王偉波 張順達(dá) 朱奇敏

摘要：針對(duì)某核電廠發(fā)現(xiàn)核一級(jí)截止閥發(fā)生內(nèi)漏的情況，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)是由于該閥門密封面堆焊的硬質(zhì)合金（鐵基）產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致閥門內(nèi)漏。通過化學(xué)成分分析、金相組織分析、硬度檢測(cè)、SEM分析和EDS分析對(duì)裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行研究，對(duì)工藝及焊接過程控制進(jìn)行了改進(jìn)，基本解決了鐵基堆焊裂紋問題。對(duì)后續(xù)各核電廠同類核級(jí)閥門鐵基堆焊密封面缺陷的處理具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：核級(jí);閥門;鐵基堆焊;裂紋

中圖分類號(hào)：TG441.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）03-0095-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.17

0? ? 前言

在核電廠中，截止閥廣泛地應(yīng)用于RCV、RIS、RCP等系統(tǒng)中，在運(yùn)行過程中，截止閥通常起開關(guān)阻斷介質(zhì)流通，同時(shí)需要保持閥門填料、閥體閥蓋等邊界密封結(jié)構(gòu)的完整性和有效性，防止出現(xiàn)介質(zhì)外漏等作用;核一級(jí)截止閥泄漏對(duì)所在系統(tǒng)的安全運(yùn)行均有一定的影響，核電廠運(yùn)行中要避免此類情況出現(xiàn)。

1 核一級(jí)截止閥鐵基閥堆焊

核級(jí)截止閥在核島各個(gè)系統(tǒng)中均有使用（見圖1），該類型閥門的閥體、閥蓋的密封面焊接一般采用堆焊（見圖2、圖3），即對(duì)閥體、閥蓋密封面進(jìn)行堆焊[1]，形成硬質(zhì)合金堆焊層，使其具有耐磨損、耐擦傷等作用，延長(zhǎng)其使用周期。

按上游技術(shù)規(guī)格書要求，用于AP1000堆型的核一級(jí)閥門密封面堆焊的材料主要為鐵基合金。鐵基合金具有抗沖擊能力強(qiáng)、易于機(jī)械加工、抗疲勞性優(yōu)良、韌性與耐磨性配合好，能滿足多方面要求。鐵基合金不僅價(jià)格低廉，品種多，而且經(jīng)過成分、組織的調(diào)整，可以在很大范圍內(nèi)改變堆焊層的強(qiáng)度、韌性、耐磨性、耐蝕性、耐熱性和抗沖擊性等，具有較高的推廣價(jià)值。

2 核一級(jí)式截止閥密封面裂紋缺陷原因分析[2]

某核電廠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)批量核一級(jí)截止閥有內(nèi)漏情況，解體后對(duì)閥體、閥蓋鐵基堆焊密封面進(jìn)行滲透檢查，發(fā)現(xiàn)閥體鐵基堆焊密封面存在裂紋，從照片可以進(jìn)一步確認(rèn)裂紋沿著直徑方向貫穿整個(gè)堆焊密封面（見圖4）。

為進(jìn)一步確認(rèn)閥體鐵基堆焊裂紋產(chǎn)生的原因，進(jìn)行了一系列試驗(yàn)檢測(cè)[3]，具體如下：

（1）化學(xué)成分分析。對(duì)閥體基材材料F316及堆焊層熔敷金屬ERFeCr-A5進(jìn)行光譜分析，結(jié)果如表1、表2所示，基材和熔敷金屬化學(xué)成分合格。

（2）金相組織分析。將閥體鐵基堆焊裂紋試樣進(jìn)行切割取樣（見圖5），將試樣的徑向和周向進(jìn)行打磨、拋光、腐蝕，然后在金相顯微鏡下觀察。

閥體基體金相組織如圖6所示。可以看出，基體的金相組織是典型的奧氏體不銹鋼組織，即多邊形組織及孿晶組織，檢測(cè)結(jié)果表明閥體基體材質(zhì)和組織狀態(tài)均無異常。

裂紋及熱影響區(qū)金相組織如圖7所示?？梢钥闯?，裂紋貫穿整個(gè)熔敷層，為沿晶裂紋，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)裂紋在擴(kuò)展中還有二次裂紋生成，且基材也出現(xiàn)裂紋，在堆焊層和基體熔合線處有一半圓形黑色區(qū)域。

觀察裂紋全貌（見圖8），并測(cè)量裂紋的寬度及長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)靠近堆焊層上表面位置裂紋的寬度最大，越靠近熔合線裂紋寬度越小。

