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        核電站安注箱瓜瓣封頭焊接裂紋的成因與控制措施

        2021-12-28 23:45:13肖瑞旺高俊根劉開理孔永紅
        電焊機 2021年11期
        關鍵詞:裂紋

        肖瑞旺 高俊根 劉開理 孔永紅

        摘要:安注箱封頭采用壓制瓜瓣焊條電弧焊拼接,由于操作不當,在焊后無損檢查時發(fā)現(xiàn)存在夾渣、氣孔等缺陷,需要返修補焊。安注箱封頭為瓜瓣拼接、球型形狀,焊接位置為向上爬坡焊,且材質(zhì)為奧氏體不銹鋼材料,缺陷不能用碳弧氣刨而只能用砂輪打磨的方法清除,由于缺陷打磨過程中沒有注意打磨部位的形狀及補焊過程中的操作,補焊后RT出現(xiàn)裂紋。從安注箱封頭材料的化學成分、缺陷部位清理形狀、焊接工藝、焊工操作等方面分析裂紋原因,提出控制措施:(1)缺陷清除后應圓滑過渡,不得存在尖銳溝槽;(2)焊條擺動寬度不易過大,利用工裝將向上爬坡焊改為水平焊位置;(3)加強技術管控能力。

        關鍵詞:安注箱;封頭;瓜瓣拼接;返修;裂紋

        中圖分類號:TG441.7? ? ? 文獻標志碼:B? ? ? ? ?文章編號:1001-2003(2021)11-0114-04

        DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.21

        0? ? 前言

        安注箱是核電站核島重要設備,其主要功能是在發(fā)生一回路失水事故時淹沒堆芯,及時帶走反應堆燃料產(chǎn)生的熱量。安注箱為立式承壓容器,兩段由封頭密閉,其封頭由多塊壓制成型的瓜瓣拼焊而成。在某核電廠的安注箱建造過程中,兩臺機組共6臺安注箱封頭在施工時因焊工責任心不強、主觀意識麻痹等原因發(fā)生了大量的返修,在返修過程中由于操作不當、焊接工藝執(zhí)行不合理等原因,在返修補焊后出現(xiàn)裂紋。鑒于安注箱設備的重要性以及安注箱材料的特殊性,裂紋缺陷必須清除并采取措施避免其產(chǎn)生。文中分析了安注箱封頭返修中裂紋產(chǎn)生的原因以及避免裂紋產(chǎn)生的措施,及時完成安注箱封頭的返修。

        1 安注箱封頭焊接

        安注箱為一個直立容器,筒體兩端用兩個半球型封頭封閉。以上封頭為例,其形狀如圖1所示,上封頭由6片瓜瓣和1塊上極板拼焊而成,上封頭壁厚為44 mm,瓜瓣壁厚40 mm,6片瓜瓣焊縫坡口形式及焊接順序如圖2所示,瓜瓣組件與上極板焊縫坡口形式及焊接順序如圖3所示。

        安注箱封頭材料為Z2CN19.10 AC控氮不銹鋼, 其化學成分和力學性能如表1、表2所示。

        封頭材料Z2CN19.10 AC是18-8型奧氏體不銹鋼,幾乎不含鐵素體組織[1]。純奧氏體不銹鋼材料可焊性較好,無淬硬傾向,對氫不敏感,一般情況下能很好地適應熔化焊,焊條電弧焊、埋弧焊、惰性氣體保護焊、等離子弧焊等均能獲得具有較好塑性和韌性的接頭。但當焊接工藝參數(shù)選用不合理時,純奧氏體不銹鋼具有較大的焊接熱裂紋敏感性,會產(chǎn)生熱裂紋、晶間腐蝕、σ相脆化等缺陷。安注箱封頭由于受其形狀的限制,目前無法采用自動化焊接方法,只能用焊條電弧焊。焊接材料選用大西洋焊條CHS002HR φ3.2/4.0,返修補焊選用φ2.5/3.2,其熔敷金屬化學成分和力學性能見表3、表4。

