核電廠薄壁不銹鋼管道BOSS頭焊縫在線維修技術(shù)研究

匡艷軍

中廣核工程有限公司 核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518170

0 前言

核電廠管道系統(tǒng)中大量采用加強(qiáng)型管接頭結(jié)構(gòu)［1］，業(yè)內(nèi)簡稱“BOSS頭焊縫”。2016年國內(nèi)首次發(fā)生核安全級BOSS頭焊縫泄漏質(zhì)量事件，經(jīng)采用非標(biāo)射線檢驗(yàn)排查［2］，發(fā)現(xiàn)BOSS頭焊縫存在大量氣孔、夾渣、未熔合等缺陷。按照相關(guān)監(jiān)管要求，在運(yùn)核電廠絕大部分有超標(biāo)缺陷的BOSS頭焊縫已通過打磨去除缺陷后焊接返修、切割更換新BOSS頭管座后重新焊接等方式完成了處理［3］。然而，部分BOSS頭焊縫所處管道系統(tǒng)因無法隔離排水或返修窗口時(shí)間短，無法采用前述兩種方式進(jìn)行處理。盡管國內(nèi)外已有管道焊縫帶缺陷堆焊（Overlay）修復(fù)的技術(shù)和工程案例［4-10］，但該類案例多是在管道內(nèi)部排空的情況下進(jìn)行堆焊修復(fù)，不能滿足部分BOSS頭焊縫的維修需求，同時(shí)非標(biāo)射線檢驗(yàn)排查也存在諸多局限性［11］。國內(nèi)部分單位針對BOSS頭預(yù)制焊縫開展了相控陣超聲檢測技術(shù)的研究［1，12］，但針對堆焊返修焊縫的相控陣超聲檢測技術(shù)的相關(guān)研究報(bào)道較少。

本文通過不銹鋼管道內(nèi)部不帶水、帶水帶壓條件下BOSS頭焊縫在線堆焊修復(fù)工藝試驗(yàn)，分析堆焊返修結(jié)構(gòu)的焊縫成形、組織與性能情況，研究BOSS頭堆焊返修焊縫的相控陣超聲檢驗(yàn)技術(shù)，分析堆焊后接頭的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，旨在為在運(yùn)核電廠核級BOSS頭焊縫的在線返修提供技術(shù)支撐，具有十分重要的工程意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 BOSS頭焊縫結(jié)構(gòu)與材料

以核電廠不銹鋼BOSS頭焊縫為研究對象，母管外徑273 mm，壁厚4 mm，BOSS頭焊縫結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。支管外徑44mm，內(nèi)徑26mm，壁厚9 mm。母管、支管材料為滿足RCC-M［13］M3304的Z2CN18-10奧氏體不銹鋼，BOSS頭管座材料為滿足RCC-M M 3306的Z2CN18-10奧氏體不銹鋼。BOSS頭預(yù)制焊縫采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊+焊條電弧焊方法進(jìn)行焊接，坡口角度約為25°，焊接材料分別為ER316L和E316L，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1、表2。

表1 焊接材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of welding filler materials（wt.%）

表2 焊接材料力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of welding materials

圖1 BOSS頭焊縫結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of BOSS weld

1.2 堆焊試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)目標(biāo)BOSS頭返修條件和要求，為減小焊接熔深（目標(biāo)2 mm以內(nèi)），避免堆焊時(shí)管道內(nèi)部介質(zhì)泄漏，選用熱輸入較小的鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝（GTAW）；為提升工藝對BOSS頭結(jié)構(gòu)適用性，選用手工堆焊方式；為控制焊接變形，堆焊順序采用從支管向母管側(cè)焊接，施焊順序見圖2。