（3）其他檢測(cè)。

硬度檢測(cè)：對(duì)截取試樣選取位置A（距裂紋較遠(yuǎn)處）和位置B（裂紋附近）進(jìn)行硬度測(cè)量，試樣硬度曲線如圖9所示，通過檢測(cè)可知堆焊層的硬度值符合規(guī)范要求。位置A和位置B的硬度值比較接近，硬度值較為均勻。

掃描電子顯微鏡（SEM）分析：通過掃描電鏡（見圖10）可以發(fā)現(xiàn)，裂紋沿長(zhǎng)度和縱向兩個(gè)方向貫穿整個(gè)堆焊層，并且裂紋處/靠近熔合線位置、斷口位置均存在一定的孔洞。

EDS 分析：通過形貌觀察發(fā)現(xiàn)，掃描電鏡照片中的白亮區(qū)和金相照片中的黑色區(qū)域在同一位置，EDS分析表明，掃描電鏡中白亮區(qū)域除了Fe、Cr和Ni等元素外，C和O的含量非常高（見圖11），結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，白亮區(qū)域?yàn)榭锥?，即?duì)應(yīng)金相照片中的黑色區(qū)域，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，斷口中白色的不規(guī)則處也是孔洞，表明裂紋內(nèi)部也存在孔洞缺陷。

殘余應(yīng)力測(cè)試：對(duì)閥體進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，檢測(cè)位置整體應(yīng)力處于較高水平。

根據(jù)檢測(cè)過程及結(jié)果，分析閥體堆焊出現(xiàn)裂紋的原因有：

①由PT檢測(cè)結(jié)果及金相組織照片可知，閥體堆焊層有裂紋，從堆焊層外表面處靠近熔合線裂紋寬度逐漸變小，裂紋貫穿整個(gè)堆焊層，斷口凹凸不平，存在多處二次裂紋，為非脆性裂紋。

②通過金相和掃描電鏡分析，閥體裂紋處有一定數(shù)量的孔洞，其斷口位置靠近熔合線位置也有較大尺寸的孔洞。

③對(duì)靠近堆焊層附近位置應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，其殘余應(yīng)力處于較高水平，鑒于應(yīng)力的重新分布，在孔洞周邊出現(xiàn)了應(yīng)力集中，進(jìn)而在孔洞處萌生裂紋，并逐漸擴(kuò)展，最后形成宏觀裂紋，致使出現(xiàn)貫穿硬質(zhì)合金的裂紋。

綜上所述，導(dǎo)致耐磨堆焊裂紋質(zhì)量問題的主要因素是堆焊層內(nèi)部孔洞和殘余應(yīng)力[4]。

①孔洞：焊接過程中形成孔洞的主要原因是焊前待焊面清潔度不足，在深孔焊接時(shí)母材對(duì)保護(hù)氣體托持作用較差，易造成焊縫得不到充分保護(hù)。

②殘余應(yīng)力：影響焊接殘余應(yīng)力主要因素為焊接熱輸入、焊縫的冷卻速率給予待焊母材的拘束程度。由于未進(jìn)行預(yù)熱、后熱，導(dǎo)致焊縫的冷卻速率較高從而形成較大的溫度梯度，使焊縫的殘余應(yīng)力處于較高水平。

3 質(zhì)量控制改進(jìn)[5]

（1）焊前預(yù)熱和焊后緩冷。重新進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，優(yōu)化焊接工藝規(guī)程，提高焊前預(yù)熱溫度，促使工件潔凈水分等溢出，且在整個(gè)焊接過程中待焊件一直保持在預(yù)熱溫度中，使焊縫中的氣體也能較好地溢出，從而減少內(nèi)部孔洞的數(shù)量;在提高預(yù)熱溫度和后熱的基礎(chǔ)上，增加焊后消應(yīng)力的處理（見表3），更充分地釋放焊后殘余應(yīng)力，避免裂紋的產(chǎn)生。

（2）強(qiáng)化耐磨堆焊部位焊前的質(zhì)量控制[5]。

焊前的PT檢測(cè)：閥體、閥蓋堆焊及鄰近區(qū)域必須進(jìn)行PT檢驗(yàn)，按照ASEM規(guī)范第Ⅲ卷NB 5130（適用于焊接坡口）要求，閥體鐵基耐磨堆焊待焊面如圖12所示。

