接管座焊縫的典型質量缺陷分析、處理和改進

陳偉民,鄭文龍

(海南核電有限公司,海南 海口 570203)

在核電廠工藝系統管道設計上,國內外普遍采取滿足RCC-M SⅢ相關規定的、用于支管連接的帶補強連接件的安放式管件,以代替傳統使用的異徑三通、補強板、加強管段等支管連接形式,尤其是在高溫、高壓、大口徑以及后壁管道中使用日益廣泛,逐步取代了傳統的支管連接方法。

核電廠所使用的接管座,大多數為非標準件,不同接管座間尺寸及形狀有很大不同,且由于普遍位于大口徑母管上,其現場安裝空間小,位置復雜,故多數在現場安裝前的管道預制階段即將接管座及母管焊接完成,從而降低現場焊接位置及焊接空間對焊接質量的影響。

接管座和母管的連接焊縫的預制,首先用不銹鋼鍛棒根據加工圖制作接管座本體,完成后將加工好的接管座安放到母管上進行焊接,全部焊接工作在預制車間進行,確保焊接采用為平焊位置,從而最大程度地降低焊接難度,提升焊縫可靠性。焊接完成后從接管座上部直接鉆孔與母管內表面連通。在保證了結構強度的同時滿足測溫元件的插入可靠性或支管的流量穩定,接管座結構和連接形式如圖1所示。

國內核電廠位于一回路壓力邊界上接管座焊縫內徑均小于60 mm,外徑小于114 mm。接管座材質分別為Z2CN18-10、Z2CND18-12N的奧氏體不銹鋼;對應母管材質分別為Z2CN18-10、Z2CND18-12N的奧氏體不銹鋼。

圖1 接管座尺寸圖及接頭形式Fig.1 Size of pipe socket and joint form

1 質量缺陷以及原因初步分析

國內某核電廠輻射防護人員在利用NS/RRA模式窗口為機組功率運行模式下劑量的測量工作進行位置勘查時,發現某一房間內保溫殼有滴水現象,為分析泄漏原因,拆除管道表面包裹的保溫殼后進行目視核查,檢查確認為接管座焊縫泄漏,可觀測到泄漏點呈線狀流。后通過液體滲透無損檢測,確認漏點直徑約0.5 mm,現場漏點沿焊縫斜面距離母管邊緣直線距離約13 mm,根據加工圖判斷漏點位置在焊縫邊緣(見圖2、圖3)。

1.1 缺陷可能原因分析

該接管座的泄漏位置位于接管座與母管焊縫的邊緣位置,未出現在母管或接管座本體位置上。鑒于其位于一回路壓力邊界,其缺陷產生的原因有以下兩種可能:

1)該焊縫位于一回路母管之上,在運行期間,系統正常運行狀態系統壓力 (表壓)維持在(15.4±0.1)MPa,漏點所在管道在該核電廠機組運行期間屬于靜態壓力回路,附近無泵等壓力脈動源布置,故而其焊縫承受高壓環境,壓力造成的疲勞累積致使焊縫產生裂紋,從而產生泄漏。

圖2 泄漏點位置及缺陷狀態Fig.2 The position of the leakage point and defect status

圖3 泄漏點位置模擬圖Fig.3 The simulation diagram of leakage point

2)焊縫本身的質量存在缺陷,在接管座預制期間,由于焊接采用的工藝主要為氬電聯焊或全氬焊接,除全氬焊接外,氬電聯焊工藝中的氬弧層僅在打底焊縫中使用,焊接完成后,接管座鉆孔時已將氬弧打底層基本去除。剩余焊縫的構成為焊條所形成的焊道,易產生夾渣、氣孔等缺陷。

1.2 缺陷原因初步判定

根據該核電廠熱態試驗期間現場檢查結果和運行經驗判斷,該位置管道不存在不受約束的明顯振動現象。且該核電廠運行時間較短,若焊縫質量合格,其短時間內的累積壓力變化不易造成裂紋產生。因此,初步判斷為該泄漏缺陷的成因是原焊縫中本身存在多處夾渣、氣孔以及未熔合等缺陷,在系統多次經歷機組壓力平臺的壓力變化后,應力累積導致原缺陷擴展,最終形成貫穿性損傷而發生泄漏。

2 缺陷成因最終分析及判定

2.1 安裝質量文件排查

根據上述分析可初步判定,缺陷產生基本是焊接過程中焊縫質量不合格所導致,首先對安裝過程文件的可靠性及合規性進行確認。

排查安裝過程文件,該接管座及其他接管座焊接所采取的工藝為全氬焊接 (GTAW)或氬電聯焊 (GTAW+SMAW),其主要工藝內容如下:

