CRDM管座貫穿件密封焊工藝改進(jìn)研究

陳俊鋒

摘要：CRDM管座貫穿件密封焊根部焊接裂紋問(wèn)題一直以來(lái)困擾著各大核設(shè)備制造廠。提出一種解決根部裂紋問(wèn)題的工藝改進(jìn)措施，并通過(guò)焊接數(shù)值模擬方法進(jìn)行模擬分析，改進(jìn)了CRDM管座貫穿件密封焊接工藝，解決了根部焊接裂紋問(wèn)題。改進(jìn)后的焊接工藝通過(guò)了焊接工藝評(píng)定的驗(yàn)證。最終，改進(jìn)后的焊接工藝應(yīng)用于產(chǎn)品制造，21根CRDM管座貫穿件密封焊縫所有檢驗(yàn)一次合格。

關(guān)鍵詞：CRDM管座貫穿件;裂紋;焊接模擬;工藝改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TG441.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）11-0058-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.11

0 前言

反應(yīng)堆壓力容器是核島的關(guān)鍵設(shè)備之一，是一回路系統(tǒng)壓力邊界的重要組成部分。反應(yīng)堆壓力容器頂蓋控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）管座貫穿件焊接接頭區(qū)的早期應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂比較嚴(yán)重，是導(dǎo)致頂蓋含輻射性介質(zhì)泄漏的主要原因[1]。

不同項(xiàng)目、不同設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的CRDM管座貫穿件焊接結(jié)構(gòu)，其坡口尺寸、角度等略有差異，但焊接結(jié)構(gòu)一直是CRDM管座與頂蓋的貫穿非全焊透結(jié)構(gòu)，CRDM管座與頂蓋采用插入式套裝結(jié)構(gòu)，CRDM管座與頂蓋存在初始裝配間隙，裝配間隙一直延伸到第一道根部打底焊道（如圖1中的壓套與不銹鋼堆焊層之間的裝配間隙）。

CRDM管座貫穿件焊縫根部存在初始的裝配間隙使根部處于Ⅰ型（張開(kāi)型）裂紋狀態(tài)，該間隙可視作初始裂紋源，在此處會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度急劇下降，即使較小的應(yīng)力和應(yīng)變也會(huì)導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展。因此，無(wú)論是在焊接過(guò)程中或是在后續(xù)產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程中，焊縫根部區(qū)域均是整個(gè)結(jié)構(gòu)中最薄弱的點(diǎn)[2]。

CRDM管座貫穿件根部焊道焊接缺陷問(wèn)題一直困擾著各個(gè)制造廠。某制造廠CRDM管座貫穿件根部焊道采用鎢極氬弧焊（GTAW）焊接后產(chǎn)生的裂紋如圖2所示。以往，大多數(shù)學(xué)者的研究聚焦于CRDM管座貫穿件焊接后的整體應(yīng)力分布情況以及通過(guò)改善焊接后殘余應(yīng)力分布及水平來(lái)減少應(yīng)力腐蝕裂紋，尚無(wú)學(xué)者關(guān)于如何解決此種焊接結(jié)構(gòu)下的根部焊接裂紋的報(bào)道。

文中在原有工藝的基礎(chǔ)上，采用焊接數(shù)值模擬方法對(duì)影響CRDM管座貫穿件焊縫根部裂紋的關(guān)鍵因素（裂紋敏感性、焊接應(yīng)力狀態(tài)等）進(jìn)行分析，以改進(jìn)CRDM管座貫穿件焊接工藝。該研究成果對(duì)于類似產(chǎn)品的焊接具有指導(dǎo)意義，對(duì)于同行業(yè)焊接工藝研究和優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

1 技術(shù)分析

1.1 焊接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

文中研究對(duì)象為某項(xiàng)目CRDM管座貫穿件焊接結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。CRDM管座貫穿件（Inconel 690）與頂蓋母材（SA-508GR.3CL.1帶不銹鋼堆焊層E309L+E308L）采用冷套的形式進(jìn)行裝配，裝配后采用螺紋壓套（Inconel 690）旋入間隙，壓套與不銹鋼堆焊層以及Inconel 690管座貫穿件采用焊接方式（焊材為ERNiCrFe-7A）進(jìn)行密封焊接。壓套與兩側(cè)的CRDM管座和不銹鋼堆焊層均存在初始裝配間隙，在前期工藝開(kāi)發(fā)階段發(fā)現(xiàn)壓套與不銹鋼堆焊層一側(cè)的根部焊接裂紋（見(jiàn)圖2），而另一側(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋。經(jīng)分析，裂紋源為鎳基焊縫結(jié)晶熱裂紋，并且在較大應(yīng)力作用下發(fā)生了擴(kuò)展。

