張斌

摘要：針對核電機組凝汽器管子管板封口焊前期項目生產(chǎn)過程及現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題進(jìn)行了梳理和總結(jié)，分析其原因，并從清潔度控制、焊接參數(shù)優(yōu)化、工藝參數(shù)調(diào)節(jié)試板的應(yīng)用、焊縫成形及進(jìn)深值控制提出了技術(shù)改進(jìn)措施，在實際應(yīng)用中取得了良好效果，為國內(nèi)核電凝汽器管子管板封口焊焊接工藝的改進(jìn)提供了借鑒經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：凝汽器;管子管板;封口焊;自動氬弧焊

中圖分類號：TG441.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）11-0083-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.15

0 前言

核電機組凝汽器是凝汽式汽輪機系統(tǒng)的重要組成部分和輔機部套之一，是電力熱力循環(huán)中的重要一環(huán)，對整個電廠的建設(shè)和安全、經(jīng)濟運行都有著決定性影響。凝汽器管束模塊封口焊工藝是凝汽器制造過程中的重點、難點，同時也是對機組運行影響最大的重要工序，其因為管口數(shù)量巨大（以紅沿河核電項目為例，單臺機組共6個凝汽器模塊，單個模塊19 444個管口），對焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性提出了非常高的要求。中廣核工程公司前期核電項目的凝汽器封口焊發(fā)生了很多質(zhì)量問題，給設(shè)備的制造及現(xiàn)場安裝均帶來了很大沖擊，尤其是在核電現(xiàn)場進(jìn)行返修難度大、工期長、返修成本居高不下。為了切實提高凝汽器封口焊質(zhì)量，中廣核工程公司對前期項目質(zhì)量問題進(jìn)行了原因分析，并對凝汽器封口焊焊接工藝進(jìn)行了改進(jìn)。

1 凝汽器管束封口焊結(jié)構(gòu)及焊接工藝

百萬千瓦級核電機組凝汽器主要利用冷卻水冷凝汽輪機乏汽，其主要結(jié)構(gòu)包括殼體、排汽頸、管束模塊、水室等[1]，管束模塊尺寸一般為16 m×4 m×5 m（長×高×寬），管板一般為鈦復(fù)合板，冷卻管為鈦管，采用脹接+密封焊的方式連接[2]。管束的制造工藝包括穿管、脹管、脹焊等重要工序，脹焊又稱封口焊，采取不填絲自動氬弧焊焊接工藝，凝汽器管束封口焊的結(jié)構(gòu)示意見圖1，焊接工藝重要參數(shù)見表1。

2 凝汽器封口焊焊接問題分析及工藝改進(jìn)

2.1 凝汽器封口焊缺陷統(tǒng)計

以前期核電項目為分析對象，凝汽器管束封口焊焊縫缺陷中氣孔缺陷最多，其他缺陷主要是波紋缺陷、裂紋缺陷和翻邊缺陷，同時存在成型不良和脹管劃痕缺陷，嶺澳和紅沿河項目的缺陷情況見表2、表3，典型缺陷特征見圖2。在凝汽器的制造過程中，封口焊進(jìn)深質(zhì)量問題也是突出問題，紅沿河項目的凝汽器管束封口焊進(jìn)深值不合格情況見表4，封口焊進(jìn)深值示意見圖3。

2.2 凝汽器封口焊缺陷原因分析

2.2.1 氣孔產(chǎn)生的缺陷原因

凝汽器管束封口焊發(fā)現(xiàn)的圓形顯示基本是氣孔，在各類缺陷中占比最高，雖然凝汽器脹焊已經(jīng)建立了專門的清潔室，但在鈦-管板焊接時，母材、氬氣及污染物中的O2、N2、H2、CO2、H2O都會引起氣孔，其中氫是引起氣孔的主要氣體。其形成機理是：熔池中溶入了大量的氫，在熔池移動、冷卻、凝固過程中以氫氣的形式向外逸出，一些來不及逸出的氫氣將形成氣孔。因鈦管-板焊接前有清理、穿管和脹管等多道工序，均可能影響焊口清潔度。如在管-板脹接前，鈦管與復(fù)合板管孔表面清洗不徹底，殘留防銹油、灰塵等雜質(zhì)，脹接后便封閉在鈦管與復(fù)合板孔壁之間。鈦管-板焊接時熔池中產(chǎn)生的氫氣來不及向外逸出，形成氣孔。另外空氣潮濕和氬氣純度不夠也是導(dǎo)致焊接中出現(xiàn)氣孔的原因[3]。

2.2.2 翻邊、波紋、裂紋、氧化缺陷原因分析

在凝汽器管束封口焊接過程中，翻邊、波紋、裂紋、氧化、燒損等缺陷時有發(fā)生，也是封口焊典型缺陷[4-5]，主要與焊接參數(shù)不合理和焊接操作管理不足關(guān)聯(lián)較大。焊接工藝參數(shù)設(shè)置不合理是導(dǎo)致其出現(xiàn)裂紋和氧化的主要原因，焊接及檢驗過程質(zhì)量控制不嚴(yán)格是出現(xiàn)翻邊和燒損的主要原因，尤其是在焊接過程中，焊接操作工容易產(chǎn)生視覺疲勞、操作疲勞，波紋缺陷則主要與鎢極離鈦管外壁表面距離過近相關(guān)[6]。

