穩(wěn)壓器電加熱元件焊接工藝失效分析與對(duì)策

唐國軍 張濤 李浩

摘要：穩(wěn)壓器是壓水堆核電站一回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的主設(shè)備，其關(guān)鍵元件電加熱器的焊接采用自動(dòng)TIG焊。介紹了一起電加熱元件接頭按原成熟的自動(dòng)TIG焊工藝無法焊透的事件。分析認(rèn)為母材中S元素含量過低，改變了熔池的流動(dòng)及傳熱方向，致使焊接熱量更多地流向焊縫兩側(cè)邊緣，從而導(dǎo)致熔深變淺，無法焊透接頭。根據(jù)現(xiàn)有的低S母材特性，通過工藝實(shí)驗(yàn)調(diào)試出新的焊接參數(shù)，通過兩步焊接的方式，既能保證焊透，也能保證最終接頭表面凹陷度不超標(biāo)。同時(shí)對(duì)后續(xù)穩(wěn)壓器電加熱元件的焊接及已運(yùn)行的穩(wěn)壓器電加熱器的更換工藝提出了改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓器;電加熱元件;自動(dòng)TIG;未焊透;低S母材

中圖分類號(hào)：TG457.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）07-0080-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.07.15

0? ? 前言

大型壓水堆核電站的穩(wěn)壓器是一回路中的重要設(shè)備，起調(diào)節(jié)一回路系統(tǒng)壓力的作用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

穩(wěn)壓器立式布置，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)下部為一回路冷卻介質(zhì)，上部為蒸汽，其體積各占50%。在一回路壓力過高時(shí)通過上封頭布置的噴霧裝置噴水降溫，降低系統(tǒng)壓力;當(dāng)壓力過低時(shí)，通過貫穿下封頭的電加熱器元件加熱升溫提高系統(tǒng)壓力。

電加熱器元件是穩(wěn)壓器設(shè)備中的主要元件，對(duì)設(shè)備的功能起到關(guān)鍵作用，我國已建及新建的大部分壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱元件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。電加熱器元件穿過穩(wěn)壓器下封頭上的套管并與套管焊接連接，其接頭如圖3所示。

該接頭的結(jié)構(gòu)形式由法國法瑪通公司設(shè)計(jì)，其中電加熱器連接件與電加熱元件的角焊縫由電加熱器元件供應(yīng)商焊接，設(shè)備制造商裝配電加熱元件時(shí)進(jìn)行電加熱器元件與套管的焊接[2]。

套管與連接件的材質(zhì)為Z2CND15-12（控氮）（法國牌號(hào)），屬316L型不銹鋼。按設(shè)計(jì)方的要求，其對(duì)接接頭形式及尺寸如圖4所示，接頭不開坡口，焊前預(yù)裝0.5 mm厚的可熔環(huán)，焊接工藝為自熔的TIG焊，不填絲。

接頭要求完全熔透，焊縫外表面不允許有超過0.5 mm的凹陷及其他焊接缺陷。

1 焊接工藝失效事件簡述

1.1 前期的成熟工藝

東方鍋爐股份有限公司是國內(nèi)主要的壓水堆穩(wěn)壓器設(shè)備制造商，自嶺澳項(xiàng)目以來長期進(jìn)行穩(wěn)壓器的制造。目前，公司的制造工藝為在穩(wěn)壓器組裝成臺(tái)后在豎直狀態(tài)下進(jìn)行電加熱元件的安裝，采用橫位置焊接。理論上電加熱元件也可以采用臥式位置裝焊，但由于需要進(jìn)行全位置焊接，大幅增加了焊接難度，不利于焊接質(zhì)量的保證，目前尚無制造商在臥式位置進(jìn)行電加熱元件的裝焊。

具體焊接規(guī)范如表1所示。采用POLYSOUDE的MU IV 38型開放式焊接機(jī)頭，φ2.0鎢極，鎢極正對(duì)熔化環(huán)中心位置或略偏上，但不得超過熔化環(huán)上沿線，鎢極距離工件表面約1.6 mm。

采用該焊接工藝先后完成了10余臺(tái)穩(wěn)壓器近千根電加熱器元件的裝焊，除極個(gè)別由于偶然因素導(dǎo)致的局部未焊透外，焊縫一次檢驗(yàn)合格率達(dá)到99.8%。