1.2 根部裂紋的關(guān)鍵影響因素分析

1.2.1 裂紋的萌生

Inconel 690鎳基合金為單向奧氏體組織，具有液態(tài)金屬流動(dòng)性差、焊縫金屬熔深淺等特點(diǎn)，存在熱裂紋傾向，焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋[3]。

熱裂紋的萌生過(guò)程與鎳基材料的結(jié)晶過(guò)程有關(guān)，裂紋產(chǎn)生于焊縫金屬凝固過(guò)程的最終階段，此時(shí)溫度略高于固相線，焊縫金屬結(jié)晶接近完成，但晶粒間尚存在著很薄的液相層，塑性很低，即使在應(yīng)變很小的情況下也會(huì)引發(fā)裂紋的萌生（該溫度區(qū)間為脆性溫度區(qū)間BTR），當(dāng)因冷卻不均勻收縮而產(chǎn)生的拉伸變形超過(guò)臨界值時(shí)，即沿晶界液相層開(kāi)裂[2]。熱裂紋的產(chǎn)生與焊縫處于BTR溫度區(qū)間的時(shí)間長(zhǎng)短以及在該溫度區(qū)間產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變量有很大的關(guān)系。

因此，要保證Inconel 690鎳基合金的焊接質(zhì)量，在保證焊縫熔合良好的情況下，必須盡可能地降低熔池溫度來(lái)縮短高溫停留時(shí)間。與熔池溫度相關(guān)的參數(shù)主要有熱輸入和填充金屬量，也就是說(shuō)必須要采用小的熱輸入和大的填充金屬量來(lái)避免熔池過(guò)熱，從而降低熱裂紋的敏感性。

1.2.2 裂紋的擴(kuò)展

焊接應(yīng)力是影響結(jié)晶過(guò)程中拉伸應(yīng)變量的關(guān)鍵因素，也是導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展的必要條件，裂紋的萌生及擴(kuò)展與焊接應(yīng)力密不可分。CRDM管座貫穿件焊接結(jié)構(gòu)存在初始裝配間隙，在此處會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，焊接過(guò)程中的應(yīng)力以及殘余應(yīng)力的大小將直接影響根部裂紋的萌生和擴(kuò)展，此外，材料性能的差異也加劇了交匯區(qū)域的應(yīng)力集中。因此，若要最大限度地抑制根部焊縫裂紋的萌生和擴(kuò)展，必須采取有效的措施來(lái)降低該區(qū)域的應(yīng)力水平，改善其應(yīng)力分布狀態(tài)。

1.3 工藝改進(jìn)分析

1.3.1 熱裂紋分析

原焊接工藝采用的是GTAW焊，其特點(diǎn)是電弧熱量集中、溫度高、電弧穩(wěn)定性好、焊縫質(zhì)量高、焊縫成形窄而薄，通常情況下其焊接質(zhì)量高于焊條電弧焊（SMAW）。因此，對(duì)于一些特殊結(jié)構(gòu)的焊接（如單面焊雙面成型），常采用GTAW。然而，前文提到，對(duì)于熱裂紋的控制要避免熔池過(guò)熱，在相同的熱輸入下需要更多的填充金屬量來(lái)避免熔池過(guò)熱，會(huì)獲得寬厚的焊縫成形，這與GTAW的焊接特點(diǎn)剛好背道而馳。

此外，GTAW為槍-絲分離，在實(shí)際焊接過(guò)程中需要雙手配合協(xié)作，對(duì)焊接技能要求更高，通過(guò)焊接操作控制來(lái)補(bǔ)充填充金屬量的不足也更為困難。相對(duì)而言，SMAW的槍-條一體的焊接特點(diǎn)使其填充金屬量更易控制，在相同熱輸入下更容易獲得寬厚的焊縫。因此，文中提出采用SMAW來(lái)替代GTAW進(jìn)行工藝改進(jìn)。

