核電廠在制蒸汽發(fā)生器管板損傷缺陷修復(fù)方案研究

金 亮 ，匡艷軍 ，邱振生 ，鄒 杰

（1.核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳518172；2.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，深圳518172；3.東方電氣（廣州）重型機(jī)器有限公司，廣東廣州511455）

0 前言

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電廠核島關(guān)鍵設(shè)備之一，CPR1000技術(shù)路線的蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是連接一回路和二回路的關(guān)鍵熱交換器，其主要功能是通過一回路冷卻劑將反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的熱量傳遞給二回路，使得二回路的水產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電[1]。蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造技術(shù)難度大、制造周期長，由于它是連接一回路（放射性回路）和二回路（非放射性回路）的樞紐，其制造質(zhì)量和進(jìn)度直接關(guān)系到核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

圖1 SG結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Sketch of SG

蒸汽發(fā)生器管板是核島主設(shè)備中最厚的實(shí)心鍛件，管板材料為Mn-Ni-Mo低合金鋼（法國牌號(hào)18MND5），韌性和淬透性良好。管板一次側(cè)（放射性回路側(cè)）表面堆焊厚度約9～10 mm的鎳基合金堆焊層（Inconel 82），以保證與傳熱管有良好的焊接性。傳熱管材料為NC30Fe（法國牌號(hào)，等效為Inconel 690），4 474根傳熱管兩端穿入管板上的8 948個(gè)管孔，傳熱管兩端與管板鎳基合金堆焊層采用不填絲的自動(dòng)鎢極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW）工藝進(jìn)行密封焊接（見圖2）。傳熱管與管板密封焊縫作為一回路壓力邊界，是蒸汽發(fā)生器中最敏感薄弱的部位。

某項(xiàng)目在制蒸汽發(fā)生器進(jìn)行管板與傳熱管密封焊作業(yè)時(shí)，因焊接設(shè)備故障造成蒸汽發(fā)生器管板一次側(cè)鎳基合金堆焊層、管板母材、傳熱管端部發(fā)生熔塌損傷質(zhì)量事件（以下簡稱熔損事件），如圖3所示。該質(zhì)量事件致使蒸汽發(fā)生器一回路壓力邊界的完整性受到破壞，直接威脅到設(shè)備質(zhì)量并制約了項(xiàng)目進(jìn)展。因此，制定合理可行的修復(fù)方案并完成產(chǎn)品返修成為關(guān)鍵。

圖2 密封焊縫結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Sketch of seal weld

圖3 蒸汽發(fā)生器密封焊縫Fig.3 Seal weld characteristics of SG

1 缺陷分析

通過排查焊接操作工、焊接設(shè)備、焊接工藝及焊接環(huán)境等因素，確定熔損事件發(fā)生的直接原因是焊接過程中焊接設(shè)備電流超差保護(hù)功能失效導(dǎo)致焊接熱輸入量急劇增加，并通過試驗(yàn)對(duì)缺陷信息做進(jìn)一步分析和評(píng)估。

1.1 焊接熱輸入量估算

根據(jù)焊接熱輸入量計(jì)算公式 Q=k（U×I/v）×10-3，k表示不同焊接方法的熱效率，為固定常數(shù)。焊接方法一定時(shí)，熱輸入量是由焊接電流I和焊接電壓U乘積或焊接速度v決定。熔損事件發(fā)生時(shí)焊接速度v未發(fā)生改變，可知焊接熱輸入量急劇增加是由焊接電流I和焊接電壓U的乘積增加所致。

采用覆膜方式獲取缺陷部位熔融物的固體模型（見圖4），并將固體模型通過液體排出法測(cè)出熔融物體積，理論計(jì)算熔化該體積熔融物所需的熱輸入量，再通過焊接熱輸入量公式，在焊接速度不變時(shí)，推算出焊接電流和焊接電壓的乘積。

圖4 熔融物體積測(cè)定Fig.4 Volume measurement of the molten metal

1.2 缺陷復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)

