核反應(yīng)堆壓力容器主螺栓孔堆焊缺陷分析與質(zhì)量控制

張紀(jì)鋒 崔凡 朱勃 汪為慶

摘要：核反應(yīng)堆壓力容器是核電站的心臟，主螺栓孔的堆焊質(zhì)量關(guān)系著反應(yīng)堆壓力容器能否正常開關(guān)操作，將影響核電廠的運(yùn)行安全和運(yùn)行時(shí)間。針對(duì)某反應(yīng)堆壓力容器制造過程中主螺栓孔堆焊存在的PT/UT檢測(cè)不合格問題，分析焊接缺陷產(chǎn)生的原因?yàn)椋海?）局部區(qū)域電弧不穩(wěn)，焊縫區(qū)域保護(hù)不良;（2）焊接工位不佳，焊工操作難度大。提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，如：將手工堆焊改為機(jī)械氬弧焊，火焰加熱改為電加熱板加熱;就工件狀態(tài)進(jìn)行針對(duì)性培訓(xùn);加強(qiáng)待焊面的清理，強(qiáng)化操作要求。上述措施經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證明顯提高了主螺栓孔堆焊PT/UT的一次合格率，對(duì)后續(xù)項(xiàng)目RPV的制造提供了技術(shù)積累和工程經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：核反應(yīng)堆壓力容器;主螺栓孔;堆焊;質(zhì)量控制

中圖分類號(hào)：TG457.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）11-0072-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.13

0? ? 前言

壓水堆核電站由核島、常規(guī)島及BOP系統(tǒng)組成。核島系統(tǒng)主要由反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器等核島主設(shè)備構(gòu)成[1]。反應(yīng)堆壓力容器（Reactor Pressure Vessel，RPV）長(zhǎng)期在高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕和強(qiáng)輻射的環(huán)境下運(yùn)行，要求容器內(nèi)壁的腐蝕速率低于10 mg/（cm2·月）[2]，因此在RPV內(nèi)表面需堆焊厚度大于6 mm的奧氏體不銹鋼，以提高耐腐蝕性、耐沖刷性和耐磨性，結(jié)構(gòu)示例如圖1所示。

RPV是核電站的心臟，起著固定和包容堆內(nèi)構(gòu)件及堆芯的作用，是防止放射性物質(zhì)外逸的第二道屏障[3]。RPV密封副是保證RPV密封的重要部件，在整個(gè)壽期內(nèi)需要多次開關(guān)蓋操作，全部主螺栓需要2000～3000顆/次拆卸安裝。主螺栓孔一旦嚴(yán)重?fù)p傷，由于RPV無法返廠，只能就地維修，直接影響核電廠的運(yùn)行安全和運(yùn)行時(shí)間[4]。

文中針對(duì)某反應(yīng)堆壓力容器制造過程中主螺栓孔堆焊存在的PT/UT檢測(cè)不合格問題，提出了切實(shí)可行的改進(jìn)措施，為后續(xù)項(xiàng)目RPV的制造提供了工程經(jīng)驗(yàn)。

1 主螺栓孔堆焊層結(jié)構(gòu)

“ 華龍一號(hào) ”是中國(guó)自主研發(fā)的第三代核電技術(shù)，RPV的設(shè)計(jì)和制造需滿足RCC-M 2007版，其結(jié)構(gòu)主要分為頂蓋組件、容器組件和緊固密封組件，材料為16MND5低合金鋼。頂蓋組件和容器組件由緊固密封組件相連接，容器組件法蘭端面需要機(jī)加工出58個(gè)主螺栓孔。

對(duì)比CRP1000項(xiàng)目RPV，“ 華龍一號(hào) ”RPV設(shè)計(jì)壽命從40年提升到60年，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行諸多改進(jìn)，其中一個(gè)比較突出的改進(jìn)是容器組件上58個(gè)主螺栓孔靠近孔口內(nèi)壁堆焊奧氏體不銹鋼，如圖2、圖3所示，該堆焊層內(nèi)徑為174 mm，堆焊厚度5 mm，底部R角為R5 mm。

不銹鋼堆焊層通常采用309L和308L的不銹鋼焊絲或焊條進(jìn)行堆焊，309L作為堆焊層的過渡層，其較高的Cr、Ni含量可平衡低合金鋼母材的稀釋，308L作為耐蝕層。焊絲的化學(xué)成分要求如表1所示，堆焊參數(shù)如表2所示。