        由表1~表4可知,安注箱封頭材料與焊材在化學成分方面很相近,焊材化學成分與母材匹配[2]。

        1.2 焊接工藝評定試驗

        在安注箱封頭母材、焊材選定后進行焊接工藝評定試驗,試件坡口形式如圖3所示,焊接位置為PA[3],采用焊條電弧焊,焊接工藝參數(shù)如表5所示。

        焊接工藝評定實驗要求直線運條、焊條不擺動。試件焊縫經(jīng)RT(按一級焊縫評價)合格[4],進行理化檢驗,其結(jié)果如表6、表7所示。焊縫金屬化學成分經(jīng)德龍圖[5]計算得出焊縫金屬組織δ鐵素體含量為7.6%,由表可知,宏觀微觀金相及晶間腐蝕實驗合格。經(jīng)評定試驗檢驗,Z2CN19.10 AC使用φ3.2 CHS002HR焊條,運用直線運條、不擺動,在熱輸入0.99~1.35 kJ/mm焊接條件下可以獲得良好的焊接接頭。

        2 裂紋產(chǎn)生原因分析

        2.1 材料

        奧氏體不銹鋼的物理特性是熱導率小、線膨脹系數(shù)大,在焊接局部加熱和冷卻條件下,焊接接頭部位的高溫停留時間較長,焊縫金屬及近縫區(qū)在高溫承受較高的拉伸應力和拉伸應變,這是產(chǎn)生熱裂紋的基本條件。奧氏體不銹鋼焊縫通常聯(lián)生結(jié)晶形成方向性很強的粗大柱狀晶組織,在凝固結(jié)晶過程中,一些雜質(zhì)元素及合金元素如S、P、Sn、Sb、Si、B、Nb等易于在晶間形成低熔點的液態(tài)膜,這些低熔點液態(tài)膜隨著在焊縫冷卻過程中奧氏體凝固結(jié)晶而不斷在焊縫中間聚集,在拉伸應力的作用下為熱裂紋的形成提供力的因素。同時,文獻[2]指出熱裂紋的行為與高溫凝固結(jié)晶的模式與高溫組織有更加直接的關系,對于不同合金成分的奧氏體焊縫金屬有三種凝固模式:①先結(jié)晶析出奧氏體,凝固過程結(jié)束后的組織為純奧氏體組織,稱為A凝固模式;②先結(jié)晶析出奧氏體,隨后發(fā)生包晶和共晶反應,凝固過程結(jié)束后的組織為奧氏體+鐵素體,稱為AF凝固模式;③先結(jié)晶析出鐵素體,隨后發(fā)生包晶和共晶反應,凝固結(jié)束后的組織為奧氏體+鐵素體,稱為FA凝固模式。根據(jù)晶位潤濕理論,在結(jié)晶過程中形成的偏析液態(tài)膜能夠潤濕γ界面,而難以潤濕γ+δ界面,因此A凝固模式形成的純奧氏體組織具有較高的熱裂紋敏感性。安注箱封頭材料Z2CN19.10 AC焊縫凝固模式屬于A凝固模式,所以材料自身具有較大的熱裂紋傾向,在操作不當?shù)那闆r下容易產(chǎn)生熱裂紋。

        2.2 打磨方式不當

        (1) 采用手工角砂輪打磨方式去除焊接缺陷,打磨時對挖鑿區(qū)根部形狀尺寸未做適當要求,造成缺陷區(qū)打磨后根部窄,形成窄而深的返修坡口,如圖4所示。當挖鑿深度較深時,在焊接時焊縫中心部位容易造成雜質(zhì)聚集,同時由于根部窄,焊接時容易出現(xiàn)熔深熔寬比(熔深比)大于1的焊縫。文獻[3]指出熔深大于熔寬的焊縫,其凝固溫度區(qū)間增寬,容易產(chǎn)生熱裂紋。

        (2)采用手工角砂輪打磨方式去除缺陷,打磨工作量大,磨屑、飛塵容易聚集,缺陷去除后補焊前還需PT檢查,PT后殘留物質(zhì)易進入補焊區(qū)域,雜質(zhì)的存在也增加了不銹鋼焊接熱裂紋產(chǎn)生的風險。

