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        核電儀表罐焊接工藝研究

        2021-02-27 06:34:08白日亮
        核安全 2021年1期
        關(guān)鍵詞:氬弧焊根部儀表

        白日亮,原 瑜

        (青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司,山東青島 266000)

        “華龍一號”是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電技術(shù),應(yīng)用于先進(jìn)的百萬千瓦級壓水堆核電,采用了RCC-M 2007版標(biāo)準(zhǔn)制造,該版標(biāo)準(zhǔn)的焊接部分改動(dòng)很大。儀表罐設(shè)備的安全等級為核二級,儀表罐均安裝于差壓式變送器的測量管線,其主要作用是冷卻管線中的水汽,避免水汽在儀表管線中冷凝積累,或者收集管線中的冷凝水,避免其在儀表管線中積累。儀表罐的外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 儀表罐產(chǎn)品的典型外形結(jié)構(gòu)及尺寸Fig.1 The typical structure and size of instrument tank

        1 儀表罐用材料

        由某制造廠承制的儀表罐,主體材料是奧氏體不銹鋼Z2CND18-12(控氮)。此種奧氏體不銹鋼屬超低碳奧氏體不銹鋼[1],其含碳量低且具有優(yōu)良的抗晶間腐蝕能力,但較低的碳含量制約了材料的強(qiáng)度,其中一定量氮元素的固溶強(qiáng)化作用,可以提高超低碳奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度[2],還可以增加鋼的耐腐蝕性,抑制點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕的效果更明顯。該制造廠對于Z2CND17-12不銹鋼有成熟的焊接經(jīng)驗(yàn),但采用Z2CND18-12(控氮)不銹鋼焊接尚屬首次。通過對Z2CND18-12(控氮)和Z2CND17-12材料的化學(xué)成分和性能進(jìn)行綜合比較,以判斷Z2CND18-12(控氮)不銹鋼的焊接性,確定其焊接工藝。

        依據(jù)法標(biāo)RCC-M 的規(guī)定,表l 和表2 給出了Z2CND18-12(控氮)不銹鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能要求,與具有成熟制造工藝的Z2CND17-12 材料進(jìn)行了對比。

        表1 母材化學(xué)成分(單位:質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of base metal

        表2 母材的力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of base metal

        通過與Z2CND17-12 材料的對比可以看出,Z2CND18-12(控氮)不銹鋼中氮元素的含量增加,氮是有效的固溶強(qiáng)化元素,氮元素常用于提高奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度。由此可見,儀表罐的殼體選用Z2CND18-12(控氮)不銹鋼制造,不僅考慮到了其耐蝕性,還有力學(xué)性能。

        2 焊接材料

        焊接材料選用牌號為ER316L 的氬弧焊絲,規(guī)格為Φ2.0 mm,Φ1.6 mm,Φ1.0 mm,按照RCCM 2007 版中S2915 等要求進(jìn)行采購。焊接材料根據(jù)S2000 的要求進(jìn)行了驗(yàn)收,并按照RCC-M S5000的要求進(jìn)行了焊接材料評定。

        3 焊接工藝評定

        焊接工藝評定按照2007 版的RCC-M 標(biāo)準(zhǔn),此版較老版標(biāo)準(zhǔn)在焊接工藝評定部分做了大量的修改,2007 版RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)以EN ISO15614-1為基礎(chǔ),在S篇中增加補(bǔ)充要求。

        3.1 對接焊縫的焊接工藝評定

        焊接工藝評定試件材料選用與產(chǎn)品一致的Z2CND18-12(控氮)不銹鋼鋼管,鋼管尺寸為Φ88.9×11.13 mm,采用手工鎢極氬弧焊和自動(dòng)脈沖TIG 焊分別焊接一對試件,試件坡口型式如圖2所示。

        圖2 環(huán)縫焊接工藝評定坡口Fig.2 PQR groove of Cir.weld

        分別采用手工鎢極氬弧焊和自動(dòng)脈沖TIG焊進(jìn)行焊接工藝評定,掌握了最佳的焊接工藝參數(shù),解決了氬弧焊封底時(shí)易出現(xiàn)的燒穿、未焊透以及施焊時(shí)易出現(xiàn)的層間未熔合、側(cè)壁未熔合、氣孔、夾鎢等問題[3]。

