堆焊层缺陷对百万千瓦级蒸汽发生器管板封口焊质量的影响分析及处理

吴义党 杨志鹏 张 斌 刘鸣宇

堆焊层缺陷对百万千瓦级蒸汽发生器管板封口焊质量的影响分析及处理

吴义党 杨志鹏 张 斌 刘鸣宇

(中广核工程有限公司，广东深圳518124)

介绍了百万千瓦级蒸汽发生器管板堆焊层缺陷形成的原因，针对某制造厂发生的管板堆焊层的质量问题，采用分析和试验的方法确定该缺陷对后续管子管板封口焊缝质量的影响，并提出了该质量问题的处理方案，为处理和提高管板镍基堆焊层的质量问题提供参考。

蒸汽发生器 堆焊层缺陷 管子管板封口焊

0 序 言

蒸汽发生器管子－管板焊缝属于核电厂一回路压力边界中最薄弱的环节，其厚度仅约1 mm，但焊缝数量多达8 948个。管子－管板封口焊是蒸汽发生器制造过程中的关键环节，该焊缝质量直接影响设备实体质量及核电厂的运行可靠性［1］。

从实践经验看，各蒸汽发生器制造厂封口焊工艺不尽相同，可能导致封口焊缝的质量存在差异;此外，管子－管板封口焊缝质量受到管板堆焊层质量、穿管、定位胀、清洁度、封口焊工艺等多个环节的影响［2］。例如，如果管板堆焊层存在缺陷，可能会对管子－管板封口焊质量产生影响，从而影响核电厂的可靠性运行。

国内某制造厂在蒸汽发生器管系组件执行穿管及封口焊工序前，目视检查发现管板孔内壁存在一处夹杂物。经分析，该表面缺陷是由于管板镍基堆焊层内部存在微小夹杂缺陷，深孔钻加工造成该内部微小夹杂转变为可见的管板孔内壁缺陷。该表面缺陷成为影响该管孔封口焊缝质量的风险因素之一。文中主要介绍该典型缺陷，分析论述产生堆焊层缺陷的原因及处理过程，在此基础上提出处理措施。

1 工程质量问题描述

某核电项目蒸汽发生器管系组件执行穿管及封口焊操作前的目视检查时，发现管板孔内壁的堆焊层表面5 mm处区域有一个直径约1 mm、深度约0．2 mm的夹渣物缺陷;打磨去除夹渣后，在管板孔内壁形成一个长约 5．1 mm，宽3．2 mm，凹坑中心深度约 0．75 mm 的缺陷，由于缺陷边缘未圆滑过渡至基体，凹坑不符合斜率1:4的尺寸要求。凹坑位置距管口约4 mm，凹坑中心距离管口6．55 mm，如图1所示。

图1 缺陷示意图

2 质量问题分析

管板镍基堆焊层局部存在微小夹杂缺陷，产生的机理分析如下:

镍基合金在堆焊过程中，镍基耐蚀合金容易氧化，形成熔点比母材高得多的氧化皮，通常形成夹渣或细小不连续的氧化物，这类不连续的氧化物特别细小，一般无损检测难以发现［3］。

NiCr合金的电阻大，热导率低，熔焊时易形成难熔的Cr2O3薄膜，阻碍焊缝的形成并形成夹杂［4］。

在管板堆焊时，由于镍基合金焊缝金属流动性差，焊道稍宽时容易造成堆焊层管板孔内壁存在点状凹坑夹杂，在深孔钻后部分缺陷露出金属表面。

3 质量问题的处理

由于凹坑在定位胀区域，为保证定位胀操作质量，需要评价该凹坑对定位胀的影响，包括对定位胀工艺、管子内壁形状和质量的影响。

相比正常情况，在管子管板焊接时，凹坑内空气受热膨胀，压力升高，可能会沿焊道根部漏出，氧化封口焊缝根部。同时，由于液态镍基合金的流动性差，在无填充材料焊接时，容易在封口焊缝中形成气孔。因此，在处理该质量问题时，需要进行相关模拟缺陷的工艺试验，评估上述影响或根据试验结果改进相关工艺。