        2.3 熱輸入量的影響

        制造廠焊接、返修工藝源自于評定合格的焊接工藝,但在實際實施時焊工并沒有嚴格遵守焊接工藝評定試驗數(shù)據(jù),具體表現(xiàn)之一:返修焊縫施焊電弧擺動寬度超過工藝要求(PA位置擺動寬度不能超過焊條直徑的3倍),隨意擺動無限制,如圖5所示。

        表現(xiàn)之二:通過查看焊接記錄發(fā)現(xiàn)焊工操作時使用焊接參數(shù)為:焊接電流130 A、焊接電壓34 V、焊接速度6 cm/min,熱輸入量3.0 kJ/mm。

        表現(xiàn)之三:工藝要求焊工操作時焊條擺動寬度不能超過焊條直徑的3倍,實際施焊時焊條擺動寬度已達到22 mm。焊條擺動寬度大,造成焊縫寬度大,焊接位置為上坡焊,熱輸入量大,焊縫在高溫區(qū)停留時間長,使得低熔點雜質(zhì)(S、P)易在晶界上富集,形成的低熔點液態(tài)膜將在焊縫中間長時間停留,線膨脹率大,加熱冷卻過程中產(chǎn)生的拉伸應力大,液態(tài)膜在拉伸應力作用下開裂,形成熱裂紋。

        3 控制措施

        3.1 操作人員培訓

        成立專門的返修團隊,組織工藝、技術、質(zhì)量、質(zhì)保、操作人員對返修工作進行培訓,規(guī)定返修環(huán)境、操作、焊接工藝、返修平臺,成立專項團隊,挑選有經(jīng)驗、有技術的焊工承擔返修工作。

        3.2 焊接工藝控制

        (1)補焊時嚴格控制層間溫度和道間溫度小于等于100 ℃。焊接過程中采取窄焊道、薄焊層、焊條直運條不擺動,適當提高焊接速度,利用工裝調(diào)整返修焊接位置,由向上爬坡焊改成水平焊位置,如圖6所示,盡量降低熱輸入量。

        (2) 層間、道間清理打磨干凈,嚴格限制焊縫中的C、S、P等雜質(zhì)元素的含量。

        (3) 缺陷清除時注意挖槽坡口形狀,避免尖銳、深窄部位產(chǎn)生。尖而深的根部容易形成熔深比大的焊縫從而造成熱裂紋,為避免這種現(xiàn)象,在返修時規(guī)定根部寬度應保證在5 mm以上,為達到此要求,制作檢測工具,檢測缺陷打磨后形狀,如圖7所示。

        4 結(jié)論

        安注箱封頭材料為Z2CN19.10AC控氮不銹鋼,焊接時具有較大的熱裂紋敏感性,必須嚴格控制焊接線能量。在采取控制返修打磨區(qū)域形狀、焊接時不擺動、焊接位置改成水平、運用小線能量等措施補焊后,裂紋部位返修合格,沒有發(fā)現(xiàn)新裂紋。在此對奧氏體不銹鋼的返修有以下建議:

        (1)缺陷清除后根部應圓滑過渡,不得存在尖銳溝槽,并保證根部坡口寬度不影響后續(xù)補焊操作;焊接時焊工焊條擺動寬度不宜過大,控制熱輸入量。

        (2)補焊時,待補焊部位應處于良好的焊接位置,嚴格控制層間溫度、電流、速度等焊接參數(shù)。

        (3)制造廠技術人員應加強技術管控能力,焊接技術人員應能降低焊接操作人員違規(guī)操作的風險。

        參考文獻:

        壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則,RCC-M 第二卷 材料(下)[S]. 2007.

        壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則,RCC-M 第四卷 焊接[S]. 2007.

        國際焊接工程師培訓教程,第四冊:焊接生產(chǎn)及應用2017

        中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊(2)—材料的焊接[M].北京:機械工業(yè)出版社,1992.

        壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則,RCC-M[S]. 2007.

        李春范.不銹鋼焊接及焊接材料實用手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2015.

        傅積和,孫玉林.焊接數(shù)據(jù)資料手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994.

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