根據(jù)焊接冶金原理[2]，焊接電流影響熔深，焊接電壓影響熔寬。在焊接電流和電壓均發(fā)生改變時(shí)，會(huì)導(dǎo)致圖3所示的凹坑形貌。缺陷復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)在傳熱管與管板密封焊縫的焊接見證件試板上進(jìn)行，采用密封焊用焊接設(shè)備進(jìn)行焊接參數(shù)組合試驗(yàn)，通過調(diào)整焊接電流和焊接電壓來復(fù)現(xiàn)缺陷形貌，并獲取所需焊接參數(shù)。采用表1所示的焊接工藝參數(shù)，基本復(fù)現(xiàn)了產(chǎn)品缺陷形貌（見圖5）。

表1 模擬件缺陷復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding parameters for reproducing damage testing of mock-ups

圖5 模擬件缺陷復(fù)現(xiàn)形貌Fig.5 Reproducing damage characteristics of mock-ups

1.3 缺陷尺寸分析

采用缺陷復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)制備模擬件1和模擬件2，用于確定缺陷對(duì)管板低合金鋼母材造成的熱影響區(qū)大小，為后續(xù)產(chǎn)品熱影響區(qū)的清除提供尺寸信息。對(duì)模擬件1沿垂直于管板堆焊層表面縱向鋸切，測(cè)得其在缺陷深度方向上形成的熱影響區(qū)尺寸最大值為1.7 mm。對(duì)模擬件2沿平行于管板堆焊層表面每間隔1.5 mm逐層進(jìn)行線切割，通過金相檢驗(yàn)測(cè)得在管板平面方向上形成的熱影響區(qū)尺寸最大值為4 mm。模擬件1、模擬件2及產(chǎn)品缺陷信息如表2所示。

表2 模擬件缺陷尺寸與產(chǎn)品損傷缺陷尺寸信息Table 2 Damage information of mock-ups and the product

2 修復(fù)方案

根據(jù)產(chǎn)品損傷缺陷分析，損傷凹坑已深入管板低合金鋼母材5.7 mm（含熱影響區(qū)）。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范RCC-M[3]及工程經(jīng)驗(yàn)，低合金鋼焊接返修后需進(jìn)行熱處理來改善焊接熱影響區(qū)的組織和性能。然而熔損事件發(fā)生時(shí)，蒸汽發(fā)生器管束組件已完成最終熱處理并組裝，且完成大部分傳熱管穿管、定位脹接和密封焊工序，補(bǔ)焊后的熱處理（溫度范圍為595～620℃）將會(huì)帶來管孔變形、傳熱管變形和氧化、脹接應(yīng)力釋放等一系列風(fēng)險(xiǎn)，甚至由此導(dǎo)致傳熱管和管板報(bào)廢，熱處理風(fēng)險(xiǎn)過大。基于上述風(fēng)險(xiǎn)，制定三種潛在的無需焊后熱處理的焊接修復(fù)方案。

2.1 異形堵頭焊接方案

打磨清除缺陷及低合金鋼母材熱影響區(qū)，根據(jù)缺陷清除后的凹坑形狀配做異形堵頭（690合金）并對(duì)異形堵頭與管板鎳基合金堆焊層進(jìn)行密封焊接。同時(shí)，其鄰近管孔采用常規(guī)焊接堵頭（690合金）進(jìn)行焊接堵管（見圖6）。堵頭與管板鎳基合金堆焊層均為鎳基合金，焊后無需進(jìn)行熱處理。

圖6 異形堵頭方案示意Fig.6 Scheme of the weird shape plugs

2.2 機(jī)械堵頭+蓋板焊接方案

打磨清除缺陷及低合金鋼母材熱影響區(qū)并打通鄰近管橋，形成規(guī)則的凹坑形狀。首先對(duì)損傷管孔及其鄰近管孔用機(jī)械堵頭進(jìn)行脹管密封，再采用鎳基合金蓋板（690合金）與管板鎳基合金堆焊層進(jìn)行焊接。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，蓋板焊縫距離管板母材至少3.2 mm（見圖7），可保證焊接對(duì)管板母材無熱影響，焊后無需進(jìn)行熱處理。

