某核電穩(wěn)壓器電加熱器元件焊接質(zhì)量問題分析與改進(jìn)應(yīng)用

黃亞純 高俊根 劉開理

摘要：核電穩(wěn)壓器電加熱器元件焊縫為壓水堆核電站一回路承壓邊界，其焊接技術(shù)難度大。某項(xiàng)目核電穩(wěn)壓器電加熱器元件焊接中多次出現(xiàn)根部未焊透和外凹尺寸超標(biāo)的質(zhì)量問題。本文對(duì)穩(wěn)壓器電加熱器元件焊接質(zhì)量問題進(jìn)行分析、研究，找出缺陷產(chǎn)生原因，從而改進(jìn)焊接工藝或控制措施，解決和避免了類似質(zhì)量問題的再次發(fā)生，保障了產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓器;電加熱器元件;焊接缺陷;改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TG444+.74? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）11-0110-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.20

0? ? 前言

核電穩(wěn)壓器（簡稱PRZ）是一回路壓力控制和超壓保護(hù)的重要設(shè)備，具有對(duì)回路壓力控制、壓力保護(hù)和補(bǔ)償反應(yīng)堆冷卻劑一回路系統(tǒng)（簡稱RCP系統(tǒng)）水容積變化的重要功能[1]，其在核電站一回路的位置示意如圖1所示。PRZ電加熱器元件焊縫為壓水堆核電站一回路承壓邊界，是防止放射性物質(zhì)泄漏、保護(hù)環(huán)境和公眾的重要屏障。電加熱器元件焊接技術(shù)難度大，早期某項(xiàng)目PRZ電加熱器元件焊接中多次出現(xiàn)根部未焊透和外凹尺寸超標(biāo)的質(zhì)量問題。文中對(duì)PRZ電加熱器元件焊接質(zhì)量問題進(jìn)行分析、研究，找出缺陷產(chǎn)生原因，通過改進(jìn)焊接工藝或控制措施，解決和避免了類似質(zhì)量問題的再次發(fā)生。

1 PRZ結(jié)構(gòu)和電加熱器元件焊接工藝

PRZ對(duì)一回路系統(tǒng)進(jìn)行壓力和容積的調(diào)節(jié)和控制，對(duì)保證一回路系統(tǒng)壓力邊界完整性有非常重要的作用，其總體結(jié)構(gòu)為一個(gè)立式圓筒容器，下部有63/108根加熱器（前者為CPR1000項(xiàng)目，后者為華龍一號(hào)項(xiàng)目），如圖2所示。

PRZ電加熱器元件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。采用自動(dòng)GTAW焊，焊接設(shè)備為POLYSOUDE TYPE 350 PC、焊接機(jī)頭MI38型，其機(jī)頭外形尺寸小，可在軸向和徑向空間受限的情況下使用。焊接電源為電腦編程控制，焊接過程中無需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)焊接，該設(shè)備具有特殊的兩路氣自動(dòng)切換功能，能通過機(jī)頭噴嘴實(shí)現(xiàn)預(yù)先通入背面保護(hù)氣，引弧后自動(dòng)切換到正面保護(hù)氣體。

采用氬氣+氦氣的聯(lián)合保護(hù)方式，氬氣（99.999%純度）作為背面保護(hù)氣和引弧氣體，氦氣（99.995%純度）作為焊接時(shí)正面保護(hù)氣。通過采用評(píng)定合格的焊接參數(shù)，獲得符合上游文件要求的焊縫成形和焊縫性能[2]。

母材電加熱器套管、電加熱器連接件材質(zhì)為Z2CND18-12NS，焊材可熔環(huán)材料為Z1CD26-01，具體焊接參數(shù)如表2所示。

2 驗(yàn)收準(zhǔn)則和質(zhì)量問題

某核電項(xiàng)目PRZ電加熱器元件與連接件焊接驗(yàn)收準(zhǔn)則為：①焊縫外表面凹陷不能超過0.5 mm，內(nèi)表面凸起不能超過1.5 mm;②焊縫經(jīng)100%射線檢測(cè)，結(jié)果不允許出現(xiàn)任何裂縫、裂紋、未熔合、未焊透、咬邊缺陷[3]。

