徐寶坪，朱家澤，晉嘉昱，馮英超，劉金平

1.福建福清核電有限公司 福建福清 350318 2.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司 北京順義 101300

1 設(shè)備概況

汽水分離再熱器（MSR）的功能是分離和再熱循環(huán)蒸汽，同時(shí)輔助有供氣、抽氣、疏水和控制等功能。MSR內(nèi)部結(jié)構(gòu)由殼體、預(yù)分離器、下部內(nèi)襯、分離器、內(nèi)件固定架、一級(jí)再熱器、二級(jí)再熱器及管系密封裝置等組成，如圖1所示，其中MSR下部內(nèi)襯采用焊接連接而成，其作用首先為防蒸汽沖刷、沖蝕MSR筒體；其次起到蒸汽分流作用。

圖1 MSR內(nèi)部效果

為滿足濕蒸汽防沖蝕的要求，MSR內(nèi)襯優(yōu)先選用不銹鋼材料，同時(shí)考慮選用的不銹鋼材料熱膨脹系數(shù)盡可能與MSR筒體材料（碳素鋼）相近。因此，MSR內(nèi)襯材質(zhì)牌號(hào)設(shè)計(jì)為06Cr13鋼（鐵素體不銹鋼），設(shè)計(jì)厚度為6～8mm，內(nèi)襯構(gòu)件采用焊接連接，形成角接接頭（角焊縫）。

2 MSR內(nèi)襯焊縫缺陷及定性

某運(yùn)行核電廠在大修期間實(shí)施2、4號(hào)機(jī)組MSR下部內(nèi)襯焊縫目視檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)多處下部內(nèi)襯焊縫沿著熔合線和熱影響區(qū)開裂，部分開裂延至母材，如圖2所示。

圖2 MSR下部內(nèi)襯焊縫目視、PT呈線性顯示

3 06Cr13鋼焊接工藝

06Cr13鋼為鐵素體不銹鋼，雖然其顯著特點(diǎn)是強(qiáng)度高，但焊接性差。該類鋼在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)的晶粒長大嚴(yán)重，碳、氮化物在晶界聚集，焊接接頭的塑韌性低，在拘束度較大時(shí)，容易產(chǎn)生焊接裂紋，接頭的耐腐蝕性也嚴(yán)重惡化[1]。為了防止焊接裂紋，改善接頭的塑韌性和耐蝕性，在采用同質(zhì)熔焊工藝時(shí)，應(yīng)進(jìn)行100～150℃預(yù)熱，焊后進(jìn)行750～800℃的退火處理，焊接過程中應(yīng)盡可能采用較小的熱輸入，焊接過程中不擺動(dòng)，不連續(xù)焊。

4 MSR下部內(nèi)襯工廠焊接工藝

MSR下部內(nèi)襯存在大量的小構(gòu)件角焊縫焊接，若采用同質(zhì)熔焊工藝時(shí)則無法實(shí)施焊前、焊后熱處理，尤其在機(jī)組服役后，MSR下部內(nèi)襯焊前預(yù)熱、焊后熱處理更難以實(shí)施。因此，被迫采用奧氏體型焊接材料焊接工藝，以利于提高焊接接頭的塑韌性，可免做焊前預(yù)熱、焊后消除應(yīng)力熱處理[1]。

MSR下部內(nèi)襯焊縫均在工廠制造完成，工廠采用焊接方法為焊條電弧焊（SMAW），選用焊條為E309L-16（奧氏體不銹鋼焊條），根據(jù)內(nèi)襯不同厚度，選擇焊條規(guī)格為φ3.2mm、φ4.0mm、φ5.0mm。

5 缺陷原因分析及結(jié)論

5.1 工況受力分析

（1）軸向和環(huán)向變形分析 MSR服役后，在運(yùn)行壓力、溫度共同作用下，分析MSR筒體在軸向、環(huán)向和徑向均發(fā)生膨脹變形，造成對(duì)下部內(nèi)襯及焊縫影響。

1）軸向變形：在兩個(gè)預(yù)分離器之間的部分（見圖3），由于下部內(nèi)襯開孔處與預(yù)分離器采用焊接連接，使得下部內(nèi)襯在軸向方向與筒體一起拉伸變形，產(chǎn)生較大應(yīng)力（包含熱應(yīng)力）。

2）環(huán)向和徑向變形：主要影響內(nèi)件固定架與筒體相焊處（見圖4），對(duì)下部內(nèi)襯及焊縫相對(duì)影響較小。

（2）熱態(tài)運(yùn)行壓力、溫度影響分析 ①熱應(yīng)力分析：據(jù)有關(guān)熱應(yīng)力分析資料，MSR內(nèi)部熱應(yīng)力較大的區(qū)域主要分布在MSR兩個(gè)預(yù)分離器之間，如圖5所示標(biāo)紅位置。②運(yùn)行壓力產(chǎn)生的應(yīng)力：應(yīng)力較大區(qū)域在兩個(gè)預(yù)分離器之間，下部內(nèi)襯與預(yù)分離器焊縫附近區(qū)域。③綜合考慮運(yùn)行壓力、溫度工況后的應(yīng)力：經(jīng)運(yùn)行壓力產(chǎn)生的應(yīng)力和熱應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)域重疊，因而對(duì)結(jié)構(gòu)焊接要求較高，若該區(qū)域焊接質(zhì)量不佳，易產(chǎn)生裂紋。

