朱家澤

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

0 背景

核電廠常規(guī)島廠房設計較多壓力容器如高壓加熱器(簡稱“高加”)、低壓加熱器(簡稱“低加”)、汽水分離再熱器、疏水箱等，安裝常規(guī)島，均為常規(guī)島重要關鍵容器設備，其設計壓力、溫度高，運行工況惡劣。這些容器外壁均自帶多個接管座(大部分2＂以下)，安裝階段與現場工藝管道采用承插焊連接。自2018年以來，某核電廠運行期間曾發(fā)生多次壓力容器接管座與工藝管道(2＂以下)連接承插焊縫(以下簡稱SW)失效。焊縫失效導致高溫、高壓蒸汽泄漏，嚴重危及機組安全，如圖1所示。

圖1 某核電廠常規(guī)島壓力容器接管座焊縫失效泄漏Fig.1 The failure leakage of the welding seam of the conventional island pressure vessel in a nuclear power plant

1 失效原因分析

1.1 失效焊縫信息

失效焊縫為壓力容器底部接管座與工藝管道連接的承插焊縫，失效后蒸汽呈噴射狀向外冒出，失效點位于焊縫中心，呈線性顯示，距焊縫熔合線約2 mm。失效焊縫為安裝階段焊接完成，采用手工鎢極氬弧焊(GTAW)焊接方法，焊后進行100%PT檢驗，詳細信息見表1。

表1 失效焊縫信息表Table 1 Failure weld information

承插焊縫是常規(guī)島壓力容器接管座與2＂以下工藝管道連接最為廣泛的焊接形式(如圖2所示)。承插焊縫屬于角焊縫中的一種特殊類型。相對對接焊縫而言，承插焊縫有著較好的經濟性、工藝相對簡單等優(yōu)勢。

圖2 承插焊示意圖Fig.2 The schematic of the socket weld

承插焊縫形貌的變化能顯著影響承插焊縫的結構強度。焊縫形貌的變化主要通過改變焊縫的焊腳尺寸(CX，如圖3所示)，技術要求CXmin≥1.09t但不小于3.2 mm。因此，焊腳尺寸是決定承插焊縫的結構強度的重要因素。

圖3 焊腳尺寸示意圖Fig.3 The schematic of the welding foot

因承插焊縫結構焊接熱膨脹影響及運行過程中存在溫度梯度，為避免部件焊接產生內應力，焊前接管座或套管端與插管底部之間應至少留間隙P≥1.5 mm。

1.2 焊縫工況分析

1.2.1 熱膨脹分析

失效焊縫多集中于高、低加壓力容器。高加是利用汽輪機高壓缸抽汽加熱高壓給水，并接受汽水分離再熱器第一級和第二級再熱器疏水和排氣，提高回熱系統(tǒng)的效率。低加是利用汽輪機的抽汽來加熱凝結水，以提高機組的熱效率。兩者的功能均是為汽輪機給水起加熱作用。由于容器體積較大，在加熱過程中會因熱脹冷縮的影響而膨脹，因此在設計時，容器一端安裝在固定支撐結構上，另一端安裝在滑動支撐結構上，滑動支撐的作用是避免因容器受熱膨脹而產生應力和變形，以高加容器為例，如圖4所示。

圖4 高加壓力容器設計圖紙Fig.4 The design drawing of the high pressure container

利用金屬的熱膨脹系數及計算公式，以高加容器為例，參考系統(tǒng)運行手冊及制造文件，對容器熱膨脹進行定量計算，計算公式為：

δ=γ×L×(T2-T1)

式中，δ為膨脹量；γ為熱膨脹系數(SA-516≈9.2×10-6(℃)-1至11.8×10-6(℃)-1；L為材料總長度(高加總長度≈5 500 mm)；T1為材料初始溫度(常溫≈24 ℃)；T2為材料最終溫度(滿功率運行時約為219 ℃)。