①僅主要尺寸大于1.5 mm的顯示才認(rèn)為與缺陷相關(guān)。

②長(zhǎng)度不超過25 mm的層狀缺陷不必修補(bǔ);長(zhǎng)度超過25 mm的層狀缺陷應(yīng)由超聲波檢測(cè)來確定。

③不可接受的非層狀缺陷顯示：a.任何長(zhǎng)度大于5 mm的線狀顯示;b.尺寸大于5 mm的圓形顯示;c.在一條線上的4個(gè)或者4個(gè)以上顯示，且缺陷邊緣間距等于或小于1.5 mm。在制造廠的技術(shù)要求中，作為堆焊層的待焊面，PT檢測(cè)不允許存在缺陷顯示。

堆焊坡口外觀、尺寸檢驗(yàn)：依據(jù)制造廠的設(shè)計(jì)和工藝要求進(jìn)行焊接坡口尺寸和外觀質(zhì)量的檢驗(yàn)。零件圖規(guī)定了坡口的幾何尺寸（如寬度、厚度、外緣直徑等）和表面粗糙度;此外，制造廠還特別規(guī)定坡口表面不得有油漬、油及其他異物，基體材料的幾何形狀不能有尖角，表面不得有氣孔以及可能影響堆焊組織的其他缺陷，并應(yīng)去除毛刺。

焊材：焊前檢查鎢極及焊絲表面，保證清潔度滿足焊接要求。

焊工：焊工的狀態(tài)、操作技能和經(jīng)驗(yàn)對(duì)焊縫的成形質(zhì)量也有一定影響;此次閥體堆焊密封面發(fā)現(xiàn)裂紋，但閥蓋堆焊密封面并未發(fā)現(xiàn)缺陷，需進(jìn)一步關(guān)注人的因素。

（3）耐磨堆焊焊接。

制造廠按評(píng)定合格的耐磨堆焊工藝規(guī)程進(jìn)行焊接，焊接方法是手工鎢極氬弧焊，焊接時(shí)工件隨工裝旋轉(zhuǎn)而鎢極焊槍固定在平焊位，焊材為鐵基連鑄焊絲。進(jìn)一步改進(jìn)堆焊氣體保護(hù)，使堆焊區(qū)域得到充分的保護(hù)，嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程執(zhí)行各項(xiàng)焊接參數(shù)，如焊前預(yù)熱、控制層間溫度、焊后后熱、焊后熱處理、控制焊接電流、焊接速度等。

（4）耐磨堆焊焊后PT及外觀檢驗(yàn)。

在耐磨堆焊層精加工后，對(duì)焊縫及其鄰近區(qū)域進(jìn)行PT和外觀檢驗(yàn)。制造廠PT檢驗(yàn)執(zhí)行耐磨堆焊焊縫PT驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，一般焊后48 h后進(jìn)行PT檢驗(yàn)，按照ASEM規(guī)范第Ⅲ卷NB.NC，ND分卷5352（適用于焊件）要求執(zhí)行：

①主要尺寸大于1.5 mm的顯示被認(rèn)為是相關(guān)缺陷。

②不可接受的缺陷：a.裂紋或線狀顯示;b.尺寸大于5 mm的圓形缺陷;c.在一條線上的4個(gè)或者4個(gè)以上顯示，且邊緣間距為1.5 mm;d.在與受評(píng)定的顯示有關(guān)的最不利部位上，任取一個(gè)面積為4 000 mm2且主要尺寸不超過150 mm，在這個(gè)面積內(nèi)有10個(gè)或10個(gè)以上的圓形顯示。

焊縫的外觀質(zhì)量要求嚴(yán)格，不得有夾雜、凹坑、磕碰或劃傷等缺陷。

4 結(jié)論

對(duì)核一級(jí)截止閥閥體密封面堆焊裂紋進(jìn)行原因分析及質(zhì)量控制改進(jìn)后，閥體密封面鐵基耐磨堆焊焊接的內(nèi)在和外觀質(zhì)量均得到了較大的改善，為后續(xù)核電現(xiàn)場(chǎng)閥門運(yùn)行中結(jié)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)提供了較好的保障?？梢詾橥惡思?jí)截止閥鐵基閥門密封面裂紋缺陷的處理及改進(jìn)提供一定的經(jīng)驗(yàn)參考。當(dāng)然，不同制造廠閥門鐵基堆焊在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝上的情況可能有所差異，后續(xù)對(duì)鐵基堆焊（自動(dòng)焊）技術(shù)的成熟及大面積推廣可行性仍需要進(jìn)一步研究。

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