穩(wěn)壓器電加熱元件連接件與套管焊接問題及解決方案

武小強(qiáng),吳兵兵

(西安核設(shè)備有限公司，陜西 西安 710021)

穩(wěn)壓器是核電站中的重要核安全設(shè)備，主要作用是對一回路主系統(tǒng)進(jìn)行壓力和容積的調(diào)節(jié)和控制，以保證一回路主系統(tǒng)壓力邊界的完整性。電加熱元件是穩(wěn)壓器的主要功能元件，電加熱元件套管貫穿下封頭與封頭內(nèi)壁堆焊層焊接，電加熱元件通過一個(gè)連接件與電加熱元件套管連接，材料均為Z2CND18-12(N)[1]，連接件與電加熱元件套管之間的焊縫采用對接焊縫，且構(gòu)成核電廠一回路壓力邊界焊縫，焊縫等級為核安全1級。

1 焊接存在問題

西安核設(shè)備公司承制的某核電站穩(wěn)壓器電加熱元件套管與下封頭冷裝并焊接完成后，進(jìn)行電加熱元件連接件與套管焊前模擬焊接試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)采用以往的工藝參數(shù)焊接的試驗(yàn)件根部未焊透，通過調(diào)整焊接電流在根部焊透的情況下脈沖電流達(dá)到了180 A，但焊縫表面凹陷大，經(jīng)測量凹陷尺寸在1.0 mm左右。

對某核電站穩(wěn)壓器套管試驗(yàn)件采用以往焊接工藝參數(shù)根部未焊透，見圖1；對福清核電4號機(jī)組穩(wěn)壓器剩余套管采用以往焊接工藝參數(shù)試件焊縫外形尺寸滿足要求且焊縫寬度均勻，見圖2；對某核電站穩(wěn)壓器套管試驗(yàn)件在根部焊透的情況下脈沖電流達(dá)到了180 A，焊縫表面凹陷大，見圖3。焊接模擬試驗(yàn)用套管、熔化環(huán)與某核電站穩(wěn)壓器設(shè)備同批號，焊接設(shè)備為進(jìn)口專用焊機(jī)。

圖1 某核電站穩(wěn)壓器套管試驗(yàn)件Fig.1 The pressurizer casing test piece of a nuclear power plant

圖2 福清核電4號機(jī)組穩(wěn)壓器剩余套管Fig.2 Residual casing of the pressurizer of Fuqing 4

圖3 某核電站穩(wěn)壓器套管試驗(yàn)件Fig.3 The test piece of the pressurizer casing in a nuclear power plant

2 原因分析

2.1 初步原因分析

公司采用已有成熟的電加熱元件連接件與套管的焊接工藝參數(shù)焊接完成了多臺穩(wěn)壓器設(shè)備，未發(fā)現(xiàn)焊縫根部未焊透和表面成型不理想的情況，且福清核電4號機(jī)組穩(wěn)壓器剩余套管采用以往焊接工藝參數(shù)焊接的試件焊縫外形尺寸滿足。為查明發(fā)生根部未焊透的原因，首先從以下幾個(gè)方面初步進(jìn)行了逐一排查。

2.1.1 套管母材性能核查

核查某核電站穩(wěn)壓器電加熱元件套管原材料資質(zhì)證書、復(fù)驗(yàn)報(bào)告，并與某核電站穩(wěn)壓器5號機(jī)組穩(wěn)壓器套管的性能進(jìn)行了對比，兩個(gè)機(jī)組套管的各項(xiàng)性能無明顯差別，均滿足相關(guān)技術(shù)條件要求。同時(shí)與福清核電4號機(jī)組穩(wěn)壓器套管的性能進(jìn)行了對比，也未發(fā)現(xiàn)明顯差異，均滿足材料采購技術(shù)條件的要求，見表1。

表1 核查某核電站穩(wěn)套管與福清核電4號機(jī)組套管的性能對比

聯(lián)系電加熱元件材料供應(yīng)商，請供應(yīng)商從原材料角度就該批次套管焊接出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析及建議。供應(yīng)商明確該批套管及連接件材料的采購廠家與以往西安核設(shè)備公司穩(wěn)壓器設(shè)備套管及連接件一致，只是材料批次不同，對本批次套管焊接過程中出現(xiàn)的問題無法給出合理的建議。