2.3 回火焊道修復(fù)方案

圖7 機(jī)械堵管+蓋板焊接方案示意Fig.7 Scheme of the mechanical plugs plus welding plate

回火焊道技術(shù)[4]是一種通過控制焊接熱輸入量及熔敷焊道尺寸等因素，在焊道表面指定位置熔敷焊道，借助后一焊道/層的焊接熱對(duì)前一焊道/層產(chǎn)生的粗晶區(qū)進(jìn)行短時(shí)間“回火”，達(dá)到改善母材或熔敷金屬熱影響區(qū)組織和性能的目的，可免除焊后熱處理?；鼗鸷傅兰夹g(shù)在國外核工業(yè)、常規(guī)電站、石化等行業(yè)高溫高壓部件的焊接修復(fù)中得到了廣泛應(yīng)用[5]。

回火焊道修復(fù)方案實(shí)施流程：（1）打磨清除缺陷及低合金鋼母材熱影響區(qū)并打通鄰近管橋，拔出傳熱管并鋸切30 mm，再退管至原位；（2）采用機(jī)加工方式進(jìn)一步擴(kuò)大凹坑尺寸并形成弧面焊接坡口，便于自動(dòng)焊（GTAW）的實(shí)施；（3）通過力學(xué)評(píng)估采用鎳基合金焊絲補(bǔ)焊管板母材不影響管板結(jié)構(gòu)功能，避免先采用低合金焊絲補(bǔ)焊管板母材、再采用鎳基合金焊絲補(bǔ)焊管板堆焊層的復(fù)雜性；（4）配做同材質(zhì)塞棒裝配于管孔中作為焊接襯墊，采用立向上回火焊道自動(dòng)焊技術(shù)焊接鎳基合金（Inconel 82）填充凹坑；（5）焊接完成后通過機(jī)加鉆孔方式去除塞棒和多余的堆焊金屬，恢復(fù)管孔尺寸；（6）拔出傳熱管，按照傳熱管與管板常規(guī)焊接工藝進(jìn)行密封焊接。

回火焊道修復(fù)方案示意如圖8所示。

2.4 修復(fù)方案分析

針對(duì)上述三種潛在的免除焊后熱處理的焊接修復(fù)方案，從修復(fù)方案可操作性、技術(shù)難度、泄露風(fēng)險(xiǎn)及在役檢修等方面進(jìn)行對(duì)比分析及評(píng)價(jià)，如表3所示。

綜合上述三種潛在修復(fù)方案的優(yōu)劣可知，采用回火焊道修復(fù)方案，既有利于保證焊縫質(zhì)量和管板結(jié)構(gòu)完整性且無需堵管；同時(shí)便于在役檢修，可降低檢修成本及檢修人員輻照劑量，從而確保核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此，回火焊道修復(fù)方案成為管板缺陷修復(fù)的首選方案。

圖8 回火焊道修復(fù)方案示意Fig.8 Scheme of temper bead welding

表3 三種潛在修復(fù)方案對(duì)比分析Table 3 Comparative analysis of three potential schemes

3 回火焊道工藝模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)文獻(xiàn)[6-8]，回火焊道的回火效果可通過金相和硬度檢驗(yàn)進(jìn)行判斷。按照回火焊道修復(fù)方案，在傳熱管與管板焊接見證件試板上開展回火焊道工藝試驗(yàn)并進(jìn)行金相和硬度檢驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)方法

采用立向上自動(dòng)GTAW方法，焊絲為Inconel82，規(guī)格φ0.9 mm，保護(hù)氣體為氬氣，純度99.997%，焊道之間搭接量在40%～60%。焊接完成后對(duì)焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行金相檢查和硬度測(cè)試。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

（1）金相檢查。

沿縱向切開焊縫，在焊縫宏觀金相中（見圖9）未發(fā)現(xiàn)裂紋，焊道之間、熔敷金屬與母材之間結(jié)合良好。焊縫微觀金相如圖10所示，焊縫和熱影響區(qū)的微觀組織正常，未發(fā)現(xiàn)異常粗大的組織，低合金鋼熱影響區(qū)經(jīng)過回火焊道的回火作用形成了良好的回火組織，熱影響區(qū)晶粒度測(cè)試為8.5級(jí)。

