核電站冷凝器管板密封焊的缺陷在線修復(fù)

夏軍，黃定濤，馮興旺

中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司 廣東深圳 518023

1 序言

冷凝器屬于表面式熱交換器的一種，是核電站二回路凝結(jié)水系統(tǒng)中的重要設(shè)備。汽輪機(jī)內(nèi)作過(guò)功的蒸汽進(jìn)入冷凝器，冷卻水（海水）在鈦管內(nèi)流動(dòng)，蒸汽在鈦管的外表面受冷卻凝結(jié)成水后進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)。冷凝器作為冷卻二回路水的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)于保證一回路持續(xù)冷卻、確保堆芯安全具有重要的意義。

鈦管和管板密封焊作為核電站二回路循環(huán)水和海水冷卻水的密封邊界，由于焊縫的原始制造缺陷、異物的磨損、系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的沖刷和腐蝕等原因，可能導(dǎo)致管板密封焊縫局部泄漏，進(jìn)而導(dǎo)致密封屏障失效。如果不進(jìn)行修復(fù)，海水進(jìn)入核電站二回路后將影響二回路設(shè)備可用性和冷凝器的真空度，破壞核電站的安全運(yùn)行。因此，必須對(duì)存在缺陷的管板密封焊縫進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)其密封邊界的完整性[1]。

2 焊縫缺陷的檢查與成因分析

2.1 冷凝管板結(jié)構(gòu)分析

鈦的平衡電位很低，從熱力學(xué)角度而言是非常活潑、腐蝕傾向很大的金屬。但由于其和氧有很大的親和力，在空氣或者含有氧的介質(zhì)中，會(huì)在表面生成一層致密的、強(qiáng)附著力的、具有較大惰性的氧化膜，并且即便受到機(jī)械磨損后，也會(huì)很快地重新生成以保護(hù)基體不受氧化侵蝕。因此，在氧化性或者弱還原性的環(huán)境中，鈦表現(xiàn)出強(qiáng)烈的鈍化傾向。在315℃以下的介質(zhì)溫度中，鈦材始終保持著耐腐蝕性能，又由于其導(dǎo)熱系數(shù)小以及耐熱性能好等特點(diǎn)，是發(fā)電廠凝汽器冷凝管較好的選擇材料[2]。

某核電廠冷凝器選用鈦管作為換熱管材料，采用膨脹-密封焊方式制作的冷凝器管板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 冷凝器管板密封焊結(jié)構(gòu)

首先，通過(guò)機(jī)械方式將管束和管板進(jìn)行強(qiáng)度脹接，之后通過(guò)焊接的方式將管板和管束進(jìn)行密封，形成冷凝器密封的一道屏障。在進(jìn)行焊接前，先進(jìn)行脹管的優(yōu)點(diǎn)[3]：一方面，由于冷卻管的管壁較薄，如果不進(jìn)行脹管或者脹管不足，冷凝管和管板之間會(huì)出現(xiàn)間隙，焊接時(shí)就可能出現(xiàn)燒穿或者未熔合等焊接缺陷；另一方面，由于鈦材具有較高的化學(xué)活性，使其對(duì)焊縫以及焊材表面的污物十分敏感，因此，焊接時(shí)需要在背面進(jìn)行氬氣保護(hù)。但凝汽器受結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法從管板里進(jìn)行充氬保護(hù)。因此采用先脹后焊，脹管后就能消除管與管板孔之間的間隙，從而避免焊縫背面的氧化或合金燒損。

其次，必須保證機(jī)頭定芯棒插入管子內(nèi)防止管子移動(dòng)。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中脹接部分主要受振動(dòng)和循環(huán)載荷，而焊縫部分主要起密封作用[4]。