圖2 堆焊焊道施焊順序示意Fig.2 Welding sequence of surfacing weld bead

為對比分析不同作業(yè)條件下的堆焊質(zhì)量差異，確保堆焊層組織和力學(xué)性能滿足要求，分別在無水狀態(tài)、帶水帶壓狀態(tài)條件下進(jìn)行目標(biāo)BOSS頭焊縫堆焊工藝試驗(yàn)，并在固化堆焊工藝參數(shù)后采用帶預(yù)制缺陷的試驗(yàn)件（即在預(yù)制焊縫上鉆貫通內(nèi)外表面的小孔，然后外表面2 mm厚度范圍焊接密封）開展堆焊試驗(yàn)，模擬預(yù)制焊縫內(nèi)部存在缺陷接近貫穿的情況，驗(yàn)證所開發(fā)工藝在該極端條件下對BOSS頭返修的適用性，不會(huì)出現(xiàn)冷卻介質(zhì)泄漏。

帶水帶壓試驗(yàn)工況為：內(nèi)部為含硼水介質(zhì)，設(shè)計(jì)溫度50℃，設(shè)計(jì)壓力0.7 MPa，有輕微振動(dòng)。

1.3 堆焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)BOSS頭焊縫的結(jié)構(gòu)尺寸，綜合考慮RCCM 和ASME［15］（含相關(guān)Code Case）管道設(shè)計(jì)和在役返修相關(guān)要求，對目標(biāo)BOSS頭焊縫進(jìn)行堆焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保堆焊修復(fù)結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及完整性要求，包括：（1）堆焊結(jié)構(gòu)承載焊縫有效厚度大于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的最小厚度。（2）堆焊厚度應(yīng)滿足壓力所引起的總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度的限制要求。（3）缺陷深度小于堆焊后壁厚的75%。（4）堆焊厚度應(yīng)滿足根據(jù)凈截面塌陷理論及極限載荷準(zhǔn)則計(jì)算的最小計(jì)算厚度要求。（5）堆焊長度應(yīng)保證應(yīng)力能在管道和堆焊層中重新分布，以滿足一次局部和彎曲應(yīng)力和二次峰值應(yīng)力的限制。

經(jīng)前期試驗(yàn)確定，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)堆焊厚度6～9 mm，堆焊長度12～15 mm，堆焊層與兩側(cè)母材過渡夾角不超過45°。

1.4 超聲波檢驗(yàn)設(shè)備和探頭

堆焊后應(yīng)對BOSS頭焊縫及堆焊層進(jìn)行相控陣超聲檢驗(yàn)（PAUT）。先采用CIVA-UT軟件，對目標(biāo)BOSS頭焊縫及堆焊層可檢性進(jìn)行模擬仿真，獲得初步的工藝參數(shù)，然后通過專用的模擬試塊進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和固化。采用TOPAZ（32/128PR）便攜式PAUT儀器，根據(jù)目標(biāo)BOSS頭焊縫結(jié)構(gòu)，探頭選用自聚焦線陣、單晶線陣、雙晶線陣以及柔性探頭，探頭頻率2.25～5.0 MHz，采用R35自聚焦或者矩形晶片，以及AOD20～80 mm、凸型和水囊楔塊，設(shè)計(jì)了專用掃查裝置（見圖3）。

圖3 BOSS頭焊縫及堆焊層PAUT檢驗(yàn)示意Fig.3 Schematic diagram for PAUT inspection of BOSS welds and overlay

1.5 殘余應(yīng)力模擬和測試

BOSS頭堆焊修復(fù)時(shí)，一方面堆焊層產(chǎn)生抗應(yīng)力腐蝕開裂的新壓力邊界，另一方面，堆焊改善了焊縫殘余應(yīng)力分布，將焊縫金屬中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)檩S向和環(huán)向應(yīng)力，從而阻止應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生和后續(xù)生長［13］。為充分了解堆焊后BOSS結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力分布，及驗(yàn)證目標(biāo)BOSS頭焊縫殘余應(yīng)力計(jì)算模型，在堆焊模擬試驗(yàn)過程中采用K型熱電偶進(jìn)行了焊接溫度場測試。焊接完成后的試件采用切割法、輪廓法進(jìn)行了殘余應(yīng)力測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 堆焊工藝試驗(yàn)