按設(shè)計(jì)方的要求，考慮到挖補(bǔ)可能會(huì)對(duì)電加熱元件功能帶來不利影響，故對(duì)根部未熔透的不合格接頭不允許進(jìn)行返修補(bǔ)焊，只能通過切管更換新的電加熱元件。切除的電加熱元件不能繼續(xù)使用，只能報(bào)廢。電加熱元件是從法國進(jìn)口的，價(jià)格較貴，考慮到更換的需要，制造商每臺(tái)穩(wěn)壓器通常只準(zhǔn)備3根備件?？紤]到裝焊后電加熱元件電氣檢驗(yàn)也有出現(xiàn)不合格的可能，根據(jù)制造經(jīng)驗(yàn)并按最保守考慮，每臺(tái)備用6根。

1.2 工藝失效事件簡介

某H項(xiàng)目穩(wěn)壓器電加熱器元件焊接時(shí)，在執(zhí)行產(chǎn)品焊接前的開工焊接見證件時(shí)發(fā)現(xiàn)，原成熟的焊接工藝完全失效。

見證件焊縫表面成形較前期大量的試管焊接表面成形情況差，焊縫表面上下部不均勻，下側(cè)堆積了更多焊縫金屬，焊縫整體寬度較前期寬約1.5 mm，且凸出于母材表面，表面形貌如圖5所示，而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，正常熔透情況下焊縫表面應(yīng)為略凹陷。內(nèi)窺鏡檢查內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)管內(nèi)壁未焊透，僅局部區(qū)域有少量母材熔透，可熔環(huán)整圈未熔透，如圖6所示。采用同樣的材料，相同工藝多次驗(yàn)證焊接，其結(jié)果一致。

2 焊接工藝失效原因分析

針對(duì)該情況進(jìn)行詳細(xì)分析，以排除人為操作、焊接設(shè)備、施焊環(huán)境等因素的影響。焊接可熔環(huán)為前期已經(jīng)在多臺(tái)設(shè)備焊接上經(jīng)過驗(yàn)證的同批號(hào)材料，排除焊接用可熔環(huán)的影響。所用焊接工藝與前期所用的完全一致，實(shí)測(cè)的焊接參數(shù)與設(shè)定的一致，排除焊接參數(shù)偏離的影響。與前期項(xiàng)目相比，本次未焊透的接頭母材牌號(hào)一致，但屬新的爐批號(hào)，是唯一的變素。分析認(rèn)為本次接頭不能熔透可能與接頭母材相關(guān)。

為驗(yàn)證分析，采用相同的設(shè)備、焊接操作者和焊接程序，分別在前期項(xiàng)目結(jié)余的少量母材及本次產(chǎn)品母材上進(jìn)行了焊接對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示用本次產(chǎn)品母材所焊的接頭內(nèi)壁仍未焊透，與前期開工見證件焊接結(jié)果一致，而采用前期項(xiàng)目結(jié)余母材焊接的接頭則能熔透，內(nèi)壁焊縫成形較美觀，與兩側(cè)母材圓滑過渡，焊縫表面成形均勻，較母材表面略有凹陷，寬度為10 mm，比采用新批號(hào)母材的焊縫表面窄1.5 mm。

經(jīng)過對(duì)比實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，電加熱器元件焊接工藝失效的原因與母材有關(guān)。

通過對(duì)比分析該批次的母材與前期使用的多個(gè)批次的母材發(fā)現(xiàn)，本批次及前期多個(gè)批次的材料力學(xué)性能及鐵素體含量皆符合相應(yīng)設(shè)計(jì)技術(shù)條件的規(guī)定，且數(shù)據(jù)波動(dòng)波幅小，分析認(rèn)為與不同批次材料之間力學(xué)性能及鐵素體含量的差異無關(guān)。

同時(shí)逐一對(duì)比不同批次材料的化學(xué)元素含量，發(fā)現(xiàn)除S元素外，其他元素與前期項(xiàng)目母材的實(shí)際值波動(dòng)幅度不大，基本處于同一水平。S元素含量對(duì)比見表2，表中序號(hào)1為本批次材料，2～6為前期項(xiàng)目5個(gè)批次材料。

