陳偉民,鄭文龍

(海南核電有限公司,海南 ?？?570203)

在核電廠工藝系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)上,國(guó)內(nèi)外普遍采取滿足RCC-M SⅢ相關(guān)規(guī)定的、用于支管連接的帶補(bǔ)強(qiáng)連接件的安放式管件,以代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用的異徑三通、補(bǔ)強(qiáng)板、加強(qiáng)管段等支管連接形式,尤其是在高溫、高壓、大口徑以及后壁管道中使用日益廣泛,逐步取代了傳統(tǒng)的支管連接方法。

核電廠所使用的接管座,大多數(shù)為非標(biāo)準(zhǔn)件,不同接管座間尺寸及形狀有很大不同,且由于普遍位于大口徑母管上,其現(xiàn)場(chǎng)安裝空間小,位置復(fù)雜,故多數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)安裝前的管道預(yù)制階段即將接管座及母管焊接完成,從而降低現(xiàn)場(chǎng)焊接位置及焊接空間對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

接管座和母管的連接焊縫的預(yù)制,首先用不銹鋼鍛棒根據(jù)加工圖制作接管座本體,完成后將加工好的接管座安放到母管上進(jìn)行焊接,全部焊接工作在預(yù)制車間進(jìn)行,確保焊接采用為平焊位置,從而最大程度地降低焊接難度,提升焊縫可靠性。焊接完成后從接管座上部直接鉆孔與母管內(nèi)表面連通。在保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)滿足測(cè)溫元件的插入可靠性或支管的流量穩(wěn)定,接管座結(jié)構(gòu)和連接形式如圖1所示。

國(guó)內(nèi)核電廠位于一回路壓力邊界上接管座焊縫內(nèi)徑均小于60 mm,外徑小于114 mm。接管座材質(zhì)分別為Z2CN18-10、Z2CND18-12N的奧氏體不銹鋼;對(duì)應(yīng)母管材質(zhì)分別為Z2CN18-10、Z2CND18-12N的奧氏體不銹鋼。

圖1 接管座尺寸圖及接頭形式Fig.1 Size of pipe socket and joint form

1 質(zhì)量缺陷以及原因初步分析

國(guó)內(nèi)某核電廠輻射防護(hù)人員在利用NS/RRA模式窗口為機(jī)組功率運(yùn)行模式下劑量的測(cè)量工作進(jìn)行位置勘查時(shí),發(fā)現(xiàn)某一房間內(nèi)保溫殼有滴水現(xiàn)象,為分析泄漏原因,拆除管道表面包裹的保溫殼后進(jìn)行目視核查,檢查確認(rèn)為接管座焊縫泄漏,可觀測(cè)到泄漏點(diǎn)呈線狀流。后通過液體滲透無(wú)損檢測(cè),確認(rèn)漏點(diǎn)直徑約0.5 mm,現(xiàn)場(chǎng)漏點(diǎn)沿焊縫斜面距離母管邊緣直線距離約13 mm,根據(jù)加工圖判斷漏點(diǎn)位置在焊縫邊緣(見圖2、圖3)。

1.1 缺陷可能原因分析

該接管座的泄漏位置位于接管座與母管焊縫的邊緣位置,未出現(xiàn)在母管或接管座本體位置上。鑒于其位于一回路壓力邊界,其缺陷產(chǎn)生的原因有以下兩種可能:

1)該焊縫位于一回路母管之上,在運(yùn)行期間,系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)系統(tǒng)壓力 (表壓)維持在(15.4±0.1)MPa,漏點(diǎn)所在管道在該核電廠機(jī)組運(yùn)行期間屬于靜態(tài)壓力回路,附近無(wú)泵等壓力脈動(dòng)源布置,故而其焊縫承受高壓環(huán)境,壓力造成的疲勞累積致使焊縫產(chǎn)生裂紋,從而產(chǎn)生泄漏。

圖2 泄漏點(diǎn)位置及缺陷狀態(tài)Fig.2 The position of the leakage point and defect status

圖3 泄漏點(diǎn)位置模擬圖Fig.3 The simulation diagram of leakage point

2)焊縫本身的質(zhì)量存在缺陷,在接管座預(yù)制期間,由于焊接采用的工藝主要為氬電聯(lián)焊或全氬焊接,除全氬焊接外,氬電聯(lián)焊工藝中的氬弧層僅在打底焊縫中使用,焊接完成后,接管座鉆孔時(shí)已將氬弧打底層基本去除。剩余焊縫的構(gòu)成為焊條所形成的焊道,易產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷。

