核電站安注箱瓜瓣封頭焊接裂紋的成因與控制措施

肖瑞旺 高俊根 劉開(kāi)理 孔永紅

摘要：安注箱封頭采用壓制瓜瓣焊條電弧焊拼接，由于操作不當(dāng)，在焊后無(wú)損檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)存在夾渣、氣孔等缺陷，需要返修補(bǔ)焊。安注箱封頭為瓜瓣拼接、球型形狀，焊接位置為向上爬坡焊，且材質(zhì)為奧氏體不銹鋼材料，缺陷不能用碳弧氣刨而只能用砂輪打磨的方法清除，由于缺陷打磨過(guò)程中沒(méi)有注意打磨部位的形狀及補(bǔ)焊過(guò)程中的操作，補(bǔ)焊后RT出現(xiàn)裂紋。從安注箱封頭材料的化學(xué)成分、缺陷部位清理形狀、焊接工藝、焊工操作等方面分析裂紋原因，提出控制措施：（1）缺陷清除后應(yīng)圓滑過(guò)渡，不得存在尖銳溝槽;（2）焊條擺動(dòng)寬度不易過(guò)大，利用工裝將向上爬坡焊改為水平焊位置;（3）加強(qiáng)技術(shù)管控能力。

關(guān)鍵詞：安注箱;封頭;瓜瓣拼接;返修;裂紋

中圖分類號(hào)：TG441.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）11-0114-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.21

0? ? 前言

安注箱是核電站核島重要設(shè)備，其主要功能是在發(fā)生一回路失水事故時(shí)淹沒(méi)堆芯，及時(shí)帶走反應(yīng)堆燃料產(chǎn)生的熱量。安注箱為立式承壓容器，兩段由封頭密閉，其封頭由多塊壓制成型的瓜瓣拼焊而成。在某核電廠的安注箱建造過(guò)程中，兩臺(tái)機(jī)組共6臺(tái)安注箱封頭在施工時(shí)因焊工責(zé)任心不強(qiáng)、主觀意識(shí)麻痹等原因發(fā)生了大量的返修，在返修過(guò)程中由于操作不當(dāng)、焊接工藝執(zhí)行不合理等原因，在返修補(bǔ)焊后出現(xiàn)裂紋。鑒于安注箱設(shè)備的重要性以及安注箱材料的特殊性，裂紋缺陷必須清除并采取措施避免其產(chǎn)生。文中分析了安注箱封頭返修中裂紋產(chǎn)生的原因以及避免裂紋產(chǎn)生的措施，及時(shí)完成安注箱封頭的返修。

1 安注箱封頭焊接

安注箱為一個(gè)直立容器，筒體兩端用兩個(gè)半球型封頭封閉。以上封頭為例，其形狀如圖1所示，上封頭由6片瓜瓣和1塊上極板拼焊而成，上封頭壁厚為44 mm，瓜瓣壁厚40 mm，6片瓜瓣焊縫坡口形式及焊接順序如圖2所示，瓜瓣組件與上極板焊縫坡口形式及焊接順序如圖3所示。

安注箱封頭材料為Z2CN19.10 AC控氮不銹鋼， 其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。

封頭材料Z2CN19.10 AC是18-8型奧氏體不銹鋼，幾乎不含鐵素體組織[1]。純奧氏體不銹鋼材料可焊性較好，無(wú)淬硬傾向，對(duì)氫不敏感，一般情況下能很好地適應(yīng)熔化焊，焊條電弧焊、埋弧焊、惰性氣體保護(hù)焊、等離子弧焊等均能獲得具有較好塑性和韌性的接頭。但當(dāng)焊接工藝參數(shù)選用不合理時(shí)，純奧氏體不銹鋼具有較大的焊接熱裂紋敏感性，會(huì)產(chǎn)生熱裂紋、晶間腐蝕、σ相脆化等缺陷。安注箱封頭由于受其形狀的限制，目前無(wú)法采用自動(dòng)化焊接方法，只能用焊條電弧焊。焊接材料選用大西洋焊條CHS002HR φ3.2/4.0，返修補(bǔ)焊選用φ2.5/3.2，其熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表3、表4。

由表1～表4可知，安注箱封頭材料與焊材在化學(xué)成分方面很相近，焊材化學(xué)成分與母材匹配[2]。

1.2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

在安注箱封頭母材、焊材選定后進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，試件坡口形式如圖3所示，焊接位置為PA[3]，采用焊條電弧焊，焊接工藝參數(shù)如表5所示。

