核電不銹鋼閥門(mén)密封焊焊縫處理

廉慶文

（中核檢修有限公司福鼎分公司，福建 寧德 352000）

國(guó)內(nèi)核電各核安全系統(tǒng)廣泛使用大連大高閥門(mén)股份有限公司生產(chǎn)的核級(jí)手動(dòng)截止閥（以下簡(jiǎn)稱大高閥）。大高截止閥閥門(mén)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1：閥門(mén)結(jié)構(gòu)圖。主要由閥體、閥蓋、支架、閥桿、閥桿螺母、閥瓣、填料函、密封填料、填料壓蓋及傳動(dòng)裝置等零件組成，它在系統(tǒng)中主要起切斷作用，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造和維修方便，工作行程小，啟閉時(shí)間短，密封性好，密封面間摩擦力小，壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

在核電運(yùn)維階段，根據(jù)預(yù)防性維修大綱及由于系統(tǒng)運(yùn)行導(dǎo)致閥門(mén)內(nèi)漏需進(jìn)行閥門(mén)更換或糾正性維修，歷次大修中曾多次由于焊接控制不當(dāng)，出現(xiàn)閥門(mén)檢修后密封焊質(zhì)量不合格，導(dǎo)致返工事件，影響機(jī)組狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

1 閥門(mén)密封焊焊縫滲漏

國(guó)內(nèi)某核電廠大修低低水位結(jié)束一回路進(jìn)水階段，巡檢發(fā)現(xiàn)4RCV130VP大高閥閥體外大量硼結(jié)晶，懷疑該閥門(mén)有泄露。該閥門(mén)為當(dāng)次大修解體檢修，對(duì)閥門(mén)內(nèi)部組件進(jìn)行研磨處理后重新組裝并實(shí)施密封焊，為避免機(jī)組帶病上行，緊急制定方案對(duì)該閥門(mén)進(jìn)行整體更換，此過(guò)程中為減少其他隔離措施對(duì)機(jī)組上行造成其他影響，采用冰堵作業(yè)這種高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)方案，且重新更換閥門(mén)時(shí)間窗口緊迫，給現(xiàn)場(chǎng)施工人員及機(jī)組狀態(tài)帶來(lái)嚴(yán)重影響。

2 密封焊泄露原因分析

通過(guò)對(duì)切割下來(lái)的閥門(mén)再次進(jìn)行檢查，分析該閥泄露主要原因有以下幾點(diǎn)。

2.1 閥門(mén)唇邊密封面失效

大高閥主要承壓依托唇邊密封面，密封焊焊縫進(jìn)行二次防護(hù)，由于密封面密封效果不佳導(dǎo)致內(nèi)部介質(zhì)壓力傳導(dǎo)至焊縫處。

2.2 焊縫厚度不足

閥門(mén)密封焊部分焊縫偏離唇邊接觸面中心，部分中心位置焊縫厚度不足1.5mm，較薄處焊縫承受系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)溫度和壓力，在長(zhǎng)時(shí)間承壓過(guò)程中產(chǎn)生了泄露。

2.3 焊縫中存在裂紋、氣孔等其他缺陷

閥門(mén)密封焊焊接過(guò)程中出現(xiàn)根部裂紋及氣孔，由于該類缺陷影藏在焊縫內(nèi)部，通過(guò)外觀檢查及最終焊縫PT無(wú)法檢測(cè)出來(lái)，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，系統(tǒng)投運(yùn)后介質(zhì)通過(guò)該缺陷向外滲漏。

3 閥門(mén)密封焊焊縫處理方案

為有效減少由于焊接質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致大高閥發(fā)生外漏狀況，從焊接工藝優(yōu)化、焊工資質(zhì)技能考核及焊接過(guò)程管控三個(gè)維度對(duì)大高閥閥門(mén)密封焊進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 大高閥密封焊工藝優(yōu)化

