xiàn)，檢驗方法的局限性造成無法真實準(zhǔn)確地判斷設(shè)備的制造質(zhì)量。

4 ?制造工藝過程對管子-管板封口焊質(zhì)量的影響

4.1 ?管板鎳基堆焊層質(zhì)量的影響

管板鎳基堆焊層雖然焊后進行了PT和UT探傷（只是消除了超標(biāo)缺陷而已），但是仍然殘存大量的非超標(biāo)缺陷。這些殘存的非超標(biāo)缺陷為日后的封口焊接留下了質(zhì)量隱患。在實際封口焊過程中，也多次發(fā)現(xiàn)因為堆焊層缺陷影響封口焊質(zhì)量的事實。管板堆焊層中殘尊的缺陷，如圖8所示。

4.2 ?深孔鉆工藝流程的影響

該制造廠管板深孔鉆安排在管板堆焊、機加工后進行。因為深孔鉆工序的超前設(shè)置，造成管板孔在熱處理工序二次污染，且管板孔直徑較小，管板孔內(nèi)表面的氧化層清理困難，給后續(xù)的封口焊焊接帶來質(zhì)量隱患。

國內(nèi)其它SG制造廠的管板鎳基堆焊后，暫不安排管板深孔鉆，而是先安排與下部筒節(jié)組對焊，待CVP組件整體消除應(yīng)力熱處理后，再安排管板深孔鉆。

4.3 ?熱處理工藝流程的影響

該制造廠的管板深孔鉆后的消除應(yīng)力熱處理安排了兩次熱處理，且管板孔均受到了長時間熱處理的影響（氧化、二次污染）：

①管板與下部筒體下筒節(jié)（VB）組對焊成CVP組件的整體消除應(yīng)力熱處理（深孔鉆后，管板孔造成污染）。

②CVP組件與TVC組件組對焊成TIF組件的整體熱處理（深孔鉆后，管板孔造成污染）;

國內(nèi)其它SG制造廠的熱處理工藝安排：

①CVP組件整體消除應(yīng)力熱處理（還未深孔鉆，管板孔未造成污染）;

②CVP組件與TVC組件組對焊成TIF組件采用局部熱處理（雖然已經(jīng)深孔鉆，但是局部熱處理不會對管板孔造成污染）。

4.4 ?封口焊過程控制對封口焊質(zhì)量的影響

4.4.1 ?對清潔度、溫濕度的控制情況

該制造廠的清潔室為卷簾式頂棚，卷簾傳遞部位有縫隙，清潔室與外界有氣體交換，外部焊接、焊縫打磨產(chǎn)生的煙塵可能進入到清潔室。清潔度不夠?qū)Ψ饪诤纲|(zhì)量帶來隱患。

該制造廠位于河道邊緣，長年濕度較大，清潔室內(nèi)對濕度的控制不到位（管板表面時常發(fā)現(xiàn)冷凝水的薄膜）。濕度對封口焊質(zhì)量帶來隱患。

國內(nèi)其它SG制造廠家的清潔室為全密封房間，清潔室內(nèi)有中央空調(diào)進行溫度控制，有大型工業(yè)除濕機進行除濕。疑似殘存在傳熱管外壁與管板孔之間的雜質(zhì)，如圖9所示。

4.4.2 ?對封口焊焊縫區(qū)域的拋磨情況

由于對封口焊焊縫表面的氧化膜清理不徹底，覆蓋有氧化薄膜的封口焊焊縫在后續(xù)的PT檢查過程中，沒有將隱埋的缺陷暴露出來。

4.4.3 ?對焊接使用鎢極的控制情況

合格的鎢極尖頭可保持電弧穩(wěn)定和足夠的熔深，若焊接鎢極不合格，會造成鎢極燒損，影響焊接電弧燃燒的穩(wěn)定性（該制造廠的鎢極是焊接操作者自己修磨，對封口焊焊接帶來質(zhì)量隱患。）。

國內(nèi)其它SG制造廠的鎢極通過外協(xié)廠加工，鎢極的質(zhì)量好，封口焊質(zhì)量受控。

4.5 ?焊接工藝對封口焊縫質(zhì)量的影響

焊接引弧電流上升階段，成形效果不理想，需要利用后續(xù)焊接對電流上升階段的焊縫進行重熔。為改善焊縫質(zhì)量，可以在焊接起始段通過延時進行重熔即可，但是該制造廠實際重熔兩圈，焊接圈數(shù)多，勢必造成封口焊焊縫產(chǎn)生過渡氧化（鎳在溫度達(dá)到750 ℃則能劇烈氧化）。