2.2.3 脹接不均勻、劃痕產(chǎn)生的缺陷原因分析

凝汽器管束脹管數(shù)量巨大，在脹管過程中，若個別脹珠損壞，容易導(dǎo)致部分管板孔脹接后存在橢圓現(xiàn)象，造成脹接不均勻現(xiàn)象[6]。

凝汽器管束在脹管工序后，會使用切管機和平管機進(jìn)行切管和平管，由于切管機和平管機定位芯套材質(zhì)為黃銅，易劃傷鈦管，另外芯套直徑偏小，當(dāng)其在鈦管內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時，易在定位芯套外與鈦管間嵌入鐵屑，也會劃傷鈦管。

2.2.4 封口焊成形不良及進(jìn)深值不足原因分析

凝汽器管束封口焊進(jìn)深值可理解為焊縫最小厚度。ASME標(biāo)準(zhǔn)中要求鈦管封口焊縫的進(jìn)深值應(yīng)不小于管壁厚度。長期以來，凝汽器封口焊焊縫成形不良以及進(jìn)深值不足等問題是制約封口焊質(zhì)量的重要因素，經(jīng)分析類似質(zhì)量問題往往受焊接位置、工裝機具、制造工藝等影響，特別是產(chǎn)品焊縫見證件進(jìn)深不足將對產(chǎn)品焊縫造成巨大的質(zhì)量風(fēng)險。基于前期項目質(zhì)量問題，該類型缺陷產(chǎn)生原因具體分析如下：

（1）焊肉分布半徑偏大。

鈦管-板焊縫剖面的超景深檢測圖片顯示，鈦管-板焊縫的外形整體較為飽滿，圓弧狀焊縫表面曲線相關(guān)未熔合點整體呈扇形。但焊縫整體位置距離管孔中心半徑較大，即焊縫內(nèi)圈表面離未熔合點距離較短，通常在該方向上，進(jìn)深值不合格，如果能在焊肉量不變的基礎(chǔ)上，使得整個圓周上焊肉分布向鈦管中心靠攏，即焊肉相對未熔合點呈均勻分布，可增大鈦管-板焊縫的進(jìn)深值，見圖4。鈦管-板自動旋轉(zhuǎn)氬弧焊接時，鎢極距鈦管外壁表面距離是影響這一因素的關(guān)鍵，鎢極距鈦管外壁距離偏大時，鈦管-板焊縫進(jìn)深值容易不合格，過近焊縫表面則出現(xiàn)波紋缺陷及成形不良缺陷。

（2）熔敷金屬量不足。

因鈦管-板焊接采用自動旋轉(zhuǎn)氬弧焊自熔焊接工藝，無焊接材料填充。如果參與自熔焊接的鈦金屬量不足，會導(dǎo)致熔敷金屬量不夠，從而造成進(jìn)深值不夠及成形不良。通過觀察現(xiàn)場作業(yè)情況，發(fā)現(xiàn)存在以下幾種影響熔敷金屬量的情況：

a. 換熱管端部在焊接前經(jīng)過平管工序加工及去毛刺后，會使末端存在一個45°倒角，導(dǎo)致母材金屬量不足。

b. 脹管后，鈦管伸出長度不足。對現(xiàn)場已脹管待焊管的凝汽器殼體模塊進(jìn)行測量、統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)鈦管伸出鈦面的長度非常不均勻，為0.2～0.5 mm，不能滿足工藝中要求的最佳值0.5 mm。

3 凝汽器封口焊工藝改進(jìn)及成效

在實際生產(chǎn)過程中，封口焊質(zhì)量缺陷具有產(chǎn)生頻率高、隨機性大、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性差的特點。針對缺陷產(chǎn)生機理和大量參數(shù)試驗，從清潔度控制、焊接進(jìn)深值控制、焊接參數(shù)優(yōu)化、工藝參數(shù)調(diào)節(jié)試板的應(yīng)用提出工藝改進(jìn)措施。

3.1 封口焊清潔度控制

（1）端管板組件裝焊前檢查清潔度。

端管板來料時，仔細(xì)檢查管孔內(nèi)的銹蝕與防銹油涂抹情況，如有銹蝕或防銹油涂抹量不足，則在端管板組件裝焊前對其進(jìn)行清理和補涂防銹油。

（2）端管板組件裝焊時保護管孔區(qū)域清潔度。

端管板組件裝焊時，先在端管板碳鋼側(cè)管束區(qū)域內(nèi)表面貼一層附膜防銹紙，在防銹油作用下，防銹紙會與管板表面緊密貼合，將管孔徹底保護起來，確保無飛濺和粉塵進(jìn)入管孔。