1.3.2 焊接應(yīng)力改進(jìn)分析

通常情況下，為提高堆焊結(jié)構(gòu)的焊接效率，其焊接順序?yàn)閺淖蟮接一蛘邚挠业阶蠡蜃笥医惶嫱鶑?fù)式運(yùn)動(dòng)，并逐層堆高。但這種焊接順序不利于控制CRDM管座貫穿件結(jié)構(gòu)的根部裂紋，根部處于Ⅰ型（張開(kāi)型）裂紋狀態(tài)，任何垂直于間隙的應(yīng)力分量都會(huì)加劇根部裂紋萌生以及擴(kuò)展的可能性，應(yīng)力分量越大，影響越大。按照通常的焊接順序排布焊道，第一層后續(xù)焊接的每一道焊縫冷卻時(shí)都會(huì)產(chǎn)生垂直于裝配間隙橫向收縮應(yīng)力，并且由于后續(xù)焊道橫向收縮方向與初始間隙處于垂直狀態(tài)，其橫向應(yīng)力在該方向上的應(yīng)力分量接近100%。因此，為減少后續(xù)層焊接產(chǎn)生的焊接應(yīng)力對(duì)根部焊道的影響，擬采用加固焊道的方式來(lái)改善應(yīng)力分布狀態(tài)，在后續(xù)焊道焊接過(guò)程中，由加固焊道分擔(dān)部分橫向應(yīng)力，避免應(yīng)力分量直接作用于打底焊縫根部，從而避免產(chǎn)生裂紋。

1.3.3 焊接參數(shù)改進(jìn)設(shè)置

基于上述分析，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)（SMAW可在更低的熱輸入量情況下獲得所期望的焊縫尺寸），擬定改進(jìn)的焊接參數(shù)，參數(shù)對(duì)比如表1所示，加固焊道焊接順序如圖3所示。

2 焊接模擬分析

為確定改進(jìn)分析的合理性，采用Sysweld軟件對(duì)改進(jìn)前后的焊接工藝進(jìn)行焊接過(guò)程模擬分析，分別對(duì)比了工藝改進(jìn)前后根部焊道的熱裂紋敏感性以及應(yīng)力情況，以驗(yàn)證和完善改進(jìn)后的工藝。

模型采用1/4軸對(duì)稱多層多道焊模型，采用非均勻網(wǎng)格劃分的方式，焊縫到非焊接區(qū)域網(wǎng)格逐步過(guò)渡[4]，由于管座貫穿件焊縫焊接前其余堆焊焊縫已經(jīng)過(guò)熱處理，因此將模型簡(jiǎn)化為非相關(guān)焊縫初始應(yīng)力為0，相關(guān)參數(shù)按母材設(shè)置。焊接參數(shù)充分參考生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，詳見(jiàn)表1。

對(duì)焊接方法、加固焊道兩項(xiàng)關(guān)鍵分析變素進(jìn)行針對(duì)性的建模處理，焊接方法主要影響線能量以及焊縫尺寸的設(shè)定，而加固焊道主要影響焊道的順序排布，建模如下。

2.1 熱裂紋改進(jìn)分析模型

（1）GTAW：熔池尺寸4 mm（熔寬）×2 mm（熔深）;焊道數(shù)量6×5，見(jiàn)圖4a。

（2）SMAW：熔池尺寸6 mm（熔寬）×3 mm（熔深），焊道數(shù)量4×3，見(jiàn)圖4b。

2.2 焊接應(yīng)力改進(jìn)分析模型

正常焊道焊接順序見(jiàn)圖4c，加固焊道焊接順序見(jiàn)圖4d。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 焊接方法對(duì)熱裂紋影響的模擬分析

熱裂紋的產(chǎn)生（結(jié)晶裂紋液膜理論）與熔池凝固最終階段的應(yīng)變量有關(guān)，在有限元模擬中可以通過(guò)計(jì)算高溫區(qū)間的累計(jì)塑性應(yīng)變量來(lái)表征熱裂紋的敏感性[5]。不同焊接方法下的打底焊縫完成后以及最終焊縫完成后的熱裂紋敏感性分布如圖5所示。無(wú)論是在根部打底焊道完成焊接后還是整體焊道全部焊接后，GTAW的根部區(qū)域熱裂紋敏感性明顯要高于SMAW。

結(jié)合焊接溫度場(chǎng)分布（見(jiàn)圖6）可以看出，SMAW焊接時(shí)熔池最高溫度更低（GTAW：2 756 ℃;SMAW：2 320 ℃），相應(yīng)的SMAW熔池的高溫停留時(shí)間更短，因而在凝固最終階段可獲得更低的塑性應(yīng)變累計(jì)量，模擬結(jié)果與實(shí)際一致。由上述分析可知，采用SMAW替代GTAW的方法來(lái)降低熱裂紋敏感性是可行的。