焊接工藝評(píng)定實(shí)驗(yàn)要求直線運(yùn)條、焊條不擺動(dòng)。試件焊縫經(jīng)RT（按一級(jí)焊縫評(píng)價(jià)）合格[4]，進(jìn)行理化檢驗(yàn)，其結(jié)果如表6、表7所示。焊縫金屬化學(xué)成分經(jīng)德龍圖[5]計(jì)算得出焊縫金屬組織δ鐵素體含量為7.6%，由表可知，宏觀微觀金相及晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)合格。經(jīng)評(píng)定試驗(yàn)檢驗(yàn)，Z2CN19.10 AC使用φ3.2 CHS002HR焊條，運(yùn)用直線運(yùn)條、不擺動(dòng)，在熱輸入0.99～1.35 kJ/mm焊接條件下可以獲得良好的焊接接頭。

2 裂紋產(chǎn)生原因分析

2.1 材料

奧氏體不銹鋼的物理特性是熱導(dǎo)率小、線膨脹系數(shù)大，在焊接局部加熱和冷卻條件下，焊接接頭部位的高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，焊縫金屬及近縫區(qū)在高溫承受較高的拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變，這是產(chǎn)生熱裂紋的基本條件。奧氏體不銹鋼焊縫通常聯(lián)生結(jié)晶形成方向性很強(qiáng)的粗大柱狀晶組織，在凝固結(jié)晶過(guò)程中，一些雜質(zhì)元素及合金元素如S、P、Sn、Sb、Si、B、Nb等易于在晶間形成低熔點(diǎn)的液態(tài)膜，這些低熔點(diǎn)液態(tài)膜隨著在焊縫冷卻過(guò)程中奧氏體凝固結(jié)晶而不斷在焊縫中間聚集，在拉伸應(yīng)力的作用下為熱裂紋的形成提供力的因素。同時(shí)，文獻(xiàn)[2]指出熱裂紋的行為與高溫凝固結(jié)晶的模式與高溫組織有更加直接的關(guān)系，對(duì)于不同合金成分的奧氏體焊縫金屬有三種凝固模式：①先結(jié)晶析出奧氏體，凝固過(guò)程結(jié)束后的組織為純奧氏體組織，稱為A凝固模式;②先結(jié)晶析出奧氏體，隨后發(fā)生包晶和共晶反應(yīng)，凝固過(guò)程結(jié)束后的組織為奧氏體+鐵素體，稱為AF凝固模式;③先結(jié)晶析出鐵素體，隨后發(fā)生包晶和共晶反應(yīng)，凝固結(jié)束后的組織為奧氏體+鐵素體，稱為FA凝固模式。根據(jù)晶位潤(rùn)濕理論，在結(jié)晶過(guò)程中形成的偏析液態(tài)膜能夠潤(rùn)濕γ界面，而難以潤(rùn)濕γ+δ界面，因此A凝固模式形成的純奧氏體組織具有較高的熱裂紋敏感性。安注箱封頭材料Z2CN19.10 AC焊縫凝固模式屬于A凝固模式，所以材料自身具有較大的熱裂紋傾向，在操作不當(dāng)?shù)那闆r下容易產(chǎn)生熱裂紋。

2.2 打磨方式不當(dāng)

（1） 采用手工角砂輪打磨方式去除焊接缺陷，打磨時(shí)對(duì)挖鑿區(qū)根部形狀尺寸未做適當(dāng)要求，造成缺陷區(qū)打磨后根部窄，形成窄而深的返修坡口，如圖4所示。當(dāng)挖鑿深度較深時(shí)，在焊接時(shí)焊縫中心部位容易造成雜質(zhì)聚集，同時(shí)由于根部窄，焊接時(shí)容易出現(xiàn)熔深熔寬比（熔深比）大于1的焊縫。文獻(xiàn)[3]指出熔深大于熔寬的焊縫，其凝固溫度區(qū)間增寬，容易產(chǎn)生熱裂紋。

（2）采用手工角砂輪打磨方式去除缺陷，打磨工作量大，磨屑、飛塵容易聚集，缺陷去除后補(bǔ)焊前還需PT檢查，PT后殘留物質(zhì)易進(jìn)入補(bǔ)焊區(qū)域，雜質(zhì)的存在也增加了不銹鋼焊接熱裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 熱輸入量的影響