3.1.1 母材性能分析

核電站大高閥閥門(mén)密封焊涉及碳鋼、奧氏體不銹鋼兩類母材的焊接，本文選取奧氏體不銹鋼材料的性能進(jìn)行簡(jiǎn)要分析闡述。

奧氏體不銹鋼是我國(guó)核電設(shè)備制造過(guò)程中使用非常廣泛的一種不銹鋼材料，其碳含量在0.03以下，具有很好的焊接性。但由于不銹鋼膨脹系數(shù)較大，導(dǎo)熱性差，在焊接過(guò)程中易產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，易產(chǎn)生結(jié)晶熱裂紋，所以焊接過(guò)程中應(yīng)盡量采用小的焊接熱輸入，而且不應(yīng)預(yù)熱，并降低層間溫度。

3.1.2 焊接方式選擇

密封焊焊接采用的焊接方式為手工鎢極氬弧焊。它是一種在惰性氣體的保護(hù)下，利用氬弧焊把中的鎢極與工件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲的一種方法。焊接時(shí)保護(hù)氣體從氬弧焊把噴嘴中連續(xù)噴出，在電弧周?chē)纬蓺怏w保護(hù)層隔絕空氣，以防止其對(duì)鎢極、熔池及鄰近熱影響區(qū)的有害影響，從而獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫。

表1 首次焊接電流參數(shù)

表3 二次焊接流參數(shù)

氬弧焊使用的電流種類為直流正接，它可從事焊接碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、耐熱合金鋼等。鎢極氬弧焊具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能焊接除熔點(diǎn)非常低的鋁錫外的絕大多數(shù)的金屬和合金。

（2）氬氣能有效地隔絕空氣中的氧氣、氮?dú)?、氫氣等?duì)電弧和熔池產(chǎn)生的不良影響：它本身又不溶于金屬，也不和金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)：鎢極氬弧焊焊接過(guò)程中的電弧還有自動(dòng)清除焊縫表面氧化膜的作用，因此，可成功的焊接易氧化、氮化、化學(xué)活潑性強(qiáng)的有色金屬、不銹鋼和各種合金。

（3）焊接時(shí)無(wú)焊渣、無(wú)飛濺。

（4）能進(jìn)行全方位焊接，用脈沖氬弧焊可減小熱輸入，適宜焊0.1mm不銹鋼。

（5）電弧溫度高、熱輸入小、速度快、熱影響面小、焊接變形小。

（6）填充金屬和添加量不受焊接電流的影響。

3.1.3 焊接參數(shù)確定

（1）首次焊接。在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，由于運(yùn)行環(huán)境及介質(zhì)流量腐蝕或機(jī)械損傷，有一些閥門(mén)需要進(jìn)行整閥更換，此時(shí)更換閥門(mén)同安裝階段新裝閥門(mén)，需在對(duì)閥門(mén)進(jìn)行相關(guān)組件進(jìn)行檢查合格后進(jìn)行組裝并執(zhí)行首次密封焊（如圖2）。

圖2 首次密封焊

選取兩組φ70（現(xiàn)場(chǎng)滲漏閥門(mén)為2寸閥門(mén)，閥門(mén)唇邊外徑相近）不銹鋼模擬件進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，相關(guān)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1：首次焊接電流參數(shù)、表2：首次試件理化試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 首次試件理化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（2）二次焊接。根據(jù)核電廠預(yù)防性維修大綱及由于系統(tǒng)運(yùn)行閥門(mén)內(nèi)部密封不滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，又不需要進(jìn)行整體更換，此時(shí)僅對(duì)閥門(mén)進(jìn)行解體維修，待閥芯、閥腔密封能力滿足要求后重新回裝并進(jìn)行二次密封焊（如圖3）。

圖3 二次密封焊

選取兩組φ70（現(xiàn)場(chǎng)滲漏閥門(mén)為2寸閥門(mén)，閥門(mén)唇邊外徑相近）不銹鋼模擬件進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，相關(guān)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3：二次焊接電流參數(shù)、表4：二次試件理化試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表4 二次試件理化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)不銹鋼母材焊接性分析、焊接方式選擇及模擬件試驗(yàn)，推薦2寸不銹鋼大高閥使用氬弧焊焊接，焊接電流控制在70A～80A。精準(zhǔn)控制電流范圍，較工藝評(píng)定中給出51A～92A，推薦電流更利于提高焊接質(zhì)量。