由于核電站冷凝管板的重要性，需要定期對(duì)其進(jìn)行缺陷檢查以保證其功能完整性。在設(shè)備檢修過(guò)程中，冷凝器管板密封焊的缺陷可通過(guò)目視檢查、液體滲透檢測(cè)、泄漏性試驗(yàn)及壓力試驗(yàn)等進(jìn)行檢查確認(rèn)?？梢酝ㄟ^(guò)滲透檢測(cè)的方式發(fā)現(xiàn)密封焊表面的缺陷，如果存在缺陷則可以通過(guò)焊接的方式及時(shí)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，以恢復(fù)其完整性要求。

2.2 缺陷及成因分析

某核電站大修期間對(duì)進(jìn)口水室凝汽器管板部分傳熱管（鈦管）管口密封焊縫進(jìn)行目視檢查和滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)冷凝器管板焊縫有腐蝕跡象、磨損和線性顯示，如圖2～圖5所示。從圖中可看到明顯的腐蝕現(xiàn)象，主要集中在焊縫處。部分磨損嚴(yán)重的區(qū)域，管口全周均被磨損，熔合線不明顯甚至消失；通過(guò)PT檢測(cè)，有的區(qū)域出現(xiàn)了明顯的線性顯示，管板損傷嚴(yán)重。

圖2 密封焊腐蝕

圖3 密封焊磨損情況

圖4 線性顯示一

圖5 線性顯示二

諸多原因都會(huì)導(dǎo)致凝汽器發(fā)生破損泄漏，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在泄漏隱患、換熱管振動(dòng)設(shè)計(jì)不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，或管子與管板存在質(zhì)量問(wèn)題。另外，在制造安裝階段，管孔是否倒角，安裝時(shí)的劃傷、磕碰，以及管端脹接、焊接質(zhì)量等均會(huì)影響凝汽器的焊接質(zhì)量。補(bǔ)水等附加流體進(jìn)入凝汽器的水質(zhì)不達(dá)標(biāo)也會(huì)造成凝汽器的泄漏隱患。

綜合分析該凝汽器的磨損程度與分布，焊接工藝以及運(yùn)行環(huán)境，分析其泄漏與磨損更有可能是由運(yùn)行期間海水生物腐蝕、貝殼劃傷、沙子沖蝕等造成的。由于電站處于海灣邊，海水泥沙含量大、流速快，當(dāng)海水所攜帶的顆粒狀泥沙沖擊冷凝管板時(shí)，以及其他物品沖擊管板，最終造成其磨損與腐蝕。

3 修復(fù)方案

3.1 缺陷的清除

密封焊缺陷首先需要采用機(jī)械打磨的方法進(jìn)行清除，這是由于已經(jīng)萌生的裂紋將會(huì)作為應(yīng)力集中點(diǎn)，在外力的作用下會(huì)發(fā)生裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象而進(jìn)一步損傷材料。因此，必須將已經(jīng)出現(xiàn)宏觀裂紋的地方清除掉。

為確定裂紋的位置與大小，首先進(jìn)行液體滲透檢測(cè)。根據(jù)滲透顯示，針對(duì)缺陷較小的部位可以進(jìn)行輕微的打磨，若能徹底去除缺陷且焊縫外觀成形和尺寸檢查滿足驗(yàn)收技術(shù)要求的，經(jīng)過(guò)技術(shù)評(píng)價(jià)可不進(jìn)行補(bǔ)焊處理。對(duì)于輕微打磨后無(wú)法徹底去除缺陷的，或缺陷打磨后焊縫外觀成形和尺寸檢查不符合技術(shù)規(guī)范要求，此時(shí)應(yīng)對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)。打磨過(guò)程中盡量避免出現(xiàn)過(guò)熱區(qū)，宜選用無(wú)氯鋁基無(wú)鐵材料制成的電磨頭，或選用不銹鋼材料制成的鋼絲刷。

3.2 補(bǔ)焊修復(fù)