2 主螺栓孔堆焊缺陷情況

某制造廠在“ 華龍一號(hào) ”RPV制造過程中，主螺栓孔不銹鋼堆焊完成后，對(duì)堆焊層進(jìn)行滲透檢測(cè)和超聲波檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)不同程度滲透和超聲波超標(biāo)缺陷顯示，其中超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)20個(gè)主螺栓孔總共存在28處超標(biāo)缺陷。

針對(duì)缺陷情況，挑選具有典型缺陷的孔進(jìn)行局部打磨至缺陷位置后進(jìn)行PT檢查。據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)，缺陷位于R5轉(zhuǎn)角底部平面的堆焊層與母材的熔合線（面）上，根據(jù)缺陷顯示出現(xiàn)到被完全去除的打磨深度可以確定，缺陷寬度約為4 mm，缺陷照片如圖4所示。

3 缺陷原因分析

3.1 缺陷處化學(xué)成分分析

對(duì)缺陷處的熔敷金屬和母材采取機(jī)加工方式取出屑狀試樣，分析其化學(xué)成分，缺陷處母材化學(xué)成分合格，接近母材的309L（距離原始堆焊表面0.5～1 mm）不銹鋼堆焊層化學(xué)分析結(jié)果正常，排除了由于焊材用錯(cuò)和母材化學(xué)成分異常引起焊接缺陷的可能性。

3.2 焊接殘余應(yīng)力分析

采用SYSWELD軟件對(duì)RPV主螺栓孔堆焊殘余應(yīng)力情況進(jìn)行建模分析，建模計(jì)算結(jié)果如圖5所示，堆焊完成后焊接殘余應(yīng)力最大值主要分布在整個(gè)堆焊區(qū)域的熔合線和母材熱影響區(qū)，但整個(gè)熔合線和熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力水平相當(dāng)，最大值主要分布在孔側(cè)壁區(qū)域，不在R角根部位置，因此排除單純由于應(yīng)力集中引起開裂的可能。

3.3 奧氏體不銹鋼焊接性能分析

RPV母材為低合金鋼，堆焊層為奧氏體不銹鋼，雖然奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性能，但焊接過程中存在著焊接熱裂紋、脆化、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等問題：①奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱性較差（其熱導(dǎo)率約為低碳鋼的1/3），線膨脹系數(shù)大（約為低碳鋼的1.4倍）[5]，導(dǎo)致焊接應(yīng)力和焊接變形大，特別是對(duì)于主螺栓孔這種拘束度大的接頭，焊接過程中會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，有可能發(fā)展為焊接裂紋;②奧氏體焊縫凝固時(shí)不發(fā)生相變，奧氏體晶粒呈鑄態(tài)柱狀，方向性強(qiáng)，S、P等雜質(zhì)容易偏析，容易產(chǎn)生晶格的聚集，焊接時(shí)易產(chǎn)生焊接裂紋;③焊接過程中產(chǎn)生的熱量使焊縫處于敏化溫度區(qū)，Cr的碳化物和鐵素體容易從晶界析出，在晶界及其附近處形成高度局部腐蝕[6]，使晶粒之間的結(jié)合力大大減小，機(jī)械強(qiáng)度急劇降低。

3.4 缺陷性質(zhì)分析

選取其中具有典型缺陷的主螺栓孔堆焊層，每次加工去除0.2 mm，整個(gè)過程中觀察到缺陷處堆焊層熔深為0.7～1.9 mm，缺陷深度為距原始母材表面0.7～1.9 mm，缺陷寬度約4.5 mm，缺陷與熔合線完全重合，缺陷處熔深比正常區(qū)域更大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)存在缺陷的堆焊層熔合線起伏較大，焊縫熔合寬度不均勻，表明焊接過程中存在電弧不穩(wěn)定現(xiàn)象。對(duì)缺陷截面進(jìn)行金相觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷位置在焊接過程中不銹鋼與母材結(jié)合面在高溫下被氧化，產(chǎn)生了大量氧化物，導(dǎo)致堆焊層與母材間存在未結(jié)合及結(jié)合力不足的情況。

3.5 小結(jié)

綜上所述，此次主螺栓孔堆焊層產(chǎn)生焊接缺陷的原因?yàn)椋汉附舆^程中局部區(qū)域電弧不穩(wěn)，焊縫區(qū)域保護(hù)不良，導(dǎo)致異種鋼熔合線（面）產(chǎn)生大量氧化物，并存在沿晶開裂的微觀熱裂紋。這些氧化物和微觀熱裂紋使低合金鋼/奧氏體不銹鋼熔合線（面）上的結(jié)合力薄弱，在應(yīng)力作用下發(fā)生異種鋼熔合線（面）的剝離。