PRZ設(shè)備制造過程中，曾在不同廠家多次發(fā)生如：焊縫的外凹尺寸超差、內(nèi)壁焊縫局部未熔合、RT不合格等焊縫質(zhì)量問題，如圖4所示，對(duì)設(shè)備質(zhì)量造成了較大影響。

3 調(diào)查與原因分析

3.1 熔化環(huán)

3.1.1 熔化環(huán)尺寸

PRZ產(chǎn)品制造過程中，如果出現(xiàn)電加熱器元件套管與連接件焊縫背面未焊透缺陷，只有切管更換新的電加熱器進(jìn)行重新焊接，因此保證背面焊透是保證焊接質(zhì)量的重點(diǎn)。為保證熔化環(huán)及其背面完全焊透，需采用較大的焊接熱輸入，能一定程度上解決焊縫焊透問題，但同時(shí)會(huì)帶來焊縫外部凹陷尺寸超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。為了保證完全焊透及控制焊縫內(nèi)外表面成形，熔化環(huán)尺寸與兩側(cè)母材盡可能一致，設(shè)計(jì)尺寸為外徑φ32.5 mm，內(nèi)徑φ26 mm。如果內(nèi)徑尺寸過小，需要大電流才能保證焊透，但大電流不利于外側(cè)的成形，易造成外凹尺寸超標(biāo)，探索增大熔化環(huán)內(nèi)直徑以適度降低焊接電流。

3.1.2 熔化環(huán)裝配

熔化環(huán)與電加熱器套管和電加熱器連接件裝配應(yīng)保證精確對(duì)中。同心度和錯(cuò)邊量過大，易出現(xiàn)焊槍鎢極尖與工件距離的較大變化，在相同峰值電流下焊接電弧不穩(wěn)定，影響焊接熔深，增大了焊接接頭焊透的難度，影響焊縫成形。

3.2 鎢極

電加熱器焊接受焊接位置和焊槍限制，只能采用φ1.6 mm和φ2.4 mm的鎢極。通常鎢極直徑越大，能承載的電流越大，熱能量越大，有利于母材和熔化環(huán)的熔化，故選用較大直徑的鎢極（φ2.4 mm）。在鎢極直徑確定的情況下，分析鎢極參數(shù)對(duì)電加熱器焊接的影響，確定鎢極端部形狀、鎢極的更換頻率、鎢極尖與工件的距離、鎢極尖與焊縫中心距離是關(guān)鍵參數(shù)。

3.3 原材料

某些核電項(xiàng)目PRZ電加熱器焊接曾出現(xiàn)的根部未焊透和外凹尺寸超標(biāo)的質(zhì)量問題，經(jīng)對(duì)比公開發(fā)表的文獻(xiàn)和前期合格產(chǎn)品進(jìn)行原因分析，該批次電加熱器套管材料化學(xué)成分硫含量偏低（0.000 6%），比以往批次低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。因S元素含量會(huì)影響液態(tài)金屬表面張力和流動(dòng)性，進(jìn)而對(duì)焊縫成形有較大的影響，當(dāng)母材硫含量低于0.005%時(shí)，由于熔池中表面張力驅(qū)動(dòng)對(duì)流不利于熔池的形成，自動(dòng)GTAW焊接的熔深很小。當(dāng)硫含量太低時(shí)，熔池的表面張力隨溫度的升高而下降，使得電弧正下方最熱的金屬流向熔池邊緣而得到寬而淺的熔池形狀，熔滴會(huì)存在下淌，可焊性不好，造成未焊透、未熔合、焊道成形不良等缺陷的產(chǎn)生[4]。

4 改進(jìn)措施

4.1 優(yōu)化熔化環(huán)內(nèi)徑尺寸及定位焊

（1）優(yōu)化改進(jìn)熔化環(huán)尺寸，將熔化環(huán)的內(nèi)徑加工去掉1.5～2 mm，由原來的尺寸φ26±0.2 mm變?yōu)棣?7.5～28 mm，如圖5所示，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