1)GTAW工藝:采用直徑?2.0 mm焊絲進行全部定位、打底和填充,焊接過程中背部充氬保護。

2)GTAW+SMAW工藝:采用直徑?2.0 mm焊絲進行氬弧打底,并使用氬弧填充后使用直徑?3.2 mm及?4.0 mm焊條進行蓋面,氬弧焊接過程中充氬保護。

該焊接工藝參數經過合格工藝評定過程,且焊工在焊接該接管座期間,其焊縫的一次合格率始終保持在95%以上。因此,焊縫缺陷產生的原因不是由工藝參數不適合或焊工本身水平所造成。

通過對接管座安裝文件進行分析,接管座首道焊縫寬度為4～6 mm,且坡口R角設計圖紙為25°。在一般焊接過程中,焊條可擺動空間和幅度過小會對焊工的焊接質量造成不利影響,且一般管座對接焊縫的R角為45°～60°,R角過小可能導致焊工在焊接過程中,視線難以觀察焊縫,進而影響到焊工對熔池狀態以及焊縫質量的控制。

2.2 實體排查

(1)排查依據

根據RCC—M表S7710.2及 《奧氏體不銹鋼焊接接頭無損檢驗大綱》 (Q-CNPE.J108.45—2010)規定要求,安放式和嵌入式支管,當支管內徑小于等于60 mm時,應進行焊后PT(滲透檢驗)檢驗;同時,對支管外徑小于等于114 mm安放式和嵌入式支管還應進行根部或支撐部位PT檢驗。

此類接管座焊縫并無射線檢測要求,是由于其位置形狀較不規則,RT檢測布片困難,拍出的片子具有一定的放大效應,且無法定位缺陷詳細位置,對于重疊的缺陷無法有效判斷和記錄,故規范未對原接管座焊縫進行RT(射線檢驗)檢測。

由于接管座均已完成預制及安裝,為有效觀察出其他焊縫接頭的焊接成型質量,僅PT檢測無法達到檢測目的,經分析決定可采用雙壁單影透照技術,射線源置于受檢區對面管道外側上,每條焊縫垂直母管與支管軸線對向透照2次,對焊縫檢測結果進行輔助判定,并按照RCC-M S7714.3進行記錄和評判,由于片子具有一定的放大效應,相當于提高了評片標準。

(2)排查結果

通過對核電廠所有的一回路壓力邊界接管座進行RT探查發現,約有70%左右的焊縫經評片后按不合格進行判定,必須進行返修或更換處理,不合格焊縫基本為氬電聯焊焊縫,焊縫缺陷主要為夾渣,少部分存在氣孔和未熔合。

在對缺陷焊縫進行打磨發現,缺陷在焊縫中呈環形分布,位于手工電弧焊區域,在靠近焊縫根部處同樣有缺陷存在 (見圖4)。

圖4 修磨出的焊縫缺陷Fig.4 The polished welding defect

2.3 排查結論及分析

在一般焊接過程中,焊條擺動寬度一般為2～3倍,焊條直徑可保證較為良好的焊縫成形,一般管座對接焊縫的R角為45°～60°,可保證焊工在焊接過程中視線對熔池的有效觀察。

根據接管座加工尺寸圖紙可知,接管座根部區域尺寸高度為4～6 mm,且形成的R角角度為25°。在該尺寸條件下,使用?3.2 mm藥皮焊條進行焊接時,其可擺動空間過小,容易造成焊接過程中焊縫的熱輸入不均勻,影響焊縫成形質量。

焊工在焊接過程中需要對焊接熔池進行觀察,根據熔池所展現的狀態及時調整,控制焊條擺動及前進速度,確保焊縫熔池的成形滿足焊接需求;而過小的R角則造成焊工在焊接過程中視線受阻,不能有效對焊縫熔池狀態進行觀察,難以對熔池狀態采取上述有效控制措施。

同時,使用焊條進行焊接時,由于藥皮的掉落易產生夾渣缺陷,故在每層焊道完成后,就必須對焊道進行打磨清理,去除殘留藥皮,而過小的R角會造成對焊道清理尤其底層焊道的清理異常困難,進而導致焊道熔合線區域產生了大量夾渣缺陷。

缺陷產生后,由于進行的氬弧打底焊道厚度較小,且該層焊道經鉆孔后大部分被去除,其耐應力撕裂能力相對較差,在手工電弧焊區域的焊道出現缺陷后,其在應力累積下延展可能對氬弧焊焊道層造成撕裂顯現應力裂紋缺陷。