1.2 缺陷原因初步判定

根據(jù)該核電廠熱態(tài)試驗(yàn)期間現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)判斷,該位置管道不存在不受約束的明顯振動(dòng)現(xiàn)象。且該核電廠運(yùn)行時(shí)間較短,若焊縫質(zhì)量合格,其短時(shí)間內(nèi)的累積壓力變化不易造成裂紋產(chǎn)生。因此,初步判斷為該泄漏缺陷的成因是原焊縫中本身存在多處夾渣、氣孔以及未熔合等缺陷,在系統(tǒng)多次經(jīng)歷機(jī)組壓力平臺(tái)的壓力變化后,應(yīng)力累積導(dǎo)致原缺陷擴(kuò)展,最終形成貫穿性損傷而發(fā)生泄漏。

2 缺陷成因最終分析及判定

2.1 安裝質(zhì)量文件排查

根據(jù)上述分析可初步判定,缺陷產(chǎn)生基本是焊接過程中焊縫質(zhì)量不合格所導(dǎo)致,首先對(duì)安裝過程文件的可靠性及合規(guī)性進(jìn)行確認(rèn)。

排查安裝過程文件,該接管座及其他接管座焊接所采取的工藝為全氬焊接 (GTAW)或氬電聯(lián)焊 (GTAW+SMAW),其主要工藝內(nèi)容如下:

1)GTAW工藝:采用直徑?2.0 mm焊絲進(jìn)行全部定位、打底和填充,焊接過程中背部充氬保護(hù)。

2)GTAW+SMAW工藝:采用直徑?2.0 mm焊絲進(jìn)行氬弧打底,并使用氬弧填充后使用直徑?3.2 mm及?4.0 mm焊條進(jìn)行蓋面,氬弧焊接過程中充氬保護(hù)。

該焊接工藝參數(shù)經(jīng)過合格工藝評(píng)定過程,且焊工在焊接該接管座期間,其焊縫的一次合格率始終保持在95%以上。因此,焊縫缺陷產(chǎn)生的原因不是由工藝參數(shù)不適合或焊工本身水平所造成。

通過對(duì)接管座安裝文件進(jìn)行分析,接管座首道焊縫寬度為4～6 mm,且坡口R角設(shè)計(jì)圖紙為25°。在一般焊接過程中,焊條可擺動(dòng)空間和幅度過小會(huì)對(duì)焊工的焊接質(zhì)量造成不利影響,且一般管座對(duì)接焊縫的R角為45°～60°,R角過小可能導(dǎo)致焊工在焊接過程中,視線難以觀察焊縫,進(jìn)而影響到焊工對(duì)熔池狀態(tài)以及焊縫質(zhì)量的控制。

2.2 實(shí)體排查

(1)排查依據(jù)

根據(jù)RCC—M表S7710.2及 《奧氏體不銹鋼焊接接頭無(wú)損檢驗(yàn)大綱》 (Q-CNPE.J108.45—2010)規(guī)定要求,安放式和嵌入式支管,當(dāng)支管內(nèi)徑小于等于60 mm時(shí),應(yīng)進(jìn)行焊后PT(滲透檢驗(yàn))檢驗(yàn);同時(shí),對(duì)支管外徑小于等于114 mm安放式和嵌入式支管還應(yīng)進(jìn)行根部或支撐部位PT檢驗(yàn)。

此類接管座焊縫并無(wú)射線檢測(cè)要求,是由于其位置形狀較不規(guī)則,RT檢測(cè)布片困難,拍出的片子具有一定的放大效應(yīng),且無(wú)法定位缺陷詳細(xì)位置,對(duì)于重疊的缺陷無(wú)法有效判斷和記錄,故規(guī)范未對(duì)原接管座焊縫進(jìn)行RT(射線檢驗(yàn))檢測(cè)。

由于接管座均已完成預(yù)制及安裝,為有效觀察出其他焊縫接頭的焊接成型質(zhì)量,僅PT檢測(cè)無(wú)法達(dá)到檢測(cè)目的,經(jīng)分析決定可采用雙壁單影透照技術(shù),射線源置于受檢區(qū)對(duì)面管道外側(cè)上,每條焊縫垂直母管與支管軸線對(duì)向透照2次,對(duì)焊縫檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行輔助判定,并按照RCC-M S7714.3進(jìn)行記錄和評(píng)判,由于片子具有一定的放大效應(yīng),相當(dāng)于提高了評(píng)片標(biāo)準(zhǔn)。