冷凝器密封焊缺陷的修復(fù)方案應(yīng)綜合考慮缺陷的尺寸和性質(zhì)類型等因素，主要有焊接修復(fù)和安裝堵頭兩種方式。安裝堵頭是依據(jù)管束的尺寸加工合適的堵頭，利用焊接方法將堵頭與管板焊縫熔合在一起，利用金屬熔合達(dá)到一定的連接強(qiáng)度和密封性能。為確保堵頭焊接的質(zhì)量，堵頭材質(zhì)應(yīng)選擇與換熱管管束同牌號(hào)的材質(zhì)進(jìn)行加工，被堵管的管板端部密封焊需要進(jìn)行焊前打磨和清理，使之圓整清潔，堵頭與管束有良好的裝配。修復(fù)方法簡(jiǎn)單實(shí)用，可保證設(shè)備密封性能的完整性，但因缺陷管束的介質(zhì)流通通道被堵死將會(huì)導(dǎo)致冷凝器損失一定的熱交換效率。綜合考慮，本次修復(fù)將不采用安裝堵頭的方式。

焊接修復(fù)是冷凝器密封焊缺陷修復(fù)的另一個(gè)主要方法，其通過(guò)對(duì)缺陷部位直接打磨處理后進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)。對(duì)于管束本身已發(fā)生破損的情況，此方法并不適用。本次檢修的冷凝管并未發(fā)生管束破損的情況，僅出現(xiàn)了磨損與腐蝕情況，為了不影響冷凝器的冷卻作用并綜合考慮破損情況，因此決定在進(jìn)行機(jī)械打磨后，采用補(bǔ)焊的方式進(jìn)行修復(fù)。

但由于鈦及鈦合金在焊接過(guò)程中，液態(tài)熔滴具有強(qiáng)烈的吸收氫、氧及氮的能力，在250℃時(shí)鈦開(kāi)始吸收氫，400℃時(shí)開(kāi)始吸收氧以及600℃時(shí)開(kāi)始吸收氮[5，6]，且隨著溫度的升高，其吸收這些氣體的能力也隨之明顯提升。這些氣體被吸收后，會(huì)與鈦發(fā)生反應(yīng)，這將導(dǎo)致焊接接頭的脆化，降低焊接強(qiáng)度，影響焊接質(zhì)量，導(dǎo)致設(shè)備的使用性能降低。因此，對(duì)于鈦材的焊接，需要在焊接過(guò)程中進(jìn)行熔池保護(hù)，防止受到氧和氮的污染以確保補(bǔ)焊的成功。此外，由于鈦材具有熔點(diǎn)高、熱容量大及導(dǎo)熱性能差的特點(diǎn)，在焊接熱循環(huán)的作用下，容易出現(xiàn)焊縫和焊接熱影響區(qū)中晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象，這也將導(dǎo)致焊接接頭的塑性和韌性下降。因此，需要采用較小的焊接熱輸入，以減小焊縫熱影響區(qū)的脆性，提高焊接接頭的性能。

4 補(bǔ)焊修復(fù)的操作

4.1 焊前準(zhǔn)備

進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)前，需要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)以確定缺陷的數(shù)量、尺寸和相對(duì)位置，并需要對(duì)缺陷部位進(jìn)行標(biāo)記便于現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確的核實(shí)缺陷。打磨消除缺陷后，待補(bǔ)焊部位還應(yīng)修磨到表面平整和圓滑過(guò)渡。如果缺陷較多、連續(xù)分布且面積較大時(shí)，需要采用機(jī)械加工方法將原始焊縫先進(jìn)行整體打磨，并在打磨之后進(jìn)行表面滲透檢測(cè)，確定缺陷消除后再進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)，確保待補(bǔ)焊進(jìn)行前，試樣不存在初始裂紋。

