国产百万千瓦级核电厂电气贯穿件筒体与端板焊接质量分析研究

王彩霞　马远路

摘 要：通过对百万千瓦级核电厂电气贯穿件制造中焊接材料的特性、焊缝结构特点和施焊人员等因素进行分析，找出了影响产品焊缝质量的关键因素，并提出了改进措施，以期为提高产品焊缝交检的合格率提供参考。

关键词：核电厂；电气贯穿件；焊接工艺；质量分析

中图分类号：TL353 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.05.077

百万千瓦级核电厂电气贯穿件主要承压部件的材料为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢和HD245低碳钢，这2种材料分别用于制造筒体组件的端板和筒体，属于异种材料焊接。本文将对这2种材料的特性、焊缝结构形式及其采用的手工钨级氩弧焊和焊条电弧焊焊接工艺方法进行分析和工艺试验，从而解决筒体与端板焊缝一次交检合格率偏低的问题。

1 材料和结构特性分析

1.1 焊接性能分析

0Cr18Ni9奥氏体不锈钢属于通用型核电材料用钢，理化性能优良，焊接热裂纹、冷裂纹敏感性较低，焊接性能优良。HD245低碳钢属于国产新研制的核电材料用钢，焊接热裂纹、冷裂纹敏感性较低，焊接性能优良。焊接性能分析值如下。

通过上述计算，2类材料均适合焊接热加工，但作为核电用焊接材料，其在国内应用不是很广泛。

1.2 接头的结构形式

电气贯穿件筒体与端板焊缝的结构为带衬垫插入式焊接接头。在常用的结构设计中，带衬垫接头形式的焊缝接头系数均<1. 在国产化电气贯穿件研制的过程中，为了提高导体组件的密封性，筒体与端板的装配结构设计为“带衬垫插入式”接头；为了提高电气贯穿件的安全性，衬垫型焊缝接头系数必须为1（全熔透型），且其焊缝质量等级必须满足RCC-M S7462条2级焊缝的质量要求。

2 焊接缺陷统计分析

在首批交货的红沿河1号和2号机组筒体与端板焊接加工中，焊接一次交检合格率分别只有74.3%和83.8%. 分析发现，缺陷主要集中在焊缝根部打底层，缺陷分布和出现的概率为：根部未熔合和咬边各占35.4%、内凹占19.3%、裂纹占9.6%.

2.1 工艺参数分析

2.1.1 根部未熔合

未熔合主要出现在HD245低碳钢一侧。形成原因主要是焊接电流过小、接头组对间隙过小和焊接速度过快。结合实际产品的施焊过程，可排除焊接电流过小和焊接速度过快因素。通过观察发现，根部未熔合主要出现在焊缝收尾阶段，在筒体与端板组对的过程中没有对称点焊加固，且施焊过程未按工艺规程对称施焊、整条焊缝受热不均、局部热应力集中，造成末端焊缝组对间隙变小，预先设定的焊接电流值无法满足间隙变小后的工艺参数要求，进而造成根部未熔合。

2.1.2 根部咬边

咬边缺陷主要出现在0Cr18Ni9不锈钢一侧。从HD245和0Cr18Ni9的物理性能分析可知，2种材料的电阻率相差57 μΩ/cm，导热率相差30.60 W/m·K，在同规格尺寸的工件下，不锈钢的焊接速度应加快10%左右。焊丝填充量需适量增加，否则会造成根部咬边、焊缝塌陷或焊瘤缺陷。

2.1.3 根部裂纹

裂纹缺陷主要出现在根部焊缝，平行于焊缝中心线，属于高温液化裂纹或由于根部打底层中填充材料过少所致。当填充材料过少时，焊缝金属受到母材（HD245）金属的稀释作用，会在焊接接头过渡区产生脆硬的马氏体组织，即在HD245一侧熔合区附近形成低塑性区，进而形成裂纹。

2.2 工作人员

在红沿河1，2号机组28件返修产品的返修过程中，3名焊工的返修产品分别占25.0%，42.9%和32.1%.由此可见，在手工焊作业中，即使采用相同的工艺参数，人员因素也是不可忽视的。

3 改进措施

针对上述问题，在不违背焊接工艺评定的基础上可实施以下5点改进措施：①明确筒体组件组对的工艺要求，规定对称点焊加固，给出点焊和施焊的工序分布图。②由于手工钨级氩弧焊中规定的焊接速度的操作性不强，可通过明确在打底层中焊丝的填充量间接固化速度。③在打底层焊缝收弧阶段增加氩气的延迟性保护；在收弧阶段，采取点状加丝，从而有效增加焊丝的填充量。④针对异种钢的焊接特性，应加强焊工理论和操作培训，增强焊工对2种材料焊接性能的了解。⑤增加打底层焊缝内表面的目视检验，及时返修缺陷，从而减少返修工作量。

4 整改后的效果

打底层完成后，焊缝按照RCC-M MC7100篇和设计技术条件中的要求进行了内外壁目视检验（VT），超标缺陷明显减少；填充和盖面完成后，焊缝按照RCC-M MC7100篇和设计技术条件中的要求进行了目视检验（VT），按照MC4000篇和设计技术条件中的要求进行了100%液体渗透检验，按照MC3000篇和设计技术条件中的要求进行了100%射线探伤，产品焊缝质量符合RCC-M S7462条2级焊缝要求，焊接一次合格率明显上升。

5 结论

通过对整改后福清1号机组和方家山1号机组的统计发现，产品合格率由最初的74.3%稳步提高到目前的98.6%，解决了焊缝根部未熔合和根部咬边缺陷，验证了前期工艺分析的正确性和改进措施的有效性。

〔编辑：张思楠〕

Abstract： Through the analysis of factors on electrical million kilowatt class nuclear power plant， through the characteristics of welding material welding seam structure manufacture and welding personnel， find out the key factors affecting the product quality of welds， and proposes the improvement measure， in order to provide reference for improve the qualification rate of products inspected weld.

Key words： nuclear power plant； electrical penetration assembly； welding process； quality analysis