堆焊試驗(yàn)主要工藝參數(shù)如表3所示，其他參數(shù)為：保護(hù)氣體為99.9%氬氣，氣體流量8～15 L/min，焊接電壓9～12 V，焊接設(shè)備為WSM-315D，占空比60%。相對于無水條件，帶水帶壓條件下的焊接峰值電流略高，主要原因是背部帶水條件下散熱較快，熔池冷卻速度加快，熔池鋪展不充分，為保證焊接成形質(zhì)量，焊接熱輸入相對無水條件大。

表3 堆焊主要工藝參數(shù)Table 3 Main welding parameters of overlay

在表3的焊接參數(shù)下，帶水和無水條件下堆焊首層焊接熔深最大值分別為1.51 mm和1.99 mm，均可控制在2 mm的預(yù)期目標(biāo)內(nèi)（見圖4）?？梢钥闯觯瑤畻l件下的焊接熔深更小，這是因?yàn)槠浜缚p及熱影響區(qū)的冷卻速度相對無水條件更大，能量峰值更低。無水和帶水條件下堆焊層及母材金相組織如圖5、圖6所示。可以看出，由于母材和焊材均為單一的奧氏體組織，在小的焊接熱輸入條件下，焊縫組織不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，仍為奧氏體組織，無異常組織。

圖4 堆焊首層焊接熔深Fig.4 Weld penetration of the first layer of surfacing

堆焊熔敷金屬力學(xué)性能如表4所示，無明顯差異，均滿足設(shè)計(jì)要求，并與對應(yīng)母材匹配，主要原因是在相對較小的焊接熱輸入條件下，焊縫晶粒度大小相當(dāng)（見圖5、圖6），因此其力學(xué)性能變化不大。同時(shí)，在帶水帶壓條件下，對帶預(yù)制缺陷試件采用上述工藝參數(shù)進(jìn)行堆焊返修模擬試驗(yàn)，未出現(xiàn)冷卻介質(zhì)滲漏的情況。

圖5 無水條件堆焊層及母材金相組織Fig.5 Metallographic structure of surfacing layer and base metal under water free condition

圖6 帶水條件堆焊層及母材金相組織Fig.6 Metallographic structure of surfacing layer and base metal under water condition

表4 熔敷金屬力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of welding deposition

2.2 超聲檢驗(yàn)?zāi)M仿真和試驗(yàn)

在PAUT技術(shù)開發(fā)過程中，本項(xiàng)目參照ASME規(guī)范較大直徑（大于60 mm）的其他類似接管座焊縫在役檢查要求，確定檢查范圍為內(nèi)壁1/3厚度（常規(guī)UT檢查）作為本項(xiàng)目研究的目標(biāo)，RCC-M及RSEM規(guī)范無此類檢查要求。

通過CIVA模擬仿真（見圖7），確定目標(biāo)BOSS頭PAUT檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)要求：探頭頻率2.25 MHz，單晶16線陣探頭，預(yù)制焊縫的聚焦法則采用35°～70°扇形掃查，從BOSS頭母管側(cè)進(jìn)行掃查。堆焊層的聚焦法則：聲束偏轉(zhuǎn)角度范圍為-15°～+15°，從堆焊層表面進(jìn)行掃查。模擬仿真結(jié)果表明，所有BOSS頭預(yù)制焊縫可實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁1/3區(qū)域可檢、60%的BOSS頭預(yù)制焊縫可實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁2/3區(qū)域可檢，不銹鋼堆焊層100%可檢驗(yàn)。

圖7 BOSS頭焊縫及堆焊層PAUT檢驗(yàn)仿真示意Fig.7 Simulation diagram of PASS inspection for BOSS weld and overlay