由于管板和管束在制造過(guò)程中常采用先脹后焊的工藝，在施焊前先進(jìn)行脹管，同時(shí)管道緊貼于內(nèi)壁，導(dǎo)致縫隙中殘留的污漬清理困難?？p隙中殘留的油污、雜質(zhì)和水分會(huì)嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，焊縫中產(chǎn)生氣孔的傾向與待焊部位的清潔度有很大關(guān)系，因此待焊部位表面及邊緣的油污、銹漬、水、氧化膜及其他雜質(zhì)應(yīng)在焊前徹底清潔并保持干燥，必要時(shí)可采用火焰或熱風(fēng)槍等加熱設(shè)備對(duì)待修復(fù)管板焊縫及臨近區(qū)域進(jìn)行烘烤以確保待焊接部位的干燥。

此外，由于凝汽器的鈦管管板焊接作業(yè)是在冷凝器的水室內(nèi)施工，有觸電、窒息等工業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，因此需要在地面鋪設(shè)膠皮進(jìn)行絕緣處理。焊工需要全程攜帶測(cè)氧表，使用安全電壓，并且現(xiàn)場(chǎng)需要有一定的通風(fēng)措施。為了保證焊接質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)需要足夠亮度的照明，而且風(fēng)的流速和流向不能影響焊接，建議采用壓縮空氣管對(duì)著容器壁進(jìn)行吹掃，一方面保證容器內(nèi)氧含量充足，另一方面不會(huì)產(chǎn)生較大氣流而影響焊接實(shí)施。

針對(duì)鈦材在高溫液態(tài)熔滴狀態(tài)下，容易出現(xiàn)吸氫、吸氧、吸氮導(dǎo)致形成氣孔，從而影響焊接接頭強(qiáng)度的情況，需要對(duì)焊接部位采用氬氣保護(hù)，其中需要注意以下三點(diǎn)：

1）焊接的保護(hù)氣體純度要求：氬氣的純度應(yīng)≥99.99%。

2）修復(fù)前應(yīng)徹底清除待焊件表面氧化皮、油污、雜質(zhì)、水分等。

3）焊接過(guò)程中應(yīng)對(duì)熔池施以良好的氣體保護(hù)，并且控制好氬氣的流量，防止產(chǎn)生紊流現(xiàn)象。

綜合考慮冷凝器管板管束密封焊的結(jié)構(gòu)，以及現(xiàn)場(chǎng)焊接的實(shí)用性、高效性、便捷性，專門設(shè)計(jì)制作了一個(gè)針對(duì)鈦管板焊接修復(fù)的氬氣保護(hù)專用工具，如圖6所示。通過(guò)保護(hù)罩在鈦管板表面形成氬氣保護(hù)氣氛，氬氣從銅管口進(jìn)入保護(hù)罩，在銅管上鉆大量孔，促進(jìn)氬氣的釋放，采用這種專用的保護(hù)罩，氬氣進(jìn)入分布管后進(jìn)入保護(hù)罩，多孔銅管可以起到氬氣篩和分布的作用，使氬氣流動(dòng)更平穩(wěn)，對(duì)焊接熔池的保護(hù)效果更好。利用該裝置提供穩(wěn)定的氬氣環(huán)境并屏蔽空氣，確保了焊接在低氮、氧、氫的環(huán)境下進(jìn)行，保證了焊接質(zhì)量。

圖6 管板密封焊焊接專用氬氣保護(hù)罩

4.2 焊接實(shí)施要點(diǎn)

為有效控制焊接變形和焊接溫度，焊接過(guò)程中可采用對(duì)稱跳焊的方法，一般采用“之”字形跳焊法。焊接時(shí)焊槍位置的設(shè)置，鎢棒與焊縫之間的尺寸控制是焊接質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，應(yīng)嚴(yán)格按工藝規(guī)程的要求實(shí)施。為了確?，F(xiàn)場(chǎng)焊接施工質(zhì)量，針對(duì)核電站凝汽器鈦管板焊接的施工特點(diǎn)制定以下幾點(diǎn)要求：