將各參數帶入計算，最終得出高加容器在滿功率運行工況下，膨脹量δ將達到9.9 ～12.7 mm。機組停機(冷態(tài))期間，在高加容器滑動支座上做臨時標記，當機組達到滿功率運行(熱態(tài))時，再對標記的位移進行實測對比，發(fā)現記號的偏移距離約為12 m，與計算結果吻合，如圖5所示。

圖5 滑動支座位移對比圖Fig.5 The comparison of the sliding support displacement

1.2.2 小結

機組從停機至滿功率狀態(tài)，由于溫度的升高，高加容器的膨脹量達到約12 mm，但直管在短管卡的限制下無法隨著容器一起膨脹，從而在接管座焊縫處產生一定的應力。

1.3 短管卡設計分析

1.3.1 類型及功能

壓力容器接管座連接管道的管卡類型屬于短管卡，如圖6所示。其功能是利用短管卡限制管道徑向的位移，且利用緊固后的摩擦力限制管道軸向的位移。其目的是降低管道的振動和降低管道的一次應力。

圖6 短管卡結構設計圖及現場布置圖Fig.6 The design and the on-site layout drawing of the short tubecard structure

接管座連接管道上均設計4個短管卡，其中1個短管卡設計在接管座出來第1個彎頭后，此短管卡限制管道隨容器的軸向熱膨脹，會給接管座焊縫帶來應力影響，如圖7所示。

圖7 現場短管卡布置圖Fig.7 The layout of the on-site short tube card

1.3.2 短管卡檢查

在機組啟動后，對短管卡進行檢查，觀察到部分短管卡存在變形痕跡。結合3.2章節(jié)結論，原因為短管卡約束了管道的位移，在壓力容器受熱膨脹時，熱膨脹應力達到了短管卡材料的屈服強度，導致了短管卡產生塑性變形，如圖8所示。

圖8 短管卡變形狀貌Fig.8 The short tube card deformation

1.3.3 小結

短管卡限制管道隨容器一同膨脹，降低管道的柔性，間接對接管座承插焊縫造成影響。

1.4 焊縫質量分析

承插焊縫是小規(guī)格的內管插在大尺寸的接管座中，在連接處通過角焊縫連接。根據2.1，軸向間距和焊腳尺寸對承插焊縫強度有著直接的關系。為此，針對壓力容器接管座承插焊縫失效問題，在焊接結構角度從軸向間距和焊腳尺寸兩個出發(fā)點進行分析。

1.4.1 軸向間距分析

利用機組換料停機檢修期間，對常規(guī)島接管座焊縫進行射線(RT)排查，結果均合格。且從RT底片上，能夠直觀得顯示承插焊縫軸向間隙，如圖9所示。對排查的RT底片進行100%測量和換算，壓力容器接管座承插焊縫的軸向間隙尺寸約為1.5～2.0 mm。

圖9 軸向間距的射線底片示意圖Fig.9 The X-ray negatives of axial spacing

因此，接管座承插焊縫均按照要求預留了不小于1.5 mm軸向間隙，滿足規(guī)范要求。

1.4.2 焊腳尺寸分析

在承插焊縫的疲勞性能影響因子中，焊腳尺寸是重要的影響因素之一。在NB/T的規(guī)范中明確要求，承插焊縫的最短焊腳尺寸(Cx1和Cx2中最短的焊腳尺寸)需大于1.09t。

經實測對比，現場接管座承插焊縫的最短焊腳尺寸在5～6 mm之間。其數值小于小管壁厚6 mm，不滿足焊腳尺寸大于1.09倍小管壁厚的基本要求。

因此，壓力容器接管座承插焊縫焊腳尺寸低于標準值，是導致焊縫失效的原因之一。

1.5 有限元建模分析

為定量分析容器熱膨脹、短管卡布置及焊腳尺寸對焊縫的影響，利用ANASYS有限元軟件，分別針對以上三個變量進行建模計算分析，計算過程中確保僅存在一個變量，以此分析單變量對焊縫應力大小的影響。材料基本屬性參考表1，其余所需參數(E、v、ρ、k、α)參考GB 150、GB 151，其中，焊縫材料ER309L的屈服強度下限為520 MPa。