帶缺陷模擬試塊相控陣超聲檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果表明，可實(shí)現(xiàn)預(yù)制焊縫內(nèi)壁1/3厚度（部分為1/2厚度）范圍內(nèi)5 mm（長）×2 mm（高）×0.2 mm（寬）未熔合、直徑2 mm氣孔的100%有效檢出。不銹鋼BOSS頭焊縫堆焊層區(qū)域中4 mm當(dāng)量及以上的缺陷可有效檢出，直徑3 mm氣孔無法檢出，詳見表5。

表5 BOSS頭預(yù)制及堆焊焊縫模擬缺陷典型檢查結(jié)果匯總Table 5 Summary of typical inspection results for simulated defects of BOSS head prefabrication and overlay welds

2.3 殘余應(yīng)力模擬和測試

針對堆焊試件采用輪廓法測量BOSS結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。首先對需要測量的截面進(jìn)行切割，再采用超聲波清洗設(shè)備清洗切割面，之后測量表面粗糙度，測點(diǎn)間距小于170 μm，掃描精度小于20 μm。掃描后獲得的點(diǎn)云圖、點(diǎn)云數(shù)據(jù)為切割面上的測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)面的位移量，再通過輪廓法分析模型算出切割面上的殘余應(yīng)力分布，如圖8所示。

圖8 焊接殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的對比分析Fig.8 Comparative analysis of distribution state of welding residual stress

由圖8可知，管道內(nèi)部通水明顯影響了焊接傳熱過程，由于內(nèi)部水冷作用，焊接熱影響區(qū)減小，熱循環(huán)時(shí)間縮短，壓縮塑性變形區(qū)減小，焊接殘余應(yīng)力的分布范圍產(chǎn)生了明顯變化。無水狀態(tài)下原始焊縫位置產(chǎn)生了明顯向下凹的位移，而帶水焊接時(shí)焊縫及支管位置呈明顯向下的變形，因此形成了兩種不同的應(yīng)力狀態(tài)。無水焊接時(shí)，原始焊縫中呈現(xiàn)低拉應(yīng)力狀態(tài)，堆焊位置處為壓應(yīng)力；帶水焊接時(shí)，原始焊縫與堆焊焊縫大部分呈現(xiàn)不同程度壓應(yīng)力狀態(tài)（藍(lán)色區(qū)域），而壓應(yīng)力可以更好地抑制裂紋的擴(kuò)展進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的安全性能。

通過有限元建模建立焊接殘余應(yīng)力模型，并使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行修正，進(jìn)而使用快速斷裂的方法對結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果表明兩個(gè)試件經(jīng)堆焊修復(fù)后均可滿足核電站壽期內(nèi)運(yùn)營需求。帶水條件進(jìn)行的堆焊修復(fù)，由于產(chǎn)生了更多的壓應(yīng)力區(qū)域，對結(jié)構(gòu)的安全評定產(chǎn)生了更多的積極作用。因此，通過堆焊修復(fù)方式可以有效抑制結(jié)構(gòu)缺陷造成的影響，水冷方式下的堆焊可以更加有效地改善由堆焊修復(fù)方式引入的殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)，進(jìn)一步提高安全性能。

3 結(jié)論

（1）采用手工GTAW焊接工藝可以實(shí)現(xiàn)薄壁不銹鋼管道BOSS頭焊縫帶水帶壓條件下的在線堆焊返修，能有效避免管道內(nèi)部冷卻介質(zhì)泄漏。

（2）PAUT技術(shù)可實(shí)現(xiàn)不銹鋼BOSS頭預(yù)制焊縫根部缺陷的排查，符合ASME規(guī)范類似角接接頭針對根部1/3區(qū)域的在役監(jiān)督要求。可實(shí)現(xiàn)返修堆焊層4 mm當(dāng)量及以上的缺陷可有效檢出，無法檢出直徑3 mm氣孔型缺陷，還有待進(jìn)一步研究。

（3）帶水條件的堆焊能夠更加有效地改善由堆焊修復(fù)引入的殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)，堆焊返修后BOSS頭結(jié)構(gòu)滿足壽期內(nèi)服役完整性要求。