3.2 焊工資質(zhì)技能考核

《民用核安全設(shè)備焊工焊接操作工資格管理規(guī)定（HAF603）》規(guī)定從事民用核安全設(shè)備焊接活動(dòng)的焊工、焊接操作工必須依照該規(guī)定參加考核并取得資格證書(shū)后，方可從事民用核安全設(shè)備焊接活動(dòng)。

HAF603中沒(méi)有對(duì)閥門(mén)密封焊進(jìn)行單項(xiàng)考試要求，其資格要求參照管道對(duì)接焊資質(zhì)。覆蓋范圍參照對(duì)接資質(zhì)進(jìn)行控制，外徑依據(jù)唇邊外徑控制。

近幾年為優(yōu)化對(duì)焊工技能是否滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求的管控，逐步實(shí)施專項(xiàng)技能鑒定。為此，針對(duì)預(yù)實(shí)施閥門(mén)密封焊焊工，施工單位在正式施工前組織具備覆蓋范圍能滿足施工要求對(duì)接資格的焊工進(jìn)行模擬件焊接（模擬件除充分模擬焊縫形式、現(xiàn)場(chǎng)焊接位置及周?chē)鷪?chǎng)地限制環(huán)境）。

組織專業(yè)技術(shù)人員及質(zhì)量人員對(duì)模擬件進(jìn)行外觀檢查及無(wú)損檢測(cè)（PT），必要時(shí)對(duì)部分焊縫進(jìn)行理化試驗(yàn)，考核合格人員方可從事現(xiàn)場(chǎng)正式焊口焊接。

圖4 唇邊切割缺陷

保證資質(zhì)滿足要求且實(shí)際操作技能考核合格后現(xiàn)場(chǎng)操作，較之以往僅依據(jù)是否具備資質(zhì)（依據(jù)資格項(xiàng)派工）有效提高對(duì)施工環(huán)節(jié)中人員技能的把控，有效避免由于焊接技能問(wèn)題而引發(fā)的焊接質(zhì)量問(wèn)題。

3.3 焊接過(guò)程管控

3.3.1 焊前檢查

（1）核實(shí)焊材匹配性,開(kāi)始焊接前確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)材質(zhì)與質(zhì)量計(jì)劃的一致性，以及焊工準(zhǔn)備使用的焊材。

（2）確認(rèn)焊前排空介質(zhì)，確認(rèn)待焊閥門(mén)已隔離、排空。根據(jù)反饋歷次大修中曾發(fā)生多起焊接過(guò)程中密封面發(fā)生滲水情況，打開(kāi)閥蓋后，發(fā)現(xiàn)閥腔內(nèi)滿水，直接影響焊接質(zhì)量及施工進(jìn)度。

（3）唇邊狀態(tài)，閥門(mén)焊縫割開(kāi)后，修磨殘余原焊縫金屬，使唇邊呈平端面（與新閥門(mén)唇邊近似），在唇邊切割后常見(jiàn)典型異常（詳見(jiàn)圖4：唇邊切割缺陷）：唇邊割偏,機(jī)械損傷,唇邊錯(cuò)邊過(guò)大,殘留焊接缺陷等。

（4）待焊區(qū)清理檢查,焊前要對(duì)待焊部位，上、下唇邊及間隙內(nèi)部是否殘留藍(lán)油，鐵銹，PT滲透劑/顯相劑的雜質(zhì)進(jìn)行清理，保證焊前清潔度要求。

（5）閥門(mén)力矩確認(rèn)前確認(rèn)，閥蓋與閥體是否已經(jīng)進(jìn)行力矩檢驗(yàn)。

（6）確認(rèn)閥門(mén)開(kāi)啟，焊接前，閥門(mén)需處于開(kāi)啟狀態(tài)（全部開(kāi)啟后再往回半圈）。避免閥瓣與閥座之間起弧影響密封性。

（7）上下唇間隙確認(rèn)，閥門(mén)密封焊上下唇邊深度應(yīng)滿足1mm～1.5mm，可以使用D1.0焊絲進(jìn)行對(duì)照檢查。

（8）焊接環(huán)境確認(rèn)，了解焊接位置，環(huán)境的劑量等直接影響焊工工作狀態(tài)的因素；環(huán)境艱難，容易出現(xiàn)焊接問(wèn)題，須重點(diǎn)關(guān)注。