（2）熔化環(huán)點(diǎn)位焊改進(jìn)措施：由原工藝3點(diǎn)定位焊改為5點(diǎn)定位焊，在熔化環(huán)開口邊緣增加2點(diǎn)定位焊，如圖6所示，確保錯(cuò)邊量≤0.1 mm和同心度≤0.05 mm，檢查合格后才進(jìn)行點(diǎn)焊。

4.2 優(yōu)化鎢極關(guān)鍵參數(shù)

4.2.1 鎢極端部形狀

TIG焊接的鎢極只起導(dǎo)電作用不熔化，但尖頭太尖或過鈍都會(huì)影響熔深，鎢極尖部過鈍，熔深小，焊不透;若鎢極太尖，容易燒損，影響電弧挺度，通過焊接試驗(yàn)確定其尖部為φ0.2 mm最佳。對(duì)于直流正極性焊接，當(dāng)焊接電流在200 A以下時(shí)，鎢極尖的角度25°～30°為最佳角度區(qū)間。

4.2.2 鎢極更換頻率

由于鎢極使用后會(huì)有不同程度地?zé)龘p，避免鎢極重復(fù)使用時(shí)手工修磨鎢極尖導(dǎo)致角度變化，通過試驗(yàn)確定：每焊接1次，應(yīng)更換新的鎢極。

4.2.3 鎢極尖與工件距離

在TIG焊接過程中，鎢極尖與工件間的距離變化會(huì)影響電弧長度，從而影響焊接電壓、熱輸入及焊縫成形。距離過大，熔深小，焊不透;距離過小，影響電弧挺度也容易導(dǎo)致停弧。通過工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鎢極尖與工件距離>1.3 mm，會(huì)出現(xiàn)局部焊接不透;鎢極尖與工件距離<0.8 mm，會(huì)出現(xiàn)表面凹陷>0.5 mm;鎢極尖與工件1.0～1.2 mm為最佳距離，目標(biāo)值1.1 mm，焊接電壓在16～21 V時(shí)，可獲得理想的焊縫成形。

4.3 套管原材料

在后續(xù)項(xiàng)目的采購活動(dòng)中，控制套管硫含量的下限，避免因硫含量偏低，焊接熔池的表面張力變小，熔滴會(huì)存在下淌，可焊性不好，造成未焊透、未熔合、焊道成形不良等缺陷的產(chǎn)生。

5 改進(jìn)后的應(yīng)用效果

采用改進(jìn)后的電加熱器焊接工藝，在不同項(xiàng)目不同機(jī)組PRZ電加熱器連接件與電加熱器套管進(jìn)行焊接，焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，目視檢查、外凹尺寸測(cè)量、無損檢測(cè)、焊接見證件（產(chǎn)品焊接前、倒班、產(chǎn)品焊接結(jié)束）理化性能指標(biāo)全部合格，如表4所示，電加熱器焊縫一次合格率達(dá)到100%，基本上解決了電加熱器焊縫根部焊透難，外凹尺寸超標(biāo)的焊接難點(diǎn)問題。

6 結(jié)論

此電加熱器焊接技術(shù)的改進(jìn)，調(diào)查分析了穩(wěn)壓器電加熱器元件焊縫不合格事件，開展多因素分析，從熔化環(huán)內(nèi)直徑和定位焊、焊接保護(hù)氣體、鎢極等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，基本解決了穩(wěn)壓器電加熱器焊接技術(shù)難度大及母材S含量超低等因素導(dǎo)致電加熱器焊接未焊透、外凹尺寸超標(biāo)的質(zhì)量問題;同時(shí)，通過大量焊接試驗(yàn)，對(duì)電加熱器焊接從不同技術(shù)維度進(jìn)行原因分析和研究，使焊接技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化和提升，并應(yīng)用到不同項(xiàng)目不同機(jī)組的穩(wěn)壓器焊接，并取得成功。大幅提高了同類型穩(wěn)壓器電加熱器焊接的實(shí)體質(zhì)量，具有很高的工程實(shí)踐價(jià)值與意義。

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