第三代核電CVS混床及陽(yáng)床壓力容器焊接工藝控制

胡廣澤 王剛

摘要：在第三代核電機(jī)組的相關(guān)設(shè)備中，CVS混床及陽(yáng)床為奧氏體不銹鋼材質(zhì)的高壓容器，其筒體壁厚達(dá)到122 mm，且沒(méi)有人孔設(shè)計(jì)，封頭與筒體環(huán)縫只能從單側(cè)進(jìn)行焊接，對(duì)焊接工藝及焊接質(zhì)量的控制的要求高，且任何焊縫缺陷的返修難度較大，會(huì)對(duì)焊縫質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。通過(guò)對(duì)焊接工藝、焊接質(zhì)量控制及焊接收縮量制定了控制措施，產(chǎn)品最終焊縫質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，為類似不銹鋼厚壁容器的焊接提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼;高壓容器;厚壁容器;焊接返修

0? ? 前言

某三代核電機(jī)組CVS混床及陽(yáng)床屬于ASME規(guī)范第Ⅷ卷立式高壓容器，CVS混床的主要功能是通過(guò)陽(yáng)樹脂和陰樹脂來(lái)去除反應(yīng)堆冷卻劑中的裂變產(chǎn)物和腐蝕產(chǎn)物，以達(dá)到凈化反應(yīng)堆冷卻劑的目的;CVS陽(yáng)床的主要功能是通過(guò)控制鋰-7濃度來(lái)控制反應(yīng)堆冷卻劑pH值。兩種設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式相同，其設(shè)計(jì)壓力為21.4 MPa，總?cè)莘e為2.5 m3。容器整體高度為2 650 mm，內(nèi)徑為1 380 mm，主要由上下橢圓封頭、筒體、約翰遜網(wǎng)組件、接管、吊耳等組成，封頭與筒體的材質(zhì)為ASME規(guī)范鍛件材料SA965 F316，設(shè)計(jì)厚度為122 mm，整個(gè)容器沒(méi)有人孔設(shè)計(jì)。整體結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。

1 焊接難點(diǎn)分析

1.1 焊接工藝難點(diǎn)

針對(duì)產(chǎn)品環(huán)縫的焊接特點(diǎn)，為提高產(chǎn)品制造效率和質(zhì)量，制定了鎢極氬弧焊打底、焊條電弧焊填充、埋弧自動(dòng)焊填充蓋面的工藝措施進(jìn)行焊接。對(duì)于奧氏體不銹鋼材料，特別是高碳奧氏體不銹鋼，應(yīng)嚴(yán)格控制線能量，線能量過(guò)大會(huì)造成焊接接頭存在較大的殘余應(yīng)力，且易產(chǎn)生熱裂紋。因此，在制定焊接工藝時(shí)，特別是埋弧自動(dòng)焊工藝，應(yīng)選擇小功率的焊接規(guī)范和較快的焊接速度，以提高焊縫的抗裂性[1]。

1.2 焊接質(zhì)量控制

由于CVS混床及陽(yáng)床壓力容器材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，壁厚122 mm，且沒(méi)有人孔設(shè)計(jì)，給層間清理及缺陷去除帶來(lái)了較大的困難。

常規(guī)清除缺陷的方式主要包括碳弧氣刨、砂輪機(jī)打磨、等離子氣刨、機(jī)加工等。產(chǎn)品禁止使用效率較高的碳弧氣刨方法，因?yàn)樵摲椒〞?huì)引起焊縫滲碳，增加馬氏體數(shù)量，降低焊縫性能[2];常規(guī)的砂輪機(jī)打磨方式，打磨深度一般約為40 mm，若缺陷深度大于40 mm，則無(wú)法去除;等離子氣刨能夠應(yīng)用于不銹鋼材料，但由于等離子噴嘴直徑較大，長(zhǎng)度較短，若用于較深深度，需增大坡口角度，相對(duì)也增加了填充金屬量，從而導(dǎo)致產(chǎn)品收縮量大，生產(chǎn)效率降低;采用機(jī)加工的方式能夠去除缺陷，機(jī)加工完成后可使用內(nèi)磨機(jī)打磨加工區(qū)域，以達(dá)到待焊區(qū)域的表面質(zhì)量要求，但大大增加了制造周期和成本。

對(duì)于最終的“ 合攏 ”環(huán)焊縫，打底層尤為重要，一旦在去除缺陷時(shí)將焊縫磨穿，會(huì)使鐵屑進(jìn)入容器內(nèi)部，影響約翰遜濾網(wǎng)的使用功能。因此，需要從焊接設(shè)備選用、坡口角度、焊接操作人員的技能水平及過(guò)程控制等各方面進(jìn)行綜合考慮，盡量避免產(chǎn)生缺陷，或?qū)⑷毕菘刂圃谝浊宄暮穸确秶鷥?nèi)。

1.3 焊接收縮量控制難點(diǎn)