3 缺陷處理

首先針對接管座R角過小問題,采取重新加工對應型號的接管座,將R角全部調整為大于等于45°,以便于焊接過程中的焊條擺動和熔池觀察需求。其次,對已確定存在缺陷的焊縫,根據其所在位置及下游物項連接焊縫形式,確定了以下4點處理原則:

1)對于下游支管連接方式為對接的接管座焊縫以及連接溫度探測器的接管座焊縫,且接管座直徑大于等于50 mm,則優先打磨至焊縫剩余壁厚大于等于5 mm后進行RT檢測確認,若合格則直接進行補焊,若不合格則打磨至剩余壁厚2 mm的氬弧層后進行PT,背部充氬實施補焊。

2)對于下游支管焊縫為插套焊縫,且直徑小于50 mm的接管座,則直接切割更換新的接管座,其新焊縫無損檢測要求按照首層PT+層間PT(每三層)+最終PT和RT進行質量控制。

3)密封焊縫連接T型溫度探測器的接管座,則在磨除密封焊道,旋出T型溫度探測器套管后直接切割更換新的接管座,在新接管座焊接完畢后采取切削方式完成背部焊道余高控制后旋入溫度探測器套管,然后執行密封焊縫恢復。

4)補焊或重新更換的接管座焊縫,全部更換為全氬焊接方式進行,用直徑為?2.0 mm的焊絲進行焊接。

根據此原則,將所有經RT復查和判定存在缺陷的焊縫處理后,對全部接管座進行最終RT檢查并確認全部合格,順利完成了缺陷處理工作(見圖5)。

圖5 完成更換的接管座Fig.5 The pipe socket replaced

4 改進建議

4.1 優化結構設計

接管座的主要作用是進行支管連接,根據接管座非標管件圖紙及接管座的功能要求可知,在一定范圍內調整R角大小并不會對接管座功能造成不利影響。

為避免接管座因結構原因造成的焊接質量缺陷,將接管座的結構尺寸進行改進,增加R角角度至45°(見圖6),既可使焊工能夠在焊接過程中獲得焊絲及焊條的舒適擺動范圍,又可使焊工在焊接過程中有效的對熔池狀態進行觀察,以便焊工對焊接過程及焊接成形進行控制,有效消除由于角度過小造成的焊縫成形差,氣孔、夾渣以及未熔合等焊接質量缺陷;同時,也可使得焊工在每層焊道完成后,有效對焊縫進行打磨處理,最終確保焊接質量受控。

圖6 優化的接管座尺寸圖Fig.6 The optimized size of pipe socket

4.2 嚴格監督標準

原接管座按照相應的規范要求,在預制焊接過程中所采用的無損檢測方式僅為VT以及PT,且PT檢測僅在首層及最終焊縫進行,不利于過程焊縫質量的控制,RT檢驗由于接管座為非標準件,其位置經射線檢驗后的底片黑度較差,顯影比例存在放大效應和缺陷的疊加效應,對評片結果會造成影響而未采用。

在新接管座的安裝中,采用首層PT+層間PT(每三層)+最終PT的方式進行過程質量控制;同時,在每層焊道完成后,即進行VT檢查。在完成最終焊接后,對焊縫進行最終RT檢驗,并按照RCC-M S7714.3的要求進行記錄和評判,強化對接管座焊接質量要求。

由于目前國內外的無損探傷工藝能力尚無法對RT檢驗的布片方式進行有效的適應性優化;在此情況下,建議按雙壁單影布片方式進行布片,并根據法規要求評判片子結果,從而實現對焊縫整體質量的完全控制。

4.3 改進焊接工藝

原接管座焊縫主要采用了全氬焊接及氬電聯焊兩種方式,鑒于一回路邊界接管座的重要性,將采用氬電聯焊工藝焊接的接管座全部改為由全氬焊接,可以有效地避免焊條藥皮掉落未能及時有效的清除而產生夾渣缺陷,使焊工在焊接過程中更加容易把握焊接的質量,確保焊縫質量的可靠。

5 結論

由于一回路壓力邊界上的接管座位置的重要性,且其長期承受高溫、高壓的環境條件,對其焊縫的質量必須進行有效保證。

對此,本文認為,從改進焊接工藝——采用全氬焊接、改進接管座結構——增大R角角度以及嚴格評判標準——增加RT檢測3個方面進行,即可確保焊縫質量,從而進一步保證一回路承壓邊界的安全性和可靠性。