1.5.1 模型建立

壓力容器采用BEAM188梁單元簡化建模。管座、焊縫以及管道采用實體單元SOLID185，剩余管道采用PIPE288管單元。其中，管座實體單元SOLID185與殼體梁單元BEAM188、管道實體單元SOLID185與管單元PIPE288之間均通過MPC184單元剛性連接，如圖10所示。

圖10 接管座及管道模式示意圖Fig.10 The schematic of the connecting tube seat and the piping mode

1.5.2 邊界條件設定

在殼體簡化模型一側設置為固定所有平動及轉動自由度，在另一側設置為X(垂直地面)、Y軸(垂直容器軸向)固定、Z軸(平行容器軸向)可移動的邊界條件。

1.5.3 變量設定

1.5.3.1 溫度變量設定

根據系統(tǒng)運行手冊，容器溫度隨著機組運行工況上升而升高，35%功率平臺、75%功率平臺、100%功率平臺分別為158、197和219 ℃，溫度變量輸入以此三個溫度進行設定，以計算分析溫度變化對接管座承插焊縫的影響。

1.5.3.2 焊腳尺寸變量設定

將承插焊縫的焊腳高度設定為變量，計算分析焊腳尺寸對接管座承插焊縫的影響。

1.5.3.3 短管卡變量設定

將接管座焊縫出來第一個彎頭后的短管卡作為模型邊界條件變量，對比短管卡保留和取消短管卡僅保留橫擔兩種情況下，接管座焊縫處的應力情況。

1.5.4 分析結果

1.5.4.1 溫度變量

當壓力容器溫度為158、197和219 ℃時，焊腳為6 mm的接管座承插焊縫應力情況，計算結果如圖11所示。

圖11 158 ℃(A)、197 ℃(B)和219 ℃(C)時6 mm焊腳的焊縫應力值Fig.11 When the temperature is at 158 ℃ (A)，197 ℃ (B)and 219 ℃ (C)，the weld stress value of the 6 mm welding foot

根據圖11可知，隨著溫度增大，壓力容器產生的軸向熱位移也不斷增加，其在焊縫與管道連接處產生的應力不斷增大，其值分別為454.3、593.7和674.4 MPa，見表2。

表2 溫度變量計算結果分析表Table 2 The analysis of calculation results of temperature variables

由表2可得，當溫度升高引起壓力容器熱膨脹時，焊縫處所受的應力值超過材料屈服強度，導致焊縫失效。

1.5.4.2 焊腳尺寸變量

當壓力容器溫度為158、197和219 ℃時，改變焊腳尺寸數值，將焊腳尺寸增加至8 mm，計算結果如圖12所示。

圖12 158 ℃(A)、197 ℃(B)和219 ℃(C)時8 mm焊腳的焊縫應力值Fig.12 When the temperature is at 158 ℃ (A)，197 ℃ (B)and 219 ℃ (C)，the weld stress value of the 8 mm

與焊腳尺寸為6 mm的計算模型類似，根據計算云圖(如圖12所示)結果可知，整個模型的最大應力同樣出現在管座與管道連接的承插焊縫。隨著溫度增大，接管座承插焊縫處產生的應力不斷增大，分別為365.7、477.8和542.8 MPa，見表3。

表3 焊腳尺寸8 mm計算結果分析表Table 3 The analysis of 8 mm calculation results of the welding foot size

由表3可得，僅通過增加焊腳尺寸的方式，焊縫處應力值在滿功率工況下依然會大于屈服強度，因此僅通過增加焊腳尺寸無法徹底消除焊縫失效隱患。

1.5.4.3 短管卡布置變量

將焊縫出來第一個彎頭后的短管卡去除，僅保留橫擔后，約束條件改變，釋放管道在Y、Z方向的自由度，僅限制管道在X正方向(垂直地面向下)的位移，計算結果如圖13所示。

圖13 取消短管卡保留橫擔后的焊縫應力值Fig.13 Cancel the weld stress value after the short tube card is retained