由于不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)比碳鋼小，線膨脹系數(shù)比碳鋼大，熱量傳遞慢，因此焊接收縮量大于碳鋼。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，焊縫收縮量主要集中在壁厚的2/3坡口填充厚度，尤其是在前1/3坡口填充厚度，收縮量最大[3]。因此需要在前80 mm坡口填充厚度進(jìn)行控制，以避免最終尺寸無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

2 焊接工藝控制措施

2.1 焊接工藝試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)材料

在進(jìn)行產(chǎn)品焊接前，需進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，以驗(yàn)證焊接工藝中各個(gè)因素對(duì)焊縫機(jī)械性能、晶間腐蝕性能所造成的影響。產(chǎn)品中主要材料為SA965 F316，屬于奧氏體不銹鋼[4]。由于產(chǎn)品材料為鍛件，因此為節(jié)省成本選用ASME規(guī)范材料SA-240 304作為試驗(yàn)材料，與產(chǎn)品材料屬于同類別材料[5]，其性能與產(chǎn)品材料等同，板厚為45 mm，其化學(xué)成分如表1所示，機(jī)械性能如表2所示。

根據(jù)母材的化學(xué)成分及力學(xué)性能，選用與母材在化學(xué)成分及機(jī)械性能相當(dāng)?shù)暮附硬牧献鳛樵囼?yàn)材料，氬弧焊和窄間隙埋弧自動(dòng)焊采用ER316L，焊條電弧焊采用E316L-16。該填充材料碳含量較低，可減小晶間碳化鉻沉淀的可能性，從而在不采用如鈮或鈦等穩(wěn)定劑的情況下提高抗晶間腐蝕的能力，對(duì)奧氏體不銹鋼產(chǎn)品的焊接有利[6]。焊接材料的化學(xué)成分如表3所示，機(jī)械性能如表4所示。

2.1.2 焊接工藝

由于本產(chǎn)品對(duì)清潔度要求較高，且濾網(wǎng)一旦粘結(jié)上焊接飛濺后會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響，因此選用鎢極氬弧焊進(jìn)行打底焊接，采用純氬氣作為保護(hù)氣體，氬氣純度≥99.99%;考慮到生產(chǎn)效率，采用焊條電弧焊進(jìn)行填充焊接，填充到可使用埋弧焊厚度后，采用窄間隙埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行填充蓋面。采用的坡口形式及焊道分布如圖2所示，工藝參數(shù)如表5所示。

2.1.3 試驗(yàn)分析

試板焊接完成后，進(jìn)行X射線檢測(cè)，并按照ASME規(guī)范第Ⅸ卷切取理化試樣，并進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示，理化完成后的試樣照片如圖3所示。

根據(jù)表6、圖3可知，焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度大于母材的抗拉強(qiáng)度，側(cè)向彎曲及晶間腐蝕試驗(yàn)滿足技術(shù)要求。

在性能分析過(guò)程中，除標(biāo)準(zhǔn)中所要求的性能外還增加了微觀組織試驗(yàn)，以觀察線能量對(duì)焊縫的腐蝕性、熱裂紋是否產(chǎn)生影響，微觀組織金相如圖4所示。由圖4a可知，熔合線垂直方向緊密排列著枝晶體，這是在熱輸入消散過(guò)程中，為了加快熱量散發(fā)進(jìn)而促成的晶粒成長(zhǎng)現(xiàn)象。由于原來(lái)材料中的碳、磷和硫元素沒(méi)有析出而是留在鐵素體中[6]，未觀測(cè)到熱應(yīng)力裂紋，說(shuō)明熱輸入較為合理。由圖4b可知，焊縫組織具有明顯的柱狀晶形貌特征，奧氏體晶粒尺寸較小，分布均勻，焊縫綜合力學(xué)性能較好。

對(duì)最終焊縫進(jìn)行表面檢測(cè)及RT射線檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。

2.2 焊接質(zhì)量控制措施

2.2.1 坡口設(shè)計(jì)

CVS混床及陽(yáng)床壓力容器壁厚為122 mm，無(wú)人孔設(shè)計(jì)，只能考慮單面坡口，若按照常規(guī)的60°V型坡口進(jìn)行設(shè)計(jì)，則填充量較大，且易造成更大的收縮變形，因此按照窄間隙焊設(shè)備特點(diǎn)對(duì)坡口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，坡口尺寸如圖5所示。

所設(shè)計(jì)的坡口與60°單V坡口相比，截面積減小60%，焊接填充量大幅度降低，焊縫收縮變形減小;坡口寬度減少70%，焊縫表面更加美觀，同時(shí)坡口根部為圓弧型設(shè)計(jì)，在使用鎢極氬弧焊時(shí)有較好的擺動(dòng)空間，減小缺陷出現(xiàn)的幾率?？紤]到不銹鋼收縮量較大，在打底焊過(guò)程中，隨著焊接熱量的不斷輸入，間隙不斷縮小，容易造成根部未焊透，因此根部間隙預(yù)留4～5 mm，焊接時(shí)應(yīng)選擇在間隙相對(duì)較小的部位進(jìn)行起弧焊接。