3.2 加固焊道對(duì)焊接應(yīng)力影響的模擬分析

CRDM管座貫穿件密封焊縫焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜、拘束度大，焊后若不經(jīng)歷消除應(yīng)力熱處理，可能存在很大的焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力是誘發(fā)應(yīng)力腐蝕裂紋的關(guān)鍵因素[6]。然而，在存在初始間隙的情況下，焊縫根部三相交匯區(qū)域更易產(chǎn)生應(yīng)力集中，這不僅加劇了應(yīng)力腐蝕裂紋的傾向，也會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域因較高的應(yīng)力水平產(chǎn)生開(kāi)裂。采用原焊接順序以及加固焊道焊接順序的焊接殘余應(yīng)力對(duì)比如圖7所示。兩種焊接順序下，焊接過(guò)程中焊縫根部節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力-時(shí)間對(duì)比曲線如圖8所示。由圖7和圖8可知：在焊接過(guò)程中，打底焊縫完成后兩種工藝下的焊接殘余應(yīng)力水平相當(dāng);從第二道焊縫開(kāi)始，采用加固焊道技術(shù)焊縫根部的殘余應(yīng)力要低于正常焊接順序的，其最終殘余應(yīng)力也會(huì)更低，應(yīng)力累積減少。這表明通過(guò)加固焊道的方式可以緩解后續(xù)焊道焊接過(guò)程對(duì)根部區(qū)域的應(yīng)力疊加作用。

4 結(jié)果驗(yàn)證

4.1 焊接試驗(yàn)和檢驗(yàn)

為進(jìn)一步確定改進(jìn)分析的合理性，對(duì)改進(jìn)后的焊接工藝（采用SMAW并加固焊道）進(jìn)行了工藝評(píng)定，將焊接接頭的金相組織（見(jiàn)圖9），與改進(jìn)前（采用GTAW）的焊縫（見(jiàn)圖2）進(jìn)行了比較?？梢钥闯觯に嚫倪M(jìn)措施有效，改進(jìn)后徹底消除了焊縫根部裂紋。

4.2 產(chǎn)品焊接驗(yàn)證

將改進(jìn)后的焊接工藝應(yīng)用于產(chǎn)品制造，21根CRDM管座貫穿件密封焊縫的所有檢驗(yàn)均一次合格。

5 結(jié)論

提出一種解決CRDM管座貫穿件焊接結(jié)構(gòu)根部裂紋問(wèn)題的工藝改進(jìn)措施，并進(jìn)行了焊接模擬分析，得出結(jié)論如下：

（1）采用SMAW替代GTAW進(jìn)行焊接可避免熔池過(guò)熱，降低熱裂紋敏感性。

（2）采用加固焊道技術(shù)可緩解后續(xù)焊道焊接過(guò)程對(duì)根部區(qū)域的應(yīng)力疊加作用，降低應(yīng)力水平。

（3）采用SMAW和加固焊道技術(shù)能夠解決CRDM管座貫穿件密封焊縫根部裂紋問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 顧正軍. 核電CRDM管座J形坡口焊接接頭區(qū)的殘余應(yīng)力與斷裂分析[D]. 上海：華東理工大學(xué)，2012.

[2] 江國(guó)焱，杜曉波，何冰. 管子管板封口焊接頭設(shè)計(jì)分析[J].東方電氣評(píng)論，2018，32（3）：82-88.

[3] 朱興華. Inconel690鎳基合金材料焊接技術(shù)要點(diǎn)[J]. 電子世界，2013（14）：189.

[4] 王蒞，吳志生，李巖，等. 坡口形式對(duì)304/Q345復(fù)合管焊接接頭殘余應(yīng)力影響的數(shù)值模擬研究[J]. 焊接技術(shù)，2020，49（3）：5-10.

[5] 鄒杰，何冰，江國(guó)焱，等. 冷卻劑泵殼與蒸汽發(fā)生器焊接過(guò)程數(shù)值模擬[J]. 壓力容器，2018，35（10）：37-43.

[6] 付強(qiáng)，羅英，楊敏，等. RPV頂蓋和CRDM管座焊接殘余應(yīng)力三維數(shù)值模擬[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2015，36（11）：105-108，118.