（9）確認(rèn)地線夾持位置，地線夾持處不越過(guò)其他閥門(mén)，防止閥瓣與閥腔起弧損傷。

3.3.2 焊接過(guò)程控制

（1）起弧、收弧。起弧、收弧均需要在待焊區(qū)域內(nèi)部，不得電弧劃傷閥蓋與閥體。起弧、收弧過(guò)程應(yīng)保證熔合良好，減少未熔合以及氣孔、夾渣的產(chǎn)生。

（2）參數(shù)控制。嚴(yán)格按照WPS要求控制各項(xiàng)焊接參數(shù)，特別是不得為提高速度而放大電流。

（3）層溫控制。核實(shí)閥門(mén)控溫要求，部分閥門(mén)存在帶O型環(huán)的溫控閥，焊接時(shí)要嚴(yán)格控制層間溫度，維修手冊(cè)要求層間溫度≤120℃。由于檢修過(guò)程中發(fā)生過(guò)層溫控制在70℃～80℃之間時(shí)仍導(dǎo)致內(nèi)部O環(huán)變型情況，導(dǎo)致需重新返工解體，最終焊接時(shí)控制層間溫度≤60℃時(shí)保障相應(yīng)質(zhì)量。

（4）異常狀況。若焊接過(guò)程中，密封面有水汽噴出，立刻停止施焊，對(duì)閥門(mén)進(jìn)行隔離排空，重新焊接；若焊接期間發(fā)生鎢極粘連現(xiàn)象，及時(shí)使用銼刀對(duì)接頭或者其他缺陷修磨，嚴(yán)禁使用砂輪機(jī)；適當(dāng)擺放氬氣帶，避免無(wú)意踩踏。

3.3.3 焊后檢查

（1）清理。唇邊密封焊焊接完成后必須使用不銹鋼鋼絲刷清理焊縫氧化皮。

（2）外觀檢查。上、下唇邊結(jié)合處需要平滑，整齊，不得有熔池夾角，寬度不足，焊瘤等情況；焊縫中心處需飽滿，厚度均勻，不得有氣孔，夾渣，夾鎢等情況。

（3）無(wú)損檢測(cè)。待焊縫滿足PT檢查要求后及時(shí)進(jìn)行，如焊縫表面有細(xì)微裂紋、氣孔等缺陷及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。

以往現(xiàn)場(chǎng)不銹鋼閥門(mén)密封焊僅僅參照WPS進(jìn)行焊前檢查、依照焊工個(gè)人習(xí)慣調(diào)節(jié)參數(shù)并執(zhí)行焊接，焊后對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查，多次發(fā)生焊接過(guò)程中跑水、焊后外觀成形不良或、于焊接變形導(dǎo)致內(nèi)部密封失效需重新解體，經(jīng)梳理，嚴(yán)格按照上述過(guò)程管控，有效提高焊接質(zhì)量，閥門(mén)密封焊質(zhì)量得到良好控制。

4 結(jié)論

核電廠不銹鋼閥門(mén)密封焊焊縫質(zhì)量關(guān)乎設(shè)備、系統(tǒng)功能正常。從工藝選擇、人員技能及焊接施工全過(guò)程管控各環(huán)節(jié)優(yōu)化，經(jīng)實(shí)操考核技能鑒定合格人員采用手工鎢極氬弧焊并嚴(yán)格按照推薦工藝參數(shù)實(shí)施，嚴(yán)控焊接過(guò)程及做焊后檢查，提高焊接質(zhì)量、效率。通過(guò)以上各維度加強(qiáng)管控并優(yōu)化，目前各電廠2寸不銹鋼大高閥門(mén)檢維修通過(guò)合格人員使用推薦電流并嚴(yán)格執(zhí)行過(guò)程控制有效提高焊接合格率，保障設(shè)備檢維修可靠性，后續(xù)仍需進(jìn)一步向自動(dòng)化焊接進(jìn)行優(yōu)化。