1）具有焊接資質(zhì)的焊工進(jìn)行焊接作業(yè)，并在施焊前，進(jìn)行與實(shí)際條件相同的模擬焊接練習(xí)。

2）鈦管板待焊接區(qū)域在打磨后應(yīng)露出金屬光澤，并用丙酮或無(wú)水酒精進(jìn)行清洗去污。

3）焊機(jī)需處于良好狀態(tài)并檢測(cè)其電弧電壓、焊接電流等關(guān)鍵參數(shù)。

4）鎢極應(yīng)使用專用鎢極打磨機(jī)進(jìn)行打磨，鎢極尖端處應(yīng)磨出鈍邊。

5）焊接時(shí)從11點(diǎn)起弧，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)焊接一周后在12點(diǎn)位置時(shí)開(kāi)始衰減，在3點(diǎn)位置收弧，如圖7所示。

分段進(jìn)行焊接時(shí)，要嚴(yán)格進(jìn)行控溫，待焊縫表面溫度冷卻至工藝規(guī)程要求溫度后才可進(jìn)行下一段的焊接，避免局部焊接熱輸入量的不斷累積，導(dǎo)致焊縫在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生角變形，影響焊縫成形和尺寸。同時(shí)避免鈦管板管束脹接區(qū)在高溫?zé)醾鲗?dǎo)下由于殘余應(yīng)力不斷釋放，而影響管板密封效果和鈦管束的拉脫強(qiáng)度。

焊接過(guò)程中焊絲與焊件間應(yīng)盡量保持小的夾角，焊絲沿著熔池前端平穩(wěn)、均勻地送入熔池，不得將焊絲端部移出氬氣保護(hù)區(qū)。焊接時(shí)，應(yīng)注意焊槍的擺動(dòng)幅度和頻率不宜太大，以免影響氬氣的保護(hù)。斷弧及焊接收尾時(shí)，要繼續(xù)通氬進(jìn)行保護(hù)，直到熱影響區(qū)金屬冷卻到350℃以下時(shí)方可移開(kāi)氬氣保護(hù)罩。

焊接過(guò)程中使用管板密封焊焊接專用氬氣保護(hù)罩對(duì)熔池進(jìn)行氬氣保護(hù)，氬氣從進(jìn)氣孔進(jìn)入分布管后進(jìn)入保護(hù)罩，多孔管主要起氣篩和分布的作用，使氬氣流動(dòng)更平穩(wěn)，焊接保護(hù)效果較好，焊道呈銀白色或金黃色?，F(xiàn)場(chǎng)修復(fù)焊接現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

圖7 焊接起弧和收弧位置

圖8 修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

4.3 修復(fù)效果

在焊接修復(fù)完成后，目視檢查結(jié)果顯示焊接接頭表面不存在裂紋、氣孔、夾渣、咬邊等缺陷，同時(shí)管板孔的邊緣不存在任何形式的未熔合、焊偏和翻邊等缺陷。液體滲透檢測(cè)表明熔敷金屬表面不存在任何尺寸的顯示，管孔邊緣和熱影響區(qū)不存在任何形式的缺陷顯示。

該密封焊缺陷修復(fù)技術(shù)已成功應(yīng)用于多個(gè)核電站的冷凝器管板密封焊缺陷的在線修復(fù)，維修后經(jīng)多年的運(yùn)行和監(jiān)測(cè)，使用正常，未出現(xiàn)破損等現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

冷凝器管板密封焊修復(fù)工作主要通過(guò)合理選擇修復(fù)方案，加強(qiáng)工藝保證措施，嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，并采取嚴(yán)格的質(zhì)量保證措施包括查漏策略、模擬試驗(yàn)、清潔和干燥的控制、熔敷質(zhì)量的控制和形變的控制，能夠有效地確保核電廠再生熱交換器管板密封焊缺陷修復(fù)質(zhì)量，并對(duì)后續(xù)類似工作開(kāi)展提供重要參考依據(jù)，有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。