制造廠焊接、返修工藝源自于評(píng)定合格的焊接工藝，但在實(shí)際實(shí)施時(shí)焊工并沒(méi)有嚴(yán)格遵守焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體表現(xiàn)之一：返修焊縫施焊電弧擺動(dòng)寬度超過(guò)工藝要求（PA位置擺動(dòng)寬度不能超過(guò)焊條直徑的3倍），隨意擺動(dòng)無(wú)限制，如圖5所示。

表現(xiàn)之二：通過(guò)查看焊接記錄發(fā)現(xiàn)焊工操作時(shí)使用焊接參數(shù)為：焊接電流130 A、焊接電壓34 V、焊接速度6 cm/min，熱輸入量3.0 kJ/mm。

表現(xiàn)之三：工藝要求焊工操作時(shí)焊條擺動(dòng)寬度不能超過(guò)焊條直徑的3倍，實(shí)際施焊時(shí)焊條擺動(dòng)寬度已達(dá)到22 mm。焊條擺動(dòng)寬度大，造成焊縫寬度大，焊接位置為上坡焊，熱輸入量大，焊縫在高溫區(qū)停留時(shí)間長(zhǎng)，使得低熔點(diǎn)雜質(zhì)（S、P）易在晶界上富集，形成的低熔點(diǎn)液態(tài)膜將在焊縫中間長(zhǎng)時(shí)間停留，線膨脹率大，加熱冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力大，液態(tài)膜在拉伸應(yīng)力作用下開(kāi)裂，形成熱裂紋。

3 控制措施

3.1 操作人員培訓(xùn)

成立專門(mén)的返修團(tuán)隊(duì)，組織工藝、技術(shù)、質(zhì)量、質(zhì)保、操作人員對(duì)返修工作進(jìn)行培訓(xùn)，規(guī)定返修環(huán)境、操作、焊接工藝、返修平臺(tái)，成立專項(xiàng)團(tuán)隊(duì)，挑選有經(jīng)驗(yàn)、有技術(shù)的焊工承擔(dān)返修工作。

3.2 焊接工藝控制

（1）補(bǔ)焊時(shí)嚴(yán)格控制層間溫度和道間溫度小于等于100 ℃。焊接過(guò)程中采取窄焊道、薄焊層、焊條直運(yùn)條不擺動(dòng)，適當(dāng)提高焊接速度，利用工裝調(diào)整返修焊接位置，由向上爬坡焊改成水平焊位置，如圖6所示，盡量降低熱輸入量。

（2） 層間、道間清理打磨干凈，嚴(yán)格限制焊縫中的C、S、P等雜質(zhì)元素的含量。

（3） 缺陷清除時(shí)注意挖槽坡口形狀，避免尖銳、深窄部位產(chǎn)生。尖而深的根部容易形成熔深比大的焊縫從而造成熱裂紋，為避免這種現(xiàn)象，在返修時(shí)規(guī)定根部寬度應(yīng)保證在5 mm以上，為達(dá)到此要求，制作檢測(cè)工具，檢測(cè)缺陷打磨后形狀，如圖7所示。

4 結(jié)論

安注箱封頭材料為Z2CN19.10AC控氮不銹鋼，焊接時(shí)具有較大的熱裂紋敏感性，必須嚴(yán)格控制焊接線能量。在采取控制返修打磨區(qū)域形狀、焊接時(shí)不擺動(dòng)、焊接位置改成水平、運(yùn)用小線能量等措施補(bǔ)焊后，裂紋部位返修合格，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新裂紋。在此對(duì)奧氏體不銹鋼的返修有以下建議：

（1）缺陷清除后根部應(yīng)圓滑過(guò)渡，不得存在尖銳溝槽，并保證根部坡口寬度不影響后續(xù)補(bǔ)焊操作;焊接時(shí)焊工焊條擺動(dòng)寬度不宜過(guò)大，控制熱輸入量。

（2）補(bǔ)焊時(shí)，待補(bǔ)焊部位應(yīng)處于良好的焊接位置，嚴(yán)格控制層間溫度、電流、速度等焊接參數(shù)。

（3）制造廠技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)管控能力，焊接技術(shù)人員應(yīng)能降低焊接操作人員違規(guī)操作的風(fēng)險(xiǎn)。

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