        試件經(jīng)射線檢測合格后,分別進(jìn)行了理化性能檢測,自動(dòng)脈沖TIG焊試件焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為628 MPa,斷后伸長率平均值為37.5%,表面焊縫區(qū)室溫沖擊試驗(yàn)平均值為186 J,近表面/根部距熔合線1 mm處熱影響區(qū)室溫沖擊試驗(yàn)平均值為265 J,面背彎試驗(yàn)和晶間腐蝕的試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。手工鎢極氬弧焊試件焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為589 MPa,斷后伸長率平均值為46%,表面焊縫區(qū)室溫沖擊試驗(yàn)平均值為120 J,近表面/根部距熔合線1 mm 處熱影響區(qū)室溫沖擊試驗(yàn)平均值為140 J,面背彎試驗(yàn)和晶間腐蝕的試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        3.2 小尺寸支管接頭(BOSS頭)的焊接工藝評定

        考慮到焊材填充量以及接管直線度的要求,坡口角度普遍在25°-35°之間,焊工施焊難度較大,如采用手工焊條焊接,不利于焊工施焊以及焊渣的清理,焊縫內(nèi)部易出現(xiàn)大量夾渣,而且如果焊工運(yùn)條不當(dāng),也易于坡口或?qū)娱g未熔合的產(chǎn)生[4]。

        綜合考慮上述BOSS頭焊縫產(chǎn)生缺陷的諸多要素,采用手工鎢極氬弧焊對此類接頭施焊,坡口角度25°-30°,焊絲直徑Φ2.0 mm。母材選用Z2CND18-12(控氮),焊材為ER316L,規(guī)格:主管Φ60×11 mm,管座Φ40×12 mm。焊接過程中采用多層多道焊接,單道焊道厚度保證2-3 mm,避免單道過厚造成側(cè)壁未熔合。施焊中對打底焊道進(jìn)行100%PT 檢驗(yàn),層間進(jìn)行100%PT 檢驗(yàn),蓋面進(jìn)行100%VT、100%PT、100%RT 檢驗(yàn),內(nèi)孔機(jī)加工鉆通后對焊縫根部采用內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢驗(yàn),最終對評定試件解剖進(jìn)行宏觀金相和微觀組織檢驗(yàn),結(jié)果顯示沒有未焊透、焊瘤、氣孔、未熔合等焊接缺陷。

        圖3 管座與筒體的焊接接頭詳圖Fig.3 Welded joint detail of tube socket to shell

        3.3 插套焊縫的焊接工藝評定

        針對插套型式角焊縫焊接試驗(yàn)中出現(xiàn)的焊縫根部未焊透、表面咬邊、焊塌問題,該制造廠的焊接工藝人員開展了焊接工藝評定。焊接方法為手工鎢極氬弧焊,焊絲牌號為ER316L,焊絲直徑Φ2.0 mm。焊接過程中,根據(jù)焊縫尺寸要求確定焊道的層次和焊道數(shù),并注意道間清理,道間溫度控制在100℃以下。在保證熔透的前提下盡量采用較小熱輸入、低壓短弧施焊、縮短高溫停留時(shí)間、減小冷卻速度,避免產(chǎn)生焊接缺陷。注意焊前裝配時(shí)根部間隙為1.5-2.5 mm。

        圖4 管子與套管的焊接接頭詳圖Fig.4 Welded joint detail of pipe to casing pipe

        焊后進(jìn)行了外觀尺寸、逐層100%PT、宏觀金相和微觀組織檢驗(yàn),沒有發(fā)現(xiàn)焊縫出現(xiàn)未焊透或外觀成形不良等缺陷。最終對試樣解剖后進(jìn)行宏觀金相和微觀金相檢驗(yàn),結(jié)果均未出現(xiàn)未焊透、焊瘤、層間夾渣、氣孔、未熔合等焊接缺陷,根部間隙尺寸為1.5 mm,較焊接前收縮1 mm。