圖3 預(yù)分離器

圖4 焊縫

圖5 MSR內(nèi)部結(jié)構(gòu)

5.2 原材料焊接性分析

MSR下部內(nèi)襯材質(zhì)為鐵素體不銹鋼，其焊接性差，焊后極易在焊接接頭熱影響區(qū)形成馬氏體組織，使結(jié)構(gòu)變脆，力學(xué)性能變差，該區(qū)域焊縫和母材相比為薄弱區(qū)。

5.3 焊縫質(zhì)量分析

目視檢查MSR內(nèi)襯焊縫成形較差，局部焊縫位置熔合不良，且部分焊縫表面未進(jìn)行打磨圓滑過渡，存在連續(xù)咬邊，咬邊處（熔合線位置）易產(chǎn)生應(yīng)力集中。部分焊縫根部位置存在未焊透等缺陷，存在缺口應(yīng)力集中效應(yīng)，如圖6所示。

圖6 焊縫成形差、咬邊

5.4 下料方式分析

MSR內(nèi)襯原材料為鐵素體不銹鋼板材，制造期間采用剪板機(jī)剪切下料，易出現(xiàn)斷面分層缺陷，車間采取了打磨方式將分層缺陷去除，但實(shí)際斷層開裂的延伸深度大于目視可見開裂深度，易在母材中隱藏缺陷。

5.5 結(jié)論

（1）根本原因 鐵素體不銹鋼焊接過程中容易在熔合線發(fā)生貧鉻和滲碳沉淀，熱影響區(qū)易形成馬氏體組織，使結(jié)構(gòu)變脆，力學(xué)性能比焊縫和母材差，在運(yùn)行壓力和焊接應(yīng)力共同作用下，從焊接接頭薄弱的熱影響區(qū)開裂。

（2）促成原因 原焊縫焊接質(zhì)量較差，局部焊縫存在咬邊、熔合不良等缺陷，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在外界壓力作用下使原焊縫缺陷擴(kuò)展；MSR下部內(nèi)襯板材下料方式存在不合理，易產(chǎn)生隱蔽缺陷，在外力作用下擴(kuò)展成裂紋。

6 缺陷處理

（1）總體方案 采用“皮帶式”砂輪機(jī)打磨方法，對(duì)檢出的缺陷進(jìn)行徹底消除，并選用技能嫻熟、經(jīng)驗(yàn)豐富且具備相應(yīng)焊接資質(zhì)的焊工實(shí)施補(bǔ)焊。補(bǔ)焊完成后，按NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域及鄰近兩側(cè)母材15mm范圍內(nèi)進(jìn)行100%PT檢測，合格級(jí)別為I級(jí)。

（2）優(yōu)化返修工藝 制造階段MSR下部內(nèi)襯焊接時(shí)，選用焊條規(guī)格為φ3.2mm、φ4.0mm、φ5.0mm。為避免現(xiàn)場返修時(shí)產(chǎn)生大的焊接應(yīng)力，返修補(bǔ)焊時(shí)選用φ3.2mm焊條進(jìn)行返修補(bǔ)焊，以減小焊接熱輸入量，降低焊接殘余應(yīng)力。

（3）優(yōu)化焊后表面處理 待缺陷打磨挖鑿并補(bǔ)焊后，實(shí)施嚴(yán)格打磨操作，確保熔敷金屬與母材過渡圓滑，杜絕焊縫咬邊、成形不良等表面缺陷。

（4）避開直角焊縫，增加止裂孔 對(duì)易產(chǎn)生焊縫應(yīng)力集中位置，如直角頂點(diǎn)位置兩側(cè)各留10mm不焊，避免直角處焊縫應(yīng)力集中（見圖7）；對(duì)較長的連續(xù)不規(guī)則焊縫端部，增加焊縫止裂孔（見圖8），防止此處焊縫運(yùn)行啟裂后擴(kuò)展。

圖7 避開直角焊縫

7 結(jié)束語

1）MSR下部內(nèi)襯06Cr13鐵素體不銹鋼焊接過程中易在熔合線發(fā)生貧鉻和滲碳沉淀，熱影響區(qū)易形成馬氏體組織，使結(jié)構(gòu)變脆，力學(xué)性能比焊縫和母材差，進(jìn)而在運(yùn)行壓力和焊接應(yīng)力共同作用下，導(dǎo)致焊接接頭熱影響區(qū)開裂。

2）機(jī)組運(yùn)行階段通過優(yōu)化06Cr13鐵素體不銹鋼工廠焊接工藝，采取避開下部內(nèi)襯直角邊焊接和增加焊縫止裂孔等有效措施，從而保證了MSR下部內(nèi)襯焊縫返修焊接質(zhì)量。

3）該運(yùn)行電廠2、4號(hào)機(jī)組MSR內(nèi)襯焊縫缺陷經(jīng)挖補(bǔ)修復(fù)后進(jìn)行了100%液體滲透檢測一次合格，并已安全、穩(wěn)定運(yùn)行三個(gè)燃料循環(huán)，未再出現(xiàn)任何異常。