結(jié)合當(dāng)時(shí)的焊接工況進(jìn)一步分析。工位布置為法蘭接管段筒體外壁采用火炬加熱，焊接工位布置的內(nèi)部操作平臺(tái)距離焊接位置較遠(yuǎn)，中間搭木板進(jìn)行焊接，焊工操作位置受限。由于工件待焊面偏低，焊工以坐姿或蹲姿并前傾彎腰施焊，如圖6所示。

經(jīng)過模擬操作發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊工身體固定于0°位置距離施焊位置較遠(yuǎn)，且焊工頭部位于火炬正上方時(shí)，操作受高溫影響，操作難度較大，容易形成焊條與焊接方向呈鈍角的后傾施焊狀態(tài)，導(dǎo)致電弧不穩(wěn)，形成較深且不規(guī)則的熔池，熔池保護(hù)效果差，形成過多的氧化物等問題。

4 主螺栓孔堆焊質(zhì)量控制

改善工況及優(yōu)選焊接方式是避免類似問題發(fā)生的關(guān)鍵，因此采取的控制措施如下：

（1）改變焊接方法。

發(fā)生問題的RPV主螺栓孔堆焊采用焊條電弧焊，R5轉(zhuǎn)角處的焊道焊接時(shí)電弧容易產(chǎn)生偏吹，對(duì)焊接操作要求較高，焊接工位布置的內(nèi)部操作平臺(tái)距離焊接位置較遠(yuǎn)，中間搭木板進(jìn)行焊接，焊工操作位置受限。

根據(jù)奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)變形傾向增大，同時(shí)其導(dǎo)電率小的焊接性能，在焊接工藝上應(yīng)盡量減小熔池過熱，避免形成粗大柱狀晶，宜采用熱輸入量小的焊接方式，機(jī)械氬弧焊相比焊條電弧焊熱輸入量更小，電弧穩(wěn)定，沒有熔渣，接頭組織致密，同時(shí)受焊工技能影響較小，焊縫質(zhì)量可靠，如圖7所示。

（2）改變焊接加熱方式。

發(fā)生問題的RPV主螺栓孔堆焊時(shí)法蘭外壁采用火炬加熱，焊工頭部位于火焰上方，承受的溫度高，操作環(huán)境差，導(dǎo)致焊工很難長(zhǎng)時(shí)間觀察熔池并及時(shí)調(diào)整焊槍，若采取電加熱的方式則更利于焊接。經(jīng)最終分析決定將加熱方式改為電加熱板加熱。相比于火焰加熱，電加熱板可以更精準(zhǔn)地控制工件溫度，同時(shí)不會(huì)過于影響周圍環(huán)境溫度，更利于焊工在工件旁邊操作。如圖8所示。

（3）焊工技能培訓(xùn)。

就工件狀態(tài)進(jìn)行針對(duì)性培訓(xùn)，焊接操作細(xì)化（焊槍角度調(diào)整、焊道排布），并開展模擬工件練習(xí)，尤其是焊槍調(diào)整和熔池觀察位置的訓(xùn)練。

（4）強(qiáng)化操作要求。

加強(qiáng)待焊面的清理，焊前注意觀察待焊面是否有氧化或銹蝕等情況，確保清理后的待焊面滿足施焊要求，防止產(chǎn)生未熔合。選派經(jīng)過技能培訓(xùn)合格的焊工施焊。

采取以上4項(xiàng)措施后，同類制造廠承制的“ 華龍一號(hào) ”RPV的58個(gè)主螺栓孔不銹鋼堆焊層滲透檢測(cè)和超聲波檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷，堆焊一次成功，如圖9所示。

5 結(jié)論

“ 華龍一號(hào) ”RPV采用最新的三代核電技術(shù)，設(shè)計(jì)壽命由40年延長(zhǎng)到60年，制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，難度大，代表著我國(guó)三代核電關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)制造的最高水平。首次采用主螺栓孔焊條電弧焊堆焊的質(zhì)量不穩(wěn)定，多次出現(xiàn)PT/UT超標(biāo)缺陷。通過深入剖析，對(duì)關(guān)鍵焊接技術(shù)進(jìn)行了全面改進(jìn)優(yōu)化，根本上解決了問題，并在“ 華龍一號(hào) ”RPV制造過程中成功實(shí)施，驗(yàn)證了工藝可靠性與穩(wěn)定性，顯著提升了設(shè)備質(zhì)量，為后續(xù)機(jī)械氬弧焊堆焊工藝的實(shí)際應(yīng)用提供了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)RPV設(shè)備質(zhì)量乃至反應(yīng)堆安全起到至關(guān)重要的作用。

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