        4 儀表罐的焊接

        4.1 筒體與封頭環(huán)縫的焊接

        筒體與封頭焊縫的焊接采用單面V 型坡口,焊接方法為自動(dòng)脈沖TIG焊。其焊中及焊后的焊縫外觀如圖5所示。

        圖5 自動(dòng)脈沖TIG焊焊中及焊后焊縫外觀Fig.5 Weld appearance of automatic pulse TIG during and after welding

        自動(dòng)脈沖TIG焊焊中及焊后的焊縫表面成形穩(wěn)定,光潔均勻無表面缺陷,焊道呈現(xiàn)出規(guī)則的魚鱗紋狀,焊縫表面呈銀白色,說明該焊接方法穩(wěn)定性較好,焊接工藝參數(shù)及焊接質(zhì)量可控[5,6]。

        圖6 小尺寸支管接頭(BOSS頭)焊中焊縫外觀Fig.6 Weld appearance of small-sized branch connection(BOSS connection)during welding

        4.2 管座與筒體的BOSS接頭的焊接

        BOSS 接頭主要用于母管和支管的連接。除了焊接過程中要注意采用多層多道焊,避免單道焊道過厚造成側(cè)壁未熔合外,無損檢測也是確保焊縫質(zhì)量的重要方法。BOSS 接頭的規(guī)格為Φ40×12 mm,按照RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)要求,焊縫只要求進(jìn)行目視和PT檢測,但業(yè)主要求進(jìn)行輔助體積探傷,判定標(biāo)準(zhǔn)由制造廠自行確定。在實(shí)際操作過程中,PT 檢驗(yàn)不適宜檢查BOSS 接頭的焊縫內(nèi)表面質(zhì)量;不進(jìn)行體積檢測,也無法檢測出隱藏缺陷。為保證焊接質(zhì)量,增加了過程中檢測,在打底焊道、層間(每3層或每1層)增加PT%檢測,內(nèi)孔加工后對焊道根部進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查,焊后在焊縫表面100%PT 基礎(chǔ)上增加了焊縫輔助RT 抽樣檢查,減少了帶缺陷的BOSS 接頭焊縫進(jìn)入安裝和調(diào)試運(yùn)行等階段。

        4.3 插套焊縫的焊接

        焊接時(shí),首先進(jìn)行試件的點(diǎn)焊裝配定位,滿足1.5-2.5 mm插套焊接間隙要求后,采用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行橫角焊位置的焊接。由于部分接管壁厚較薄,最薄至δ1.65 mm,推薦此類薄壁接管的焊縫焊槍鎢極傾斜角位置如圖7所示。對于此類角焊縫的焊接,首先是要有成熟可靠的焊接工藝作為支撐,以避免焊接過程中未焊透、咬邊等缺陷的出現(xiàn),保證焊縫的質(zhì)量和性能,其次需要嚴(yán)格按照RCC-M S7740中射線探傷檢測的要求執(zhí)行無損檢測,為焊接質(zhì)量提供可靠保證。

        圖7 焊槍鎢極傾斜角位置示意圖Fig.7 Sketch for inclination angle of tungsten electrode of welding torch

        由于產(chǎn)品接管壁較薄,此類焊縫易出現(xiàn)外觀成形不良、咬邊,焊縫根部位置易出現(xiàn)未完全熔透等現(xiàn)象[7]。外觀成形不良的主要表現(xiàn)為焊縫咬邊及焊塌,出現(xiàn)在填充焊過程。焊趾邊沿呈現(xiàn)出斷續(xù)、由淺至深的咬邊。咬邊缺陷會(huì)造成焊趾部位的應(yīng)力集中,增加裂紋生成的風(fēng)險(xiǎn)。大的熱輸入量也易出現(xiàn)咬邊。此外,由于橫角焊這種焊接位置的特殊性,在蓋面時(shí)也易造成咬邊。未焊透是一種典型的面積缺陷,該類缺陷使焊接接頭存在力學(xué)性能降低的風(fēng)險(xiǎn),邊緣位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中,造成缺陷擴(kuò)展從而產(chǎn)生裂紋,最終導(dǎo)致焊縫開裂的嚴(yán)重質(zhì)量問題。

