王凱，陳英杰，魯立，楊佳，徐忠峰

1.中廣核核電運(yùn)營有限公司 廣東深圳 518124

2.蘇州熱工研究院有限公司 江蘇蘇州 215004

1 序言

安全注入系統(tǒng)是壓水堆核電站的重要專設(shè)安全設(shè)施，在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)發(fā)生失水事故時(shí)，保持堆芯被水淹沒，防止燃料包殼熔化；或在主蒸汽系統(tǒng)發(fā)生管道破裂事故時(shí)，快速注入濃硼溶液，從而使反應(yīng)堆快速安全停堆，并防止反應(yīng)堆重返臨界。法蘭是核電站管道工程中的重要部件，主要用于管道、泵及閥門等之間的連接，對于系統(tǒng)的安全起著至關(guān)重要的作用，其主要的失效形式是腐蝕。

圖1 法蘭面受腐蝕情況

某核電廠機(jī)組大修期間，在對安全注入系統(tǒng)進(jìn)行密封查漏時(shí)，發(fā)現(xiàn)某管端法蘭面存在嚴(yán)重腐蝕，最大腐蝕深度達(dá)到14mm，如圖1所示。由于該法蘭與管道焊接在一塊，現(xiàn)場取出比較困難，同時(shí)由于修復(fù)工作量大并處于高輻射區(qū)域等因素，相比于整體更換或手工焊修復(fù)，對受腐蝕法蘭面進(jìn)行在線電弧增材再制造將會大大降低檢修工期和檢修成本。

電弧增材制造技術(shù)是一種利用逐層熔覆原理，采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）或鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）等焊機(jī)產(chǎn)生的電弧為熱源，通過絲材的添加，在程序的控制下，逐漸成形出金屬零件的先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)。該技術(shù)不僅具有沉積效率高、絲材利用率高的優(yōu)勢，而且具有原位復(fù)合制造以及成形大尺寸零件的能力[1-3]。

針對管端法蘭面腐蝕問題，首先在模擬體上進(jìn)行以TIG為熱源的電弧增材制造工藝開發(fā)和性能驗(yàn)證，獲得可靠的修復(fù)工藝，然后在現(xiàn)場利用電弧增材再制造技術(shù)對法蘭受損部位進(jìn)行在線修復(fù)。本文通過對堆焊材料的合理選用和工藝的正確制定，成功地修復(fù)了法蘭受損面，提高了法蘭的使用壽命，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

2 模擬件試驗(yàn)材料與方法

本文提到的管端法蘭面作為低壓安全注入泵的一部分，安全等級為RCC-P2級，制造等級為RCC-M2級，其結(jié)構(gòu)形式類似于帶頸對焊法蘭，并帶有內(nèi)外兩個(gè)焊接端，法蘭材質(zhì)為Z2CN18.10。根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣和現(xiàn)場腐蝕狀況，制作管端法蘭模擬件，如圖2所示。

首先，采用手工TIG填絲焊對法蘭面修復(fù)前位置進(jìn)行打底堆焊；其次，采用Liburdi GT-VI設(shè)備進(jìn)行電弧增材再制造堆焊。該設(shè)備具有遠(yuǎn)程操控、弧壓控制和視覺監(jiān)測等功能，可保證整個(gè)增材堆焊過程中的成形和質(zhì)量控制。堆焊材料和工藝參數(shù)見表1，在堆焊過程中，控制層間溫度＜150℃；每層完成后，觀察堆焊層的表面質(zhì)量，直至堆焊層達(dá)到14mm，共計(jì)7層。

在法蘭增材堆焊完成后，使用X射線衍射法（XRD）對關(guān)鍵位置進(jìn)行應(yīng)力測試，一組測點(diǎn)位于模擬件堆焊層端面，另一組位于模擬件外壁上。測試前使用電解方法對測點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行拋光，以消除附加應(yīng)力。

圖2 模擬件法蘭結(jié)構(gòu)

在整個(gè)法蘭面電弧增材TIG堆焊完成后，按照標(biāo)準(zhǔn)RCCM2000+2002補(bǔ)遺，制備各類試樣，進(jìn)行化學(xué)成分檢測、顯微組織觀察、力學(xué)性能試驗(yàn)等，以評價(jià)堆焊工藝性能。

3 模擬件試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）成分分析 ER316L堆焊層中存在一定數(shù)量的鐵素體，能有效防止和降低焊接熱裂紋的產(chǎn)生，并能提高焊縫的抗晶間腐蝕能力[4]。但在高溫下，δ相鐵素體會析出σ相，引起焊縫金屬的脆化。因此，必須對焊縫中的鐵素體含量進(jìn)行控制。按照檢測標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法 B》，對模件體堆焊層進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表2。由檢測結(jié)果可知，各元素含量和δ鐵素體計(jì)算值完全符合標(biāo)準(zhǔn)RCCM2000+2002補(bǔ)遺的要求。

表1 堆焊材料和工藝參數(shù)

表2 熔敷金屬的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）顯微組織 法蘭模擬件電弧增材TIG堆焊完成后，分別從堆焊層熔合線附近和中心磨制金相試樣，用三氯化鐵+鹽酸溶液浸蝕，按照RCC-M SI400在金相顯微鏡下觀察顯微組織（見圖3）。觀察發(fā)現(xiàn)，金相切面在堆焊層中未發(fā)現(xiàn)裂紋、未焊透、未熔合及氣孔等焊接缺陷。堆焊層與母材熔合良好，未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋、沉淀物等，母材和堆焊層為典型的奧氏體組織。