（3）端管板組件裝焊后，管孔區(qū)域補涂防銹油。

端管板裝焊完成后，先用管道壓縮氣體吹干凈碳鋼層表面與管孔內(nèi)壁表面的灰塵與雜質(zhì)，仔細(xì)清洗后，在整個管孔區(qū)域內(nèi)仔細(xì)涂覆防銹油，杜絕留下盲區(qū)，見圖5。

（4）采用“隨擦隨穿、隨擦隨脹、隨擦隨焊”的方式，保證管束區(qū)域清潔度。

清潔度對鈦管-板焊接質(zhì)量的影響極大，無論是前工序穿管工序、脹管工序和焊接前，均需清理干凈雜質(zhì)。驗收時以用白布擦拭20個以上待焊管孔不變黑為清潔度合格依據(jù)，有效保證焊前清潔度。

（5）封口焊焊接預(yù)熱后，采用電吹風(fēng)熱風(fēng)對待焊管口進(jìn)行吹掃，有效去除水汽、灰塵及其他雜質(zhì)，從而消除原高壓管道氣吹掃帶來的水、油等污染風(fēng)險。

3.2 焊縫成形及進(jìn)深值控制措施

（1）控制鎢極旋轉(zhuǎn)半徑。

對于厚度0.7 mm鈦管，焊接時應(yīng)嚴(yán)格控制鎢極旋轉(zhuǎn)半徑，使鎢極距鈦管外表面距離為0～0.1 mm。為精確控制鎢極與鈦管外表面距離，根據(jù)鎢極距中心線的角度和鎢極尖角度，焊接過程中增加塞尺進(jìn)行測量，如圖6所示。

（2）優(yōu)化脹管后的平管工序。

對凝汽器殼體后行脹接的一側(cè)管，適當(dāng)增加鈦管脹接后的伸長量，脹管后的平管工序使得鈦管末端伸出鈦面0.6～0.7 mm，并檢查末端伸出余量，從而保證保留足夠的母材金屬，如圖7所示。

（3）改善設(shè)備工裝。

針對切管和平管設(shè)備，將定位芯套材質(zhì)由黃銅改為尼龍，使其即使與鈦管接觸也不會劃傷鈦管，增大芯套直徑至略小于鈦管內(nèi)徑，使鐵屑不易嵌入定位芯套與鈦管之間的空隙;增加防轉(zhuǎn)動裝置，使除切刀系統(tǒng)外的其他部件不會轉(zhuǎn)動劃傷鈦管。

3.3 焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

在原焊接工藝上，適當(dāng)提高電流起始值，延長送氣時間，保護氣體純度由原來的99%提高到99.999%，優(yōu)化后的焊接參數(shù)見表5。

3.4 增加工藝參數(shù)調(diào)節(jié)試板

在凝汽器封口焊過程中，發(fā)現(xiàn)焊接缺陷后控制方法不當(dāng)也是導(dǎo)致焊接缺陷重復(fù)出現(xiàn)的重要原因。經(jīng)觀察，在實際焊接作業(yè)過程中，當(dāng)偶爾出現(xiàn)單個缺陷時，操作人員并不是立即停下檢查焊槍，而是作好記號后繼續(xù)施焊。只有當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)缺陷時，才會停下來調(diào)整焊槍，然后在產(chǎn)品試板上施焊，以檢查焊槍參數(shù)調(diào)整效果。因此，在原有焊接見證件的基礎(chǔ)上增加工藝參數(shù)調(diào)節(jié)試板，以提高產(chǎn)品試板焊縫一次合格率。具體要求為在產(chǎn)品焊接過程中一旦出現(xiàn)異常，立即停止焊接操作并調(diào)整焊槍位置及參數(shù)，在工藝參數(shù)調(diào)節(jié)試板和產(chǎn)品試板施焊合格后才能繼續(xù)在產(chǎn)品上施焊。該方法優(yōu)化了焊接過程的工藝流程，減少了非正常因素引起的產(chǎn)品焊接缺陷，改進(jìn)前后焊縫質(zhì)量控制對比見圖8。

通過不斷的改進(jìn)焊接工藝，經(jīng)過約10年、20多臺核電機組凝汽器制造經(jīng)驗積累，目前中廣核工程公司已將凝汽器“封口焊縫”一次焊接不合格率由11.3%降至0.03%。

4 結(jié)論

通過分析核電站凝汽器管子管板封口焊接缺陷，總結(jié)了氣孔、波紋、成形不良、進(jìn)深值不足等缺陷產(chǎn)生的原因;提出通過調(diào)整焊接參數(shù)來優(yōu)化焊接工藝，建立了相對精準(zhǔn)定量控制凝汽器管子-管板封口焊縫的進(jìn)深值方法和通過增加工藝參數(shù)調(diào)節(jié)試板的方式來調(diào)整焊接參數(shù)，確保焊縫質(zhì)量，為核電制造廠分析凝汽器管束封口焊缺陷原因和制定工藝改進(jìn)措施提供了參考方法。

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