前期項(xiàng)目接管母材中S含量最低為0.004 4%，最高為0.010 6%;本項(xiàng)目穩(wěn)壓器用電加熱器套管材料的S含量較前期其他項(xiàng)目差異明顯，為0.000 6%，約低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

根據(jù)相關(guān)研究[3-4]，S是重要的焊縫熔池表面活性元素，一定的S含量能夠增加熔深，提高可焊性。對(duì)奧氏體不銹鋼的自動(dòng)TIG焊，當(dāng)母材的w（S）<0.005%時(shí)，熔池中表面張力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流效應(yīng)不利于熔深的形成。當(dāng)S含量太低時(shí)，熔池表面張力隨溫度升高而下降，使電弧正下方最熱的液態(tài)金屬流向熔池邊緣，從而得到寬而淺的熔池形狀。

文獻(xiàn)[5]顯示，過低的S含量影響了采用自動(dòng)TIG焊的核電換熱器管子與管板封口焊接頭根部的焊透性，導(dǎo)致出現(xiàn)大量封口焊接頭根部未熔合的情況。本批次母材S含量低，使得自動(dòng)TIG焊時(shí)熔池流動(dòng)性增大，熔池較以前變得寬而淺，熔深不足從而導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)未焊透缺陷。由于熔池表面張力降低，金屬流動(dòng)性增大，在橫位置焊接時(shí)，液體金屬更易受重力影響下淌堆積在焊縫的下半部分，導(dǎo)致上下部焊縫不均勻。

3 解決措施

3.1 工藝實(shí)驗(yàn)

由于套管材料性能及化學(xué)成分仍滿足設(shè)計(jì)技術(shù)文件要求，且套管已與封頭裝焊無法更換，必須調(diào)整相關(guān)焊接工藝參數(shù)以確保電加熱器元件與套管的對(duì)接接頭能焊透。

鑒于該批次材料的特性，為了焊透接頭，同樣情況下必須增加熱輸入，加大熔深。而該批次材料的焊接熔池流動(dòng)性偏大，繼續(xù)增大焊接熱輸入必然形成更大體積的熔池，熔池越大則凝固冷卻需要更長時(shí)間，受重力影響更易下淌，從而進(jìn)一步加劇焊縫上部的凹陷程度。

為調(diào)試出既能熔透接頭，又使接頭表面凹陷不超標(biāo)的焊接參數(shù)，在原工藝的基礎(chǔ)上，通過逐級(jí)增大電流值及逐級(jí)減少焊接速度的方式進(jìn)行了大量的工藝實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱輸入量增大到足以確保能熔透的程度時(shí)，接頭的表面成形大幅變差，焊縫表面的上半部分凹陷明顯，凹陷深度達(dá)到0.8 mm，最惡劣時(shí)甚至超過1 mm，明顯超過標(biāo)準(zhǔn)允許的0.5 mm。在原工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上增大電流及降低焊速以增加熱輸入的方式無法確保在焊透的前提下保證表面凹陷不超標(biāo)。

由于脈沖電流有利于減少熔寬、增大焊縫熔深[6]，采用脈沖電流進(jìn)行了多次工藝實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)采用如表3所示的脈沖電流焊接參數(shù)時(shí)能確保接頭焊透，接頭表面凹陷在0.4～0.6 mm之間，情況較非脈沖電流焊接有明顯改善，但仍不足以確保表面凹陷滿足不超過0.5 mm的規(guī)定。

對(duì)該批次材料，由于不確定是否可以做到在一次焊接過程中既能熔透接頭又使得表面凹陷不超標(biāo)，且實(shí)驗(yàn)材料的量有限，最終采用如表4所示的焊接工藝進(jìn)行分步焊接，即首先按序號(hào)1所示參數(shù) （與表3的焊接規(guī)范同）進(jìn)行焊接，確保熔透，再在已焊焊縫的表面采用序號(hào)2的參數(shù)進(jìn)行焊接，序號(hào)2的焊接熱輸入較小，不能熔透接頭，起到修正序號(hào)1焊縫表面形狀、減少焊縫表面凹陷的作用。