(2)排查結(jié)果

通過對(duì)核電廠所有的一回路壓力邊界接管座進(jìn)行RT探查發(fā)現(xiàn),約有70%左右的焊縫經(jīng)評(píng)片后按不合格進(jìn)行判定,必須進(jìn)行返修或更換處理,不合格焊縫基本為氬電聯(lián)焊焊縫,焊縫缺陷主要為夾渣,少部分存在氣孔和未熔合。

在對(duì)缺陷焊縫進(jìn)行打磨發(fā)現(xiàn),缺陷在焊縫中呈環(huán)形分布,位于手工電弧焊區(qū)域,在靠近焊縫根部處同樣有缺陷存在 (見圖4)。

圖4 修磨出的焊縫缺陷Fig.4 The polished welding defect

2.3 排查結(jié)論及分析

在一般焊接過程中,焊條擺動(dòng)寬度一般為2～3倍,焊條直徑可保證較為良好的焊縫成形,一般管座對(duì)接焊縫的R角為45°～60°,可保證焊工在焊接過程中視線對(duì)熔池的有效觀察。

根據(jù)接管座加工尺寸圖紙可知,接管座根部區(qū)域尺寸高度為4～6 mm,且形成的R角角度為25°。在該尺寸條件下,使用?3.2 mm藥皮焊條進(jìn)行焊接時(shí),其可擺動(dòng)空間過小,容易造成焊接過程中焊縫的熱輸入不均勻,影響焊縫成形質(zhì)量。

焊工在焊接過程中需要對(duì)焊接熔池進(jìn)行觀察,根據(jù)熔池所展現(xiàn)的狀態(tài)及時(shí)調(diào)整,控制焊條擺動(dòng)及前進(jìn)速度,確保焊縫熔池的成形滿足焊接需求;而過小的R角則造成焊工在焊接過程中視線受阻,不能有效對(duì)焊縫熔池狀態(tài)進(jìn)行觀察,難以對(duì)熔池狀態(tài)采取上述有效控制措施。

同時(shí),使用焊條進(jìn)行焊接時(shí),由于藥皮的掉落易產(chǎn)生夾渣缺陷,故在每層焊道完成后,就必須對(duì)焊道進(jìn)行打磨清理,去除殘留藥皮,而過小的R角會(huì)造成對(duì)焊道清理尤其底層焊道的清理異常困難,進(jìn)而導(dǎo)致焊道熔合線區(qū)域產(chǎn)生了大量夾渣缺陷。

缺陷產(chǎn)生后,由于進(jìn)行的氬弧打底焊道厚度較小,且該層焊道經(jīng)鉆孔后大部分被去除,其耐應(yīng)力撕裂能力相對(duì)較差,在手工電弧焊區(qū)域的焊道出現(xiàn)缺陷后,其在應(yīng)力累積下延展可能對(duì)氬弧焊焊道層造成撕裂顯現(xiàn)應(yīng)力裂紋缺陷。

3 缺陷處理

首先針對(duì)接管座R角過小問題,采取重新加工對(duì)應(yīng)型號(hào)的接管座,將R角全部調(diào)整為大于等于45°,以便于焊接過程中的焊條擺動(dòng)和熔池觀察需求。其次,對(duì)已確定存在缺陷的焊縫,根據(jù)其所在位置及下游物項(xiàng)連接焊縫形式,確定了以下4點(diǎn)處理原則:

1)對(duì)于下游支管連接方式為對(duì)接的接管座焊縫以及連接溫度探測(cè)器的接管座焊縫,且接管座直徑大于等于50 mm,則優(yōu)先打磨至焊縫剩余壁厚大于等于5 mm后進(jìn)行RT檢測(cè)確認(rèn),若合格則直接進(jìn)行補(bǔ)焊,若不合格則打磨至剩余壁厚2 mm的氬弧層后進(jìn)行PT,背部充氬實(shí)施補(bǔ)焊。

2)對(duì)于下游支管焊縫為插套焊縫,且直徑小于50 mm的接管座,則直接切割更換新的接管座,其新焊縫無(wú)損檢測(cè)要求按照首層PT+層間PT(每三層)+最終PT和RT進(jìn)行質(zhì)量控制。

3)密封焊縫連接T型溫度探測(cè)器的接管座,則在磨除密封焊道,旋出T型溫度探測(cè)器套管后直接切割更換新的接管座,在新接管座焊接完畢后采取切削方式完成背部焊道余高控制后旋入溫度探測(cè)器套管,然后執(zhí)行密封焊縫恢復(fù)。