        5 應(yīng)用RCC-M 2007版標(biāo)準(zhǔn)S冊的心得

        RCC-M標(biāo)準(zhǔn)S冊詳述了焊材驗(yàn)收、焊接材料評定、焊接工藝評定、焊工技能評定、制造車間技術(shù)評定,產(chǎn)品焊接等與焊接相關(guān)的要求,制造廠可以快速轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容用于指導(dǎo)生產(chǎn)??傮w上講,RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)被普遍認(rèn)為規(guī)定具體且系統(tǒng)性強(qiáng),但實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍會(huì)有理解和使用上的困難[8]。在設(shè)備焊接方面運(yùn)用Ⅳ卷時(shí)[9],RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)中的許多內(nèi)容描述較為簡單,無相應(yīng)的圖示或舉例,視角不同的人對同一內(nèi)容會(huì)有不同的理解,執(zhí)行起來存在困難[10]。RCC-M 2007 版全面采用了ENISO15614-1 標(biāo)準(zhǔn),相較于2000 版S3000 部分在格式和內(nèi)容等方面有了較大變化。例如,RCC-M 2007 版中焊接工藝評定的覆蓋范圍擴(kuò)大了,取樣個(gè)數(shù)整體相對減少了,增加了焊接線能量等要求,RCC-M 2007 版標(biāo)準(zhǔn)對于斜接管焊縫有了明確的規(guī)定。之前舊版中只對管道焊縫有要求。按照RCC-M 2007 版標(biāo)準(zhǔn),要求對于傾斜角度小于60°的管插板焊縫和管插管焊縫,除了要做對接試件外,新增加了模擬試件的焊接要求。對于傾斜角度、主支管的管徑比值均明確了覆蓋范圍。

        按RCC-M 2007 版標(biāo)準(zhǔn)的要求,焊接工藝評定試件厚度在3-50 mm之間時(shí),兩相焊接件的母材可適用厚度均應(yīng)滿足0.5-1.2 t 范圍內(nèi)。為了滿足焊接工藝評定的覆蓋范圍,需要焊接厚度為50 mm 以上的試板或者選擇焊接多塊厚度不同的試件以滿足厚度覆蓋范圍,這加大了焊接工藝評定的工作難度。

        6 結(jié)論

        (1)Z2CND18-12(控氮)不銹鋼材料的焊接性能優(yōu)良,管管對接評定試件、小尺寸支管接頭(BOSS 頭)評定試件以及插套焊評定試件使用常規(guī)的不銹鋼焊絲及焊接工藝,力學(xué)性能、面背彎、晶間腐蝕試驗(yàn)和金相檢測結(jié)果均可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        (2)經(jīng)過一系列的焊接性試驗(yàn),探索解決了儀表罐產(chǎn)品焊接的諸多難題。筒體與封頭環(huán)縫的焊接采用自動(dòng)脈沖TIG焊,表面成形穩(wěn)定均勻,筒體與管座BOSS接頭的焊接從過程控制和輔助體積探傷等方面保證質(zhì)量,插套焊縫的焊接則通過控制焊槍鎢極傾斜角等方面避免出現(xiàn)根部未焊透、焊瘤、層間夾渣、氣孔、未熔合等缺陷。

        (3)RCC-M 2007 較2000 版標(biāo)準(zhǔn)更加完善。新版RCC-M(2007 版)的主要變化體現(xiàn)在適應(yīng)新的法規(guī)要求、引用標(biāo)準(zhǔn)的更新以及經(jīng)驗(yàn)反饋、新技術(shù)應(yīng)用等??傮w來講,新版RCC-M(2007 版)相較于舊版RCC-M(2000+2002 補(bǔ)遺版)沒有根本性的變化,而且體現(xiàn)了法國核島設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則協(xié)會(huì)(AFCEN)持續(xù)改進(jìn)的思想。

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