3．1 工艺试验原则的制定

(1)在带极镍基堆焊层的试块上模拟，堆焊层厚度、管孔尺寸尽可能与产品一致。

(2)尽可能模拟真实缺陷位置和大小。特别注意，模拟缺陷边缘距堆焊层表面的距离不应大于3 mm，模拟缺陷深度和大小不应小于真实缺陷。

(3)采用与产品相同的定位胀和焊接工艺。

(4)模拟试块解剖和检验要求可参照焊接见证件的要求执行。金相截面应尽可能通过模拟缺陷的中心线。

3．2 工艺试验的实施

3．2．1 试板准备

采用与产品相同的堆焊工艺和焊接材料堆焊试板，钻孔前镍基堆焊厚度为7．9 mm。管孔数量为15个，管孔分布形式、直径和孔桥距离与产品完全相同。

3．2．2 缺陷模拟

在管孔内壁堆焊层模拟缺陷，模拟缺陷接近产品实际缺陷的形状，要求模拟凹坑的最大深度处需达到0．75 mm，凹坑中心在5点钟位置;凹坑边缘需圆滑过渡，无尖角和凸起金属;另外，凹坑边缘距离外壁端面距离不大于3 mm。缺陷示意图如图2所示。

图2 模拟凹坑示意图

3．2．3 定位胀及封口焊

定位胀:采用与产品完全相同的工艺进行胀接操作。模拟产品定位胀工况。

封口焊:采用与产品相同的不填丝自动氩弧焊的焊接工艺。

焊口数量:设置15个封口焊焊缝进行模拟。

3．2．4 无损检验

经历与产品焊缝相同的目视检查、渗透检查、氦检漏检查、射线检查，验收级别与产品相同。

3．2．5 破坏性试验

金相检验:宏观6．5×，微观100×。

制备要求:金相试样剖切面在5～11点方位。

验收指标:与产品见证件 RCC－M SectionⅣWELDING(2000+2002)Afcen 2002相同，即:焊喉平均值≥0．9e，焊喉单个值≥0．66e(e为管壁厚度);根部不连续≤0．1 mm。

金相照片需包括凹坑处管子的形状检查，并测量出剖开后管子的变形情况，指标为:管子外壁与管板孔内表面的间隙(记录中简称“间隙”)、管子变形凹坑等可测量尺寸)。

3．3 试验结果

模拟试验中的典型的金相照片如图3所示。试验完成后，对封口焊缝进行检验，结果见表1。

图3 R10C1 5h金相照片

表1 试验检查结果

4 结 论

(1)试验结果表明堆焊层内壁凹坑对封口焊焊接质量存在显著的影响，具体如下:影响定位胀效果，即管子与管孔间存在较大的间隙;间隙间可能残留空气，造成焊接气孔出现的概率增大;影响焊缝密封性;凹坑间隙造成焊缝根部不连续。因此，不建议在堆焊层内壁存在凹坑的情况下进行封口焊焊接。

(2)为了避免该表面缺陷对应管孔在后续封口焊时出现难于处置的较严重质量问题，特提出如下的处置措施:①对凹坑进行清理，圆滑过渡，不得加深凹坑深度;②按正常工序进行穿管、定位胀、封口焊焊接;③封口焊焊缝检验:如果合格，直接采用专用堵头进行堵管处理，若不合格，为防止缺陷扩展恶化，应当首先返修合格，之后再进行堵管处理;④按堵管工艺对该管孔进行堵管处理并设置焊接见证件;⑤按封口焊焊缝的要求检查，该管口堵管焊缝满足要求。

［1］ 孙志远，张茂龙，胡 欢．1 000 MW核电蒸汽发生器管子管板焊接［J］．压力容器，2016(1):67－73．

［2］ 张金元，赵素朝，符丽勇．核电站蒸汽发生器管子－管板焊缝渗漏分析［J］．企业技术开发，2016，35(3):167－170．

［3］ 陈剑虹，周昭伟．焊接手册(第二版)，第2册，材料的焊接［M］．北京:机械工业出版社，2001．

［4］ 曾 乐．现代焊接技术手册［M］．上海:上海科学技术出版社，1993．

TG455

2017－02－07

吴义党，1967年出生，学士，高级工程师。主要从事核电站设备监造技术支持造管理工作，已发表论文10余篇。