4)補(bǔ)焊或重新更換的接管座焊縫,全部更換為全氬焊接方式進(jìn)行,用直徑為?2.0 mm的焊絲進(jìn)行焊接。

根據(jù)此原則,將所有經(jīng)RT復(fù)查和判定存在缺陷的焊縫處理后,對(duì)全部接管座進(jìn)行最終RT檢查并確認(rèn)全部合格,順利完成了缺陷處理工作(見圖5)。

圖5 完成更換的接管座Fig.5 The pipe socket replaced

4 改進(jìn)建議

4.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

接管座的主要作用是進(jìn)行支管連接,根據(jù)接管座非標(biāo)管件圖紙及接管座的功能要求可知,在一定范圍內(nèi)調(diào)整R角大小并不會(huì)對(duì)接管座功能造成不利影響。

為避免接管座因結(jié)構(gòu)原因造成的焊接質(zhì)量缺陷,將接管座的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行改進(jìn),增加R角角度至45°(見圖6),既可使焊工能夠在焊接過程中獲得焊絲及焊條的舒適擺動(dòng)范圍,又可使焊工在焊接過程中有效的對(duì)熔池狀態(tài)進(jìn)行觀察,以便焊工對(duì)焊接過程及焊接成形進(jìn)行控制,有效消除由于角度過小造成的焊縫成形差,氣孔、夾渣以及未熔合等焊接質(zhì)量缺陷;同時(shí),也可使得焊工在每層焊道完成后,有效對(duì)焊縫進(jìn)行打磨處理,最終確保焊接質(zhì)量受控。

圖6 優(yōu)化的接管座尺寸圖Fig.6 The optimized size of pipe socket

4.2 嚴(yán)格監(jiān)督標(biāo)準(zhǔn)

原接管座按照相應(yīng)的規(guī)范要求,在預(yù)制焊接過程中所采用的無(wú)損檢測(cè)方式僅為VT以及PT,且PT檢測(cè)僅在首層及最終焊縫進(jìn)行,不利于過程焊縫質(zhì)量的控制,RT檢驗(yàn)由于接管座為非標(biāo)準(zhǔn)件,其位置經(jīng)射線檢驗(yàn)后的底片黑度較差,顯影比例存在放大效應(yīng)和缺陷的疊加效應(yīng),對(duì)評(píng)片結(jié)果會(huì)造成影響而未采用。

在新接管座的安裝中,采用首層PT+層間PT(每三層)+最終PT的方式進(jìn)行過程質(zhì)量控制;同時(shí),在每層焊道完成后,即進(jìn)行VT檢查。在完成最終焊接后,對(duì)焊縫進(jìn)行最終RT檢驗(yàn),并按照RCC-M S7714.3的要求進(jìn)行記錄和評(píng)判,強(qiáng)化對(duì)接管座焊接質(zhì)量要求。

由于目前國(guó)內(nèi)外的無(wú)損探傷工藝能力尚無(wú)法對(duì)RT檢驗(yàn)的布片方式進(jìn)行有效的適應(yīng)性優(yōu)化;在此情況下,建議按雙壁單影布片方式進(jìn)行布片,并根據(jù)法規(guī)要求評(píng)判片子結(jié)果,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫整體質(zhì)量的完全控制。

4.3 改進(jìn)焊接工藝

原接管座焊縫主要采用了全氬焊接及氬電聯(lián)焊兩種方式,鑒于一回路邊界接管座的重要性,將采用氬電聯(lián)焊工藝焊接的接管座全部改為由全氬焊接,可以有效地避免焊條藥皮掉落未能及時(shí)有效的清除而產(chǎn)生夾渣缺陷,使焊工在焊接過程中更加容易把握焊接的質(zhì)量,確保焊縫質(zhì)量的可靠。

5 結(jié)論

由于一回路壓力邊界上的接管座位置的重要性,且其長(zhǎng)期承受高溫、高壓的環(huán)境條件,對(duì)其焊縫的質(zhì)量必須進(jìn)行有效保證。

對(duì)此,本文認(rèn)為,從改進(jìn)焊接工藝——采用全氬焊接、改進(jìn)接管座結(jié)構(gòu)——增大R角角度以及嚴(yán)格評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)——增加RT檢測(cè)3個(gè)方面進(jìn)行,即可確保焊縫質(zhì)量,從而進(jìn)一步保證一回路承壓邊界的安全性和可靠性。