當溫度分別為158、197和219 ℃時，對于8 mm焊腳，應力結果分別從365.7 MPa降低到137.2 MPa、477.8 MPa降低到179.3 MPa、542.8 MPa降低到203.8 MPa，見表4。

表4 短管卡取消后的分析結果Table 4 The analysis results after cancellation of the short tube card

由表4可得，在焊腳尺寸滿足設計要求的情況下，取消短管卡后，能夠使焊縫應力值低于材料屈服強度，有效避免焊縫失效。

1.6 分析小結

1)壓力容器接管座承插焊縫失效的直接原因是焊縫處應力值大于材料屈服強度。

2)壓力容器接管座承插焊縫失效的根本原因是焊腳尺寸不足和短管卡布置不合理。

3)壓力容器熱膨脹是客觀存在的，而焊腳尺寸和短管卡的設計及布置是改進的方向。

2 改進措施及應用效果

2.1 焊接補強

2.1.1 制定補強焊接工藝

為徹底解決焊腳尺寸不足的問題，對常規(guī)島壓力容器接管座焊縫進行100%目視檢測和尺寸測量，對于焊腳尺寸不滿足要求的焊縫采用100%焊接補強的方式進行處理。

焊接補強采用手工鎢級氬弧焊(GTAW)的方法，補強前對待焊表面進行機械拋磨，使待焊表面露出金屬光澤，并使用液體滲透的檢測方式驗證焊前表面無缺陷，補強焊接工藝經評定合格，評定基礎參數見表5所示。

表5 焊縫補強工藝參數Table 5 Parameters of the welding seam reinforcement process

接管座焊縫補強的焊接工藝評定參考了EPRI研究報告對焊腳尺寸(CX2∶CX1=1∶1和CX2∶CX1=2∶1)比例的分析結論。EPRI研究報告中，開展了一系列承插焊縫結構性能影響試驗。研究結果表明，當CX2∶CX1=2∶1能顯著提高承插焊縫的結構強度和疲勞強度，對不銹鋼和碳鋼而言均基本上可達到對接焊接頭的性能，如圖14所示。

圖14 1∶1接頭堆焊至2∶1Fig.14 1∶1 joint surfacing-welded to 2∶1

研究報告表明，當CX2>CX1時，焊縫焊趾處過渡平滑，應力集中小，在受到外部載荷影響時，具備更優(yōu)異的性能。因此，在承插焊縫補強工藝中進行了特別補充，充分利用仰焊位置的重力影響，續(xù)絲時讓靠近管道側的焊腳加大，形成滿足CX2∶CX1=2∶1的焊腳比例。

2.1.2 焊縫補強后驗收

焊接補強后采用100%目視檢查+100%滲透檢查，根據NB/T 47013—2012《承壓設備無損檢測》標準進行驗收，并對補強后的焊縫進行尺寸復測，確保最終焊腳尺寸CX2∶CX1=2∶1。

2.2 短管卡布置改進

根據分析結論，接管座承插焊縫連接的第一個彎頭后的短管卡會限制管道柔性，增加承插焊縫處的應力值。因此，取消該位置短管卡，保留橫擔，既能起到承托作用，降低振動和重力對管道一次應力的影響，也能夠避免影響管道柔性降低。

2.3 應用效果

某核電廠共計開展100條(44+56)焊縫的補強、補強后無損檢測、尺寸復測均100%合格；共計開展36個短管卡布置改進和驗收工作。整改后，未再次發(fā)生失效泄漏事件。

3 結論

1)核電廠常規(guī)島壓力容器接管座焊縫失效的原因是焊腳尺寸不足、短管卡的布置約束了管道，從而引起焊縫應力增大，超過了焊縫的屈服強度。

2)通過焊接補強、管卡設計改良兩種手段，常規(guī)島壓力容器接管座焊縫安全穩(wěn)定運行。

3)該研究成功應用為后續(xù)同行電廠的同類焊接接頭設計、短管卡設計及布置提供了參考。