圖3 堆焊層顯微組織

（3）力學(xué)性能 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)RCCM2000+2002補(bǔ)遺，對堆焊層中心熔覆金屬分別進(jìn)行室溫和350℃高溫縱向拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表3。由表3可見，室溫、高溫的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

同時(shí)，在堆焊層中心處取兩個(gè)面彎和一個(gè)側(cè)彎試樣，按照GB/T 232—2010《金屬材料 彎曲試驗(yàn)方法》對試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，檢測標(biāo)準(zhǔn)按照RCCM2000+2002補(bǔ)遺，試驗(yàn)結(jié)果未見缺陷。

（4）沖擊性能 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對試樣進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，以堆焊層表面、中心、根部及熱影響區(qū)為中心分別取3個(gè)沖擊試樣，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為55mm×10mm×10mm。每組試驗(yàn)結(jié)果取平均值，結(jié)果見表4，其沖擊吸收能量遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，具有良好的韌性儲備。

表3 堆焊層力學(xué)性能

表4 堆焊層沖擊性能

（5）應(yīng)力測試 根據(jù)應(yīng)力測量結(jié)果，堆焊完成后模擬件堆焊層端面和外壁管道均處于拉伸狀態(tài)，如圖4所示。在進(jìn)行了14mm堆焊修復(fù)后，模擬件堆焊層端面最大應(yīng)力約為275MPa；外壁堆焊層熱影響區(qū)域軸向應(yīng)力約為280MPa，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度。模擬件外壁在遠(yuǎn)離堆焊層的區(qū)域應(yīng)力呈下降狀態(tài)，然后在接近外壁對接焊縫時(shí)應(yīng)力呈上升趨勢，周向和軸向最大應(yīng)力出現(xiàn)在外壁對接焊縫附近，約為320MPa，說明對接焊縫產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與堆焊層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力疊加在一起了。由于法蘭經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行后，外壁對接焊縫的殘余應(yīng)力得到了有效釋放，因而法蘭端面堆焊完成后，并不需要考慮對接焊縫的殘余應(yīng)力。

圖4 應(yīng)力測試結(jié)果

4 現(xiàn)場實(shí)施

（1）缺陷區(qū)域清理及檢測 由于法蘭面受損嚴(yán)重，缺陷深度較大，需要較大的打磨工作量，同時(shí)考慮到輻射劑量因素，最終采用坡口機(jī)切削10~20mm深度，然后使用角磨機(jī)對法蘭受損部位進(jìn)行局部打磨，徹底去掉受腐蝕部分（見圖5）。打磨完成后，對表面進(jìn)行液體滲透檢測，合格后進(jìn)入下一道工序。

（2）手工TIG堆焊 液體滲透檢測合格后，采用手工TIG填絲焊對受損法蘭面進(jìn)行局部堆焊，找平打磨較深的部位，為電弧增材TIG堆焊做好準(zhǔn)備。在整個(gè)堆焊過程中，層間溫度＜150℃，同時(shí)注意對人員的輻照劑量，避免超標(biāo)。

圖5 法蘭面電弧增材再制造過程

（3）電弧增材TIG堆焊 手工TIG堆焊完成后，通過簡易工裝安裝電弧增材再制造設(shè)備至要求部位，通過遠(yuǎn)程操控器和視覺監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和對焊接過程的觀察。在整個(gè)電弧增材TIG堆焊過程中控制層間溫度＜150℃，重復(fù)堆焊，直至堆焊層超過法蘭原始尺寸1～2mm。

（4）堆焊后切削及檢測 電弧增材TIG堆焊完成后，拆除設(shè)備，采用坡口機(jī)切削多余部分，達(dá)到法蘭原始設(shè)計(jì)尺寸，然后進(jìn)行液體滲透檢測。

5 結(jié)束語

1）通過選擇合適的堆焊工藝和方法，成功實(shí)現(xiàn)了管端法蘭面模擬件的電弧增材再制造。堆焊層化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能試驗(yàn)和應(yīng)力測試結(jié)果均表明，電弧增材再制造工藝穩(wěn)定、可靠，滿足法蘭面堆焊修復(fù)的要求。

2）通過合理控制熱輸入量，堆焊層δ鐵素體計(jì)算值符合標(biāo)準(zhǔn)要求，能有效防止和降低焊接熱裂紋的產(chǎn)生，并能提高焊縫的抗晶間腐蝕能力；堆焊層沖擊吸收能量值超過130J，裕度大；堆焊層產(chǎn)生的應(yīng)力小，在法蘭堆焊層端面產(chǎn)生的應(yīng)力約為275MPa，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度。

3）管端法蘭面在線電弧增材再制造工藝的有效實(shí)施，成為解決核電現(xiàn)場法蘭受損的可靠手段。相對于法蘭整體更換或手工修復(fù)，電弧增材TIG堆焊工藝不僅可以保證法蘭面的堆焊質(zhì)量，而且提高了現(xiàn)場修復(fù)效率、降低了對人員的輻照劑量。