2.1.2 焊接設(shè)備

穩(wěn)壓器電熱元件焊接設(shè)備為進(jìn)口專用焊機(jī)，對專用焊機(jī)的性能進(jìn)行了測定，焊機(jī)性能正常。使用該焊機(jī)采用相同的焊接參數(shù)焊接福清核電4號機(jī)組穩(wěn)壓器剩余多個(gè)套管，焊縫質(zhì)量均可滿足技術(shù)條件要求。

2.1.3 熔化環(huán)、保護(hù)氣體、鎢極

(1)熔化環(huán)

某核電站穩(wěn)壓器電加熱元件連接件與套管焊接采用的熔化環(huán)為福清核電4號機(jī)組制造時(shí)的剩余材料。

(2)保護(hù)氣體

該焊縫焊接的焊接保護(hù)氣體為氦氣，考慮氦氣在焊接時(shí)的影響，對焊接用保護(hù)氣體提高了要求，實(shí)際使用的純度為99.999%的氦氣(技術(shù)條件要求純度為99.99%)，后續(xù)試驗(yàn)均采用純度為99.999%的氦氣作為保護(hù)氣體。

(3)鎢極

考慮焊接過程中電弧電壓對焊接質(zhì)量的影響，在試驗(yàn)過程中使用新的鎢極采用同樣的焊接參數(shù)、熔化環(huán)、保護(hù)氣體分別對福清核電4號機(jī)組穩(wěn)壓器剩余套管、某核電站穩(wěn)壓器套管試驗(yàn)件進(jìn)行了焊接，福清核電4號機(jī)組穩(wěn)壓器剩余套管的焊接質(zhì)量滿足技術(shù)條件要求，但某核電站穩(wěn)壓器同批號的套管試驗(yàn)件的焊接質(zhì)量因根部未焊透不符合技術(shù)條件要求。

通過試驗(yàn)排除了熔化環(huán)、保護(hù)氣體和鎢極的影響。

2.1.4 焊接操作人員

焊接操作人員資格滿足HAF603的要求，且操作人員一直參加前期穩(wěn)壓器電加熱元件與套管的焊接工作，并由其參與整個(gè)試驗(yàn)過程。

經(jīng)初步原因分析，排除焊接設(shè)備、熔化環(huán)、保護(hù)氣體、鎢極以及焊接操作人員的影響。

2.2 進(jìn)一步原因分析

在排除初步原因分析的因素后，懷疑是由于某核電站穩(wěn)壓器套管材料與福清核電4號機(jī)組穩(wěn)壓器剩余套管材料批次不同導(dǎo)致采用相同焊接參數(shù)焊接后焊縫根部存在較大差異。因此對套管材料未要求的項(xiàng)目如電導(dǎo)率、電阻率等進(jìn)行測定以及部分化學(xué)元素含量、晶粒度等進(jìn)行對比檢驗(yàn)，還進(jìn)行了兩批材料的熔化試驗(yàn)，主要如下。

2.2.1 套管其他性能檢測

由于某核電站穩(wěn)壓器套管與福清核電4號機(jī)組穩(wěn)壓器套管的性能指標(biāo)從資質(zhì)證書、復(fù)驗(yàn)值數(shù)據(jù)分析均滿足設(shè)計(jì)文件要求而且并無明顯差異，因此進(jìn)一步對兩批次的套管材料從技術(shù)條件要求以外但有可能影響焊接性的其他物理性能方面進(jìn)行了分析，并對部分化學(xué)元素進(jìn)行了驗(yàn)證。

委托第三方對福清核電4號穩(wěn)壓器剩余套管和某核電站穩(wěn)壓器套管試驗(yàn)件材料補(bǔ)充進(jìn)行的檢測結(jié)果如下，見表2。

表2 某核電站穩(wěn)壓器套管試驗(yàn)件與福清核電4號套管余料性能測試對比

通過對比，兩個(gè)項(xiàng)目所用套管材料的電性能存在差異。

2.2.2 熔化試驗(yàn)