另外，該制造廠在焊接過程中預(yù)設(shè)的保護氣體預(yù)通氣、滯后保護時間僅為8～10 s（國內(nèi)其它廠家為20 s），造成封口焊焊縫表面殘留大量的氧化層，給封口焊帶來質(zhì)量隱患。

4.6 ?焊接操作對封口焊縫質(zhì)量的影響

實踐證明，焊接機頭定位不良、鎢極長度調(diào)節(jié)不良等因素也是造成焊接缺陷的原因。如圖10所示。

5 ?配套輔助工藝對封口焊縫質(zhì)量的影響

5.1 ?定位脹使用可溶性潤滑脂的影響

該制造廠使用的可溶性潤滑脂的部分成分見表2。

其中，肥皂、自由基的脂肪酸均是碳?xì)溲趸衔?，水是碳?xì)浠衔铮@些物質(zhì)均是產(chǎn)生氣孔的直接誘因。

在機械脹管過程中，脹輥與傳熱管間摩擦并產(chǎn)生大量的熱，潤滑脂極易在滾壓摩擦熱下液化并滲透到脹接接頭的縫隙，鎳基材料的焊接對水、油脂非常敏感，水、油脂是封口焊焊縫產(chǎn)生氣孔的主要原因。

國內(nèi)其它SG制造廠家在定位脹過程中使用的酒精和丙酮（使用熱空氣吹干后極易揮發(fā)，不會產(chǎn)生焊接污染）。

5.2 ?封口焊保護氣體組成設(shè)計對封口焊質(zhì)量的影響

鎳及鎳合金焊接時最常見的氣孔是H2O（水）氣孔。由于液態(tài)鎳能溶解大量氧（1 720 ℃時氧在鎳中的溶解度為1.18%），凝固時，氧的溶解度下降（1 470 ℃時僅為0.06%）。凝固過程中過剩的氧將鎳氧化成氧化亞鎳（NiO），氧化亞鎳和熔池中的氫化合，鎳被還原而氫和氧結(jié)合成H2O，其反應(yīng)式為：

NiO+H2→Ni+H2O

（封口焊焊接使用的保護氣體有5%H2，因而容易在焊接過程中形成水）。由于封口焊采用的是脈沖電流，能量的輸入有間歇，焊接過程中高溫停留時間短，熔池金屬冷卻快，被還原的水受熱膨脹來不及溢出便產(chǎn)生氣孔。

國內(nèi)其它SG制造廠封口焊保護氣體為氦氣和氬氣兩種惰性氣體（不含還原性氣體，不會產(chǎn)生焊接污染）。

6 ?經(jīng)驗總結(jié)及思考

①務(wù)必重視工藝交底工作，提高操作人員的操作技能和質(zhì)量意識。

②務(wù)必重視深孔鉆和熱處理等工藝流程設(shè)計，避免管板孔受到氧化和污染。

③務(wù)必重視管板鎳基堆焊層的焊接質(zhì)量控制，避免堆焊缺陷對封口焊質(zhì)量的影響。

④務(wù)必重視對焊接工藝評定的控制，避免焊接工藝缺陷對封口焊質(zhì)量的影響。

⑤務(wù)必重視清潔室溫度、濕度控制，避免濕度對焊接的影響。

⑥務(wù)必重視焊接過程控制?？刂坪煤附訁?shù)、焊接機頭定位、鎢極到工件距離、保護氣體質(zhì)量、鎢極的質(zhì)量等。

⑦務(wù)必重視封口焊待焊表面的清潔度控制，避免管孔表面的氧化物、水漬、油污等對封口焊質(zhì)量的影響。

⑧務(wù)必重視焊縫表面的拋磨、清理工作，避免因為缺陷被覆蓋而漏檢。

⑨務(wù)必重視對PT探傷過程中的溫度、濕度控制，避免溫濕度對PT檢查的影響。

⑩務(wù)必重視對封口焊焊接過程中使用的輔助耗材的控制，避免耗材最封口焊質(zhì)量產(chǎn)生影響。

7 ?結(jié) ?語

只要設(shè)備制造參與者對每個不符合項做到切實的分析和處理，及時地總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)，做到質(zhì)量原因分析不清不放過，沒有采取切實可行的糾正措施不放過，不符合項是不會重復(fù)發(fā)生的，SG管子-管板封口焊縫質(zhì)量也是可以得到有效控制的。

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