2.2.2 產(chǎn)品焊前準(zhǔn)備

由于單面坡口深度達(dá)到了122 mm，普通的鎢極氬弧焊焊槍尺寸無(wú)法達(dá)到根部，因此選用特殊加長(zhǎng)型的鎢極氬弧焊焊槍，加大了焊工的操作難度;采用埋弧自動(dòng)焊前的手工打底、填充焊層是返修難度最大的部位，因此需要選擇技能水平較高的焊工，且在產(chǎn)品焊接前需制定考核措施，以保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

產(chǎn)品焊接前，選定4名技能水平較高的焊工進(jìn)行產(chǎn)品模擬件焊接，為減少模擬件的制作成本，選用25.4 mm厚的不銹鋼鋼板，按照產(chǎn)品的坡口形式進(jìn)行加工，在坡口兩側(cè)增加了碳鋼擋塊，整體厚度與產(chǎn)品相同，能夠較好模擬產(chǎn)品的焊接操作空間，模擬件示意如圖6所示。每名焊工需在該工況下連續(xù)焊接完成2塊試板，射線檢測(cè)完全合格后方可進(jìn)行產(chǎn)品的焊接。該方式可考核焊工的技能水平及其穩(wěn)定性，最大程度減小焊工技能水平對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。在鎢極氬弧焊及焊條電弧焊完成后，進(jìn)行RT檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求。

2.2.3 焊接過(guò)程檢測(cè)控制措施

壓力容器B類焊縫最終需進(jìn)行100%的RT檢測(cè)，若缺陷深度較大，則焊縫的清除量較大，甚至可能會(huì)出現(xiàn)由于局部焊縫缺陷導(dǎo)致整條焊縫需清除的情況，若缺陷距離焊縫表面深度較淺，可采用內(nèi)磨機(jī)的方式清除缺陷，因此在焊接到一定厚度時(shí)增加RT檢測(cè)是非常有必要的。根據(jù)焊縫易出現(xiàn)缺陷的厚度層制定了RT檢測(cè)時(shí)機(jī)，具體檢測(cè)時(shí)機(jī)及結(jié)果如表6所示。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行第二次射線檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，埋弧焊焊層局部出現(xiàn)了不合格的夾渣缺陷，采用內(nèi)磨機(jī)進(jìn)行了打磨去除，去除深度5 mm，長(zhǎng)度20 mm，返修后滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求。

2.3 焊接收縮量控制

2.3.1 預(yù)留收縮量

為保證產(chǎn)品最終的整體尺寸，上、下封頭各預(yù)留5 mm收縮余量，筒體段預(yù)留10 mm收縮余量，先焊接其中一條環(huán)焊縫，待收縮量確定后，再進(jìn)行后一道焊縫的坡口加工及焊接，其焊接流程見圖7。

根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，下封頭與筒體環(huán)焊縫最大收縮量為7 mm，對(duì)筒體與上封頭坡口進(jìn)行了加工，按照容器整體尺寸的整偏差預(yù)留10 mm焊縫收縮量，焊接完成后，產(chǎn)品整體尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 增加剛性約束

窄間隙埋弧自動(dòng)焊焊槍寬度為15 mm，考慮到焊接過(guò)程中由于焊縫收縮、容器圓周轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的軸向偏差，可能會(huì)使得焊槍與坡口兩側(cè)產(chǎn)生干涉，影響產(chǎn)品焊接，所以在進(jìn)行窄間隙埋弧自動(dòng)焊之前，應(yīng)將待焊處的坡口寬度控制在18 mm以上，需在進(jìn)行手工焊時(shí)對(duì)焊接收縮量進(jìn)行控制。

進(jìn)行手工焊前，在坡口兩側(cè)每間隔45°焊接一塊定位塊，以避免手工焊后造成過(guò)大的收縮，從而影響后道窄間隙埋弧自動(dòng)焊的焊接，間隙塊如圖8所示。手工焊完成后，坡口收縮量最大為3 mm，埋弧窄間隙待焊表面寬度最小為20 mm，能夠滿足焊接要求。

3 結(jié)論

（1）制定的焊接工藝能夠滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求，制定的線能量合理，不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。

（2）文中采用的厚壁不銹鋼容器焊接質(zhì)量控制措施能夠有效降低焊縫缺陷產(chǎn)生的幾率;增加層間檢測(cè)，能夠在缺陷距離焊縫表面較小的情況下發(fā)現(xiàn)缺陷，及時(shí)進(jìn)行返修，降低最終焊縫的返修成本。

（3）制定的焊縫收縮量控制措施能夠保證產(chǎn)品的最終整體尺寸，并為后續(xù)窄間隙埋弧自動(dòng)焊焊接提供焊接操作空間，保證焊縫質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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