對福清核電4號穩(wěn)壓器剩余套管和某核電站穩(wěn)壓器套管試驗(yàn)件進(jìn)行了熔化試驗(yàn)。試驗(yàn)過程為采用手工鎢極氬弧直接在試驗(yàn)件端部進(jìn)行熔化，兩個(gè)批號的材料共進(jìn)行了兩側(cè)熔化試驗(yàn)，試驗(yàn)電流分別為80 A、200 A，在熔化時(shí)并進(jìn)行了時(shí)間記錄, 采用熔化電流為200 A時(shí)，福清核電4號機(jī)組穩(wěn)壓器剩余套管熔化出小孔的時(shí)間為9 s，某核電站穩(wěn)壓器套管試驗(yàn)件熔化出小孔的時(shí)間為19 s。熔化后的試件形貌見圖4、圖5。

圖4 兩個(gè)批號材料熔化試樣Fig.4 Melting samples of two batches of materials

圖5 兩個(gè)批號材料熔化試樣放大Fig.5 Magnification of melting samples of two batches of materials

在熔化過程中福清核電4號機(jī)組穩(wěn)壓器剩余套管形成熔化小孔，某核電站穩(wěn)壓器套管試驗(yàn)件熔化金屬直接脫離，兩個(gè)項(xiàng)目的材料熔化后的形貌存在差異，反映出某核電站穩(wěn)壓器套管材料在熔化過程中表面張力小，流動(dòng)性較差。

通過以上分析認(rèn)為，導(dǎo)致某核電站穩(wěn)壓器套管試驗(yàn)件與福清核電4號機(jī)組穩(wěn)壓器剩余套管采用相同焊接設(shè)備、鎢極和焊接參數(shù)以及同批次的熔化環(huán)、焊接保護(hù)氣體焊接后焊縫質(zhì)量存在較大差異的主要原因是本批次套管材料的性能存在差異導(dǎo)致焊接性不好造成的。

3 行業(yè)專家研討

針對此問題，西安核設(shè)備公司組織設(shè)計(jì)院及行業(yè)制造領(lǐng)域的專家進(jìn)行了研討，并現(xiàn)場進(jìn)行了某核電站穩(wěn)壓器套管試驗(yàn)件與福清核電4號機(jī)組穩(wěn)壓器剩余套管的焊接。

通過現(xiàn)場焊接試驗(yàn)及充分討論，與會專家一致認(rèn)為導(dǎo)致某核電站穩(wěn)壓器套管試驗(yàn)件與福清核電4號機(jī)組穩(wěn)壓器剩余套管采用相同焊接設(shè)備、鎢極和焊接參數(shù)以及同批次的熔化環(huán)、焊接保護(hù)氣體焊接后焊縫根部存在較大差異的主要原因?yàn)?，套管材料對焊接參?shù)敏感，某核電站穩(wěn)壓器采用的這批套管材料與以往批次材料相比物理性能差異導(dǎo)致焊接性不好，是造成試驗(yàn)件焊接問題產(chǎn)生的根本原因，針對此批號套管材料采用以往不填絲TIG焊接工藝無法保證焊縫質(zhì)量滿足技術(shù)要求。與會專家同意西安核設(shè)備公司采用的“自動(dòng)旋轉(zhuǎn)氦弧焊+手工鎢極氬弧焊”的組合方法焊接電加熱元件連接件與套管的方案是可行的。

4 焊接工藝探索

在焊接模擬試驗(yàn)件焊縫發(fā)現(xiàn)根部未焊透問題后，通過調(diào)整焊接電流、電壓、焊接速度、保護(hù)氣體流量等焊接參數(shù)進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，在試驗(yàn)前對試驗(yàn)件焊接部位的尺寸進(jìn)行了測量，確保尺寸滿足要求，所進(jìn)行的焊接試驗(yàn)如下。

1)調(diào)整焊接工藝參數(shù)不采用脈沖方式，在根部焊透的情況下采用下脈沖電流，根部焊透焊縫表面凹陷大，見圖6。調(diào)整焊接電流、焊接電壓、焊接速度等經(jīng)過多次試驗(yàn)焊縫根部焊透但焊縫外表尺寸面仍無法滿足要求。

圖6 某核電站穩(wěn)壓器套管試驗(yàn)件1Fig.6 Pressurizer casing test piece 1 of a nuclear power plant