除改進(jìn)焊接參數(shù)外，對(duì)鎢極的對(duì)中及到工件表面的距離也進(jìn)行了調(diào)整。由于熔池液態(tài)金屬的下淌，焊縫上部的厚度較下部偏薄，焊縫上半部分熱量更易傳遞到接頭背面，即焊縫的上半部分更易焊透。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱輸入量不足以完全熔透接頭背面時(shí)，未熔透的部分都在下部，而上部的背面則能熔透。當(dāng)熱輸入足夠時(shí)，也是上部熔透的范圍更大。為了使接頭背面兩側(cè)母材的熔透范圍更均勻，向下調(diào)整了鎢極的對(duì)中，使得鎢極與可熔環(huán)的下沿線對(duì)齊。同時(shí)為了與調(diào)整后的電壓值相適應(yīng)，鎢極到工件表面的距離調(diào)整到約2.3 mm。

采用調(diào)整后的工藝焊接的接頭外觀見圖7，接頭背面能完全熔透，接頭表面的下部略凸出母材表面，上部略低于母材表面，凹陷不超過0.5 mm。

3.2 工藝評(píng)定

采用焊接規(guī)范3進(jìn)行工藝評(píng)定，共焊接4付試管。經(jīng)表面尺寸檢查測(cè)量凹陷最深處為0.28 mm，經(jīng)滲透探傷及射線探傷合格。

對(duì)評(píng)定試管的理化性能進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表5所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

評(píng)定試件接頭的宏微觀金相檢驗(yàn)如圖8～圖10所示，接頭橫截面形態(tài)及尺寸符合要求，且微觀金相組織滿足要求。

3.3 產(chǎn)品應(yīng)用

采用經(jīng)評(píng)定合格的工藝焊接了開工見證件，開工見證件經(jīng)內(nèi)外表面目視檢查、表面滲透探傷及射線探傷合格后進(jìn)行了破壞性試驗(yàn)，各項(xiàng)檢查合格后實(shí)施了產(chǎn)品電加熱器元件的焊接。63根產(chǎn)品接頭尺寸檢查表面凹陷滿足規(guī)定，無損探傷未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，滿足技術(shù)要求。

3.4 對(duì)后續(xù)項(xiàng)目及已投運(yùn)穩(wěn)壓器更換電加熱器的建議

在本項(xiàng)目電加熱器焊接出現(xiàn)該問題的同一時(shí)期，國內(nèi)其他穩(wěn)壓器制造商也反饋出原來成熟的焊接工藝在最新的項(xiàng)目中不適用，接頭完全無法焊透。國內(nèi)各制造商采用的電加熱器原材料都產(chǎn)自法國的同一供應(yīng)商，在向該法國供應(yīng)商咨詢后確認(rèn)，由于冶煉技術(shù)的進(jìn)步，新近供貨的原材料的雜質(zhì)元素含量控制得更低，且后續(xù)無法特意控制S含量與前期項(xiàng)目所用材料保持在同一水平。

由于目前尚無法準(zhǔn)確判斷在超低S含量的情況下，其成分波動(dòng)對(duì)電加熱器元件自動(dòng)TIG焊接頭可焊性的影響規(guī)律，對(duì)后續(xù)項(xiàng)目不僅存在前期成熟工藝無法適用的情況，對(duì)本次重新確認(rèn)的焊接工藝，在另一批次母材焊接時(shí)也可能不適用。因此，對(duì)后續(xù)若干采用新批次材料的項(xiàng)目，建議對(duì)每一批次的材料都再次進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，確認(rèn)焊接工藝是否仍適用，或重新進(jìn)行工藝試驗(yàn)調(diào)試出合適的參數(shù)。

對(duì)前期已完成的穩(wěn)壓器，后續(xù)運(yùn)行過程中需更換電加熱器時(shí)，如采用后續(xù)新采購的電加熱器進(jìn)行更換，則會(huì)出現(xiàn)接頭兩側(cè)母材S含量差異明顯的情況，該情況不適合采用原來接頭的自動(dòng)TIG焊接工藝，也不適合采用經(jīng)驗(yàn)證的適用于新批次材料的焊接工藝，且由于無前期同批次的材料與新材料進(jìn)行配對(duì)焊接工藝試驗(yàn)，更換前難以進(jìn)行工藝驗(yàn)證。

對(duì)該問題，還有待進(jìn)一步的研究，可采用對(duì)材料S含量不敏感的其他焊接方法，如激光焊等，或仍采用自動(dòng)TIG焊，但改變接頭形式，采用開坡口的接頭、焊接時(shí)送絲填充等。

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