圖9 焊縫縱截面（沿凹坑縱截面切開）Fig.9 Macrostructure of longitudinal section weld

（2）硬度測(cè)試。

在焊縫橫截面上，采用維氏硬度計(jì)對(duì)回火焊道焊縫、熱影響區(qū)和低合金鋼母材每間隔0.5 mm進(jìn)行硬度測(cè)試，試驗(yàn)載荷為10 kg。1號(hào)測(cè)試線位于低合金鋼母材表面以下1 mm位置處，2號(hào)測(cè)試線位于焊縫半厚度處，3號(hào)測(cè)試線位于焊縫根部表面以上1.5 mm位置處。硬度測(cè)試結(jié)果顯示（見圖11），三條硬度測(cè)試線所覆蓋的整個(gè)焊縫截面及熱影響區(qū)的硬度值均小于320 HV10，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，驗(yàn)證了回火焊道工藝的回火效果。

圖10 焊縫微觀金相組織Fig.10 The microstructure of the weld

圖11 焊縫橫截面硬度測(cè)試結(jié)果Fig.11 Micro-hardness of the transverse section weld

（3）根部未熔合缺陷。

采用移動(dòng)數(shù)控鏜銑床對(duì)返修焊縫進(jìn)行鉆孔去除焊接襯墊（塞棒）時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫根部存在缺陷，缺陷位于塞棒、管孔、補(bǔ)焊焊道的結(jié)合部位（見圖12）。塞棒間隙處缺陷分析如圖13所示，可以推斷：缺陷是由于塞棒與管孔之間必然存在的物理間隙導(dǎo)致焊縫金屬液體流入間隙中，而間隙又因立向上的焊接熱循環(huán)未能充分熔化導(dǎo)致冷卻后形成根部未熔合缺陷。由斷口掃描和微區(qū)化學(xué)分析（見圖14）可知，間隙內(nèi)壁因殘留的空氣而產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，使流入間隙的焊縫金屬液體與間隙內(nèi)壁難以良好結(jié)合。

圖12 鉆孔后的根部缺陷Fig.12 Rooted defect after drilling

圖13 塞棒間隙處缺陷分析Fig.13 Micro analysis for the defect area

在后續(xù)模擬試驗(yàn)過程中雖然通過優(yōu)化塞棒裝配工藝減少了未熔合缺陷數(shù)量，但未能完全避免缺陷。根據(jù)缺陷性質(zhì)及其產(chǎn)生原因，不再從焊接工藝角度消除缺陷，而是在機(jī)械加工（鉆孔）階段通過擴(kuò)孔方式（如擴(kuò)孔直徑達(dá)到設(shè)計(jì)上限，則采用局部打磨方式）來清除缺陷，該處理方式在模擬試驗(yàn)中得到了良好驗(yàn)證。

4 結(jié)論

通過對(duì)在制蒸汽發(fā)生器密封焊期間管板損傷缺陷、修復(fù)方案分析及回火焊道修復(fù)方案的模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，得到結(jié)論如下：

（1）從返修可實(shí)施性、技術(shù)難度、泄露風(fēng)險(xiǎn)及在役檢修等因素綜合考慮，回火焊道修復(fù)方案可恢復(fù)管板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，避免后續(xù)給蒸汽發(fā)生器在役檢修帶來困難，成為修復(fù)方案的首選。

圖14 缺陷斷口形貌及斷口微區(qū)化學(xué)成分分析Fig.14 Fracture morphology and chemestry analysis for the defect area

（2）回火焊道工藝試驗(yàn)結(jié)果顯示焊縫成形良好，焊縫及熱影響區(qū)微觀組織為正常的回火組織，焊縫及熱影響區(qū)的硬度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（3）試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的根部不連續(xù)缺陷，因補(bǔ)焊區(qū)域存在管孔的特殊性，難以從焊接工藝上完全避免。但可在機(jī)械加工（鉆孔）階段通過擴(kuò)孔及局部打磨方式進(jìn)行清除。

（4）本文提出的回火焊道修復(fù)技術(shù)方案在核電工程中已得到應(yīng)用，可為核電工程中類似缺陷修復(fù)提供借鑒。