2)調(diào)整焊接工藝參數(shù)不采用脈沖方式，焊接兩次的方式，見圖7、圖8。經(jīng)過多次試驗(yàn)焊縫外表尺寸面仍無法滿足要求。

圖7 套管試驗(yàn)件焊接二次試件1Fig.7 The secondary casing weld test piece 1

圖8 套管試驗(yàn)件焊接二次試件2Fig.8 The secondary casing weld test piece 2

經(jīng)試驗(yàn)，除焊縫外表面尺寸不能滿足技術(shù)條件要求外，焊接操作也困難，原因在于：

第一次焊接完成后，第二次焊接前需重新對正鎢極(包括鎢極高度)，第二次對中時(shí)需根據(jù)第一次焊縫表面成形情況確定，當(dāng)對中位置不合適時(shí)易出現(xiàn)較大的表面缺陷如兩圈焊道之間出現(xiàn)較大的凹陷；

即使第二次鎢極對正，由于焊接過程中無填充材料，表面凹陷也得不到較大的補(bǔ)償。

3)調(diào)整焊接工藝參數(shù)不采用脈沖方式，經(jīng)過試驗(yàn)在確保根部焊透的情況下自動(dòng)氦弧焊焊接后采用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接。經(jīng)檢測試驗(yàn)件(如圖9)的焊縫表面質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)文件要求。

圖9 套管試驗(yàn)件采用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)氦弧焊+手工鎢極氬弧焊試樣Fig.9 The casing test piece using automatic rotating helium arc welding + manual tungsten argon arc welding samples

5 焊接工藝評定

經(jīng)過前期多次的焊接工藝探索試驗(yàn)，西安核設(shè)備公司依據(jù)項(xiàng)目《穩(wěn)壓器電加熱元件套管與電加熱元件連接件焊接工藝評定》技術(shù)條件：增加、取消或改變操作方式(手工、半自動(dòng)或自動(dòng))，都必須重新評定以及添加或取消附加的填充金屬焊接工藝評定需要重新進(jìn)行”的要求，完成了電加熱元件連接件與套管的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)氦弧焊+手工鎢極氬弧焊組合方法的焊接工藝評定，手工鎢極氬弧焊使用的焊絲滿足《穩(wěn)壓器TIG焊用不銹鋼焊絲技術(shù)條件》的要求。評定試件經(jīng)外觀、無損以及接頭力學(xué)性能、晶間腐蝕等破壞性試驗(yàn)均滿足技術(shù)要求。

6 解決方案

依據(jù)合格的焊接工藝評定完善了焊接數(shù)據(jù)包，自動(dòng)氦弧焊+手工鎢極氬弧焊組合方法焊接電加熱元件連接件與套管的方式與前期西安核設(shè)備公司制造的穩(wěn)壓器不同，為保證產(chǎn)品焊縫質(zhì)量在產(chǎn)品焊接時(shí)選用資格滿足HAF603要求的熟練焊工、焊接操作工進(jìn)行焊接，同時(shí)在焊接前對參與焊接工作的人員進(jìn)行充分的培訓(xùn)與練習(xí)。

最終，穩(wěn)壓器電加熱元件連接件與套管采用自動(dòng)氦弧焊+手工鎢極氬弧焊組合方法焊接后，焊縫經(jīng)無損檢測和焊接見證件破壞性試驗(yàn)，結(jié)果滿足技術(shù)條件的要求。

7 結(jié)論

通過對某核電站穩(wěn)壓器電加熱元件連接件與套管試驗(yàn)件焊接時(shí)產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行原因分析，確定了導(dǎo)致材料焊接性不好，出現(xiàn)試驗(yàn)件焊接缺陷的主要原因是材料物理性能差異。提出了解決方案，完善了焊接數(shù)據(jù)包，最終穩(wěn)壓器電加熱元件連接件與套管焊縫全部一次性合格，滿足了設(shè)計(jì)要求，結(jié)果證明采用自動(dòng)氦弧焊+手工鎢極氬弧焊組合方法是可行的，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，本文中焊接工藝探索和組合焊接方法為后續(xù)穩(wěn)壓器制造電加熱元件連接件與套管的焊接提供了參考和借鑒。