核級法蘭面在線電弧增材再制造技術研究

王凱，陳英杰，魯立，楊佳，徐忠峰

1.中廣核核電運營有限公司 廣東深圳 518124

2.蘇州熱工研究院有限公司 江蘇蘇州 215004

1 序言

安全注入系統是壓水堆核電站的重要專設安全設施，在反應堆冷卻劑系統發生失水事故時，保持堆芯被水淹沒，防止燃料包殼熔化；或在主蒸汽系統發生管道破裂事故時，快速注入濃硼溶液，從而使反應堆快速安全停堆，并防止反應堆重返臨界。法蘭是核電站管道工程中的重要部件，主要用于管道、泵及閥門等之間的連接，對于系統的安全起著至關重要的作用，其主要的失效形式是腐蝕。

圖1 法蘭面受腐蝕情況

某核電廠機組大修期間，在對安全注入系統進行密封查漏時，發現某管端法蘭面存在嚴重腐蝕，最大腐蝕深度達到14mm，如圖1所示。由于該法蘭與管道焊接在一塊，現場取出比較困難，同時由于修復工作量大并處于高輻射區域等因素，相比于整體更換或手工焊修復，對受腐蝕法蘭面進行在線電弧增材再制造將會大大降低檢修工期和檢修成本。

電弧增材制造技術是一種利用逐層熔覆原理，采用熔化極惰性氣體保護焊（MIG）或鎢極惰性氣體保護焊（TIG）等焊機產生的電弧為熱源，通過絲材的添加，在程序的控制下，逐漸成形出金屬零件的先進數字化制造技術。該技術不僅具有沉積效率高、絲材利用率高的優勢，而且具有原位復合制造以及成形大尺寸零件的能力[1-3]。

針對管端法蘭面腐蝕問題，首先在模擬體上進行以TIG為熱源的電弧增材制造工藝開發和性能驗證，獲得可靠的修復工藝，然后在現場利用電弧增材再制造技術對法蘭受損部位進行在線修復。本文通過對堆焊材料的合理選用和工藝的正確制定，成功地修復了法蘭受損面，提高了法蘭的使用壽命，取得了顯著的經濟效益。

2 模擬件試驗材料與方法

本文提到的管端法蘭面作為低壓安全注入泵的一部分，安全等級為RCC-P2級，制造等級為RCC-M2級，其結構形式類似于帶頸對焊法蘭，并帶有內外兩個焊接端，法蘭材質為Z2CN18.10。根據設計圖樣和現場腐蝕狀況，制作管端法蘭模擬件，如圖2所示。

首先，采用手工TIG填絲焊對法蘭面修復前位置進行打底堆焊；其次，采用Liburdi GT-VI設備進行電弧增材再制造堆焊。該設備具有遠程操控、弧壓控制和視覺監測等功能，可保證整個增材堆焊過程中的成形和質量控制。堆焊材料和工藝參數見表1，在堆焊過程中，控制層間溫度＜150℃；每層完成后，觀察堆焊層的表面質量，直至堆焊層達到14mm，共計7層。

在法蘭增材堆焊完成后，使用X射線衍射法（XRD）對關鍵位置進行應力測試，一組測點位于模擬件堆焊層端面，另一組位于模擬件外壁上。測試前使用電解方法對測點區域進行拋光，以消除附加應力。

圖2 模擬件法蘭結構

在整個法蘭面電弧增材TIG堆焊完成后，按照標準RCCM2000+2002補遺，制備各類試樣，進行化學成分檢測、顯微組織觀察、力學性能試驗等，以評價堆焊工藝性能。

3 模擬件試驗結果與分析

（1）成分分析 ER316L堆焊層中存在一定數量的鐵素體，能有效防止和降低焊接熱裂紋的產生，并能提高焊縫的抗晶間腐蝕能力[4]。但在高溫下，δ相鐵素體會析出σ相，引起焊縫金屬的脆化。因此，必須對焊縫中的鐵素體含量進行控制。按照檢測標準GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法 B》，對模件體堆焊層進行化學成分檢測，結果見表2。由檢測結果可知，各元素含量和δ鐵素體計算值完全符合標準RCCM2000+2002補遺的要求。

表1 堆焊材料和工藝參數

表2 熔敷金屬的化學成分（質量分數） （%）

（2）顯微組織 法蘭模擬件電弧增材TIG堆焊完成后，分別從堆焊層熔合線附近和中心磨制金相試樣，用三氯化鐵+鹽酸溶液浸蝕，按照RCC-M SI400在金相顯微鏡下觀察顯微組織（見圖3）。觀察發現，金相切面在堆焊層中未發現裂紋、未焊透、未熔合及氣孔等焊接缺陷。堆焊層與母材熔合良好，未發現顯微裂紋、沉淀物等，母材和堆焊層為典型的奧氏體組織。

圖3 堆焊層顯微組織

（3）力學性能 依據標準RCCM2000+2002補遺，對堆焊層中心熔覆金屬分別進行室溫和350℃高溫縱向拉伸試驗，結果見表3。由表3可見，室溫、高溫的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均滿足標準規定。

同時，在堆焊層中心處取兩個面彎和一個側彎試樣，按照GB/T 232—2010《金屬材料 彎曲試驗方法》對試樣進行彎曲試驗，檢測標準按照RCCM2000+2002補遺，試驗結果未見缺陷。

（4）沖擊性能 依據標準GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》對試樣進行室溫沖擊試驗，以堆焊層表面、中心、根部及熱影響區為中心分別取3個沖擊試樣，進行沖擊試驗，試樣尺寸為55mm×10mm×10mm。每組試驗結果取平均值，結果見表4，其沖擊吸收能量遠高于標準要求，具有良好的韌性儲備。

表3 堆焊層力學性能

表4 堆焊層沖擊性能

（5）應力測試 根據應力測量結果，堆焊完成后模擬件堆焊層端面和外壁管道均處于拉伸狀態，如圖4所示。在進行了14mm堆焊修復后，模擬件堆焊層端面最大應力約為275MPa；外壁堆焊層熱影響區域軸向應力約為280MPa，遠低于材料的屈服強度。模擬件外壁在遠離堆焊層的區域應力呈下降狀態，然后在接近外壁對接焊縫時應力呈上升趨勢，周向和軸向最大應力出現在外壁對接焊縫附近，約為320MPa，說明對接焊縫產生的殘余應力與堆焊層產生的殘余應力疊加在一起了。由于法蘭經過長時間的運行后，外壁對接焊縫的殘余應力得到了有效釋放，因而法蘭端面堆焊完成后，并不需要考慮對接焊縫的殘余應力。

圖4 應力測試結果

4 現場實施

（1）缺陷區域清理及檢測 由于法蘭面受損嚴重，缺陷深度較大，需要較大的打磨工作量，同時考慮到輻射劑量因素，最終采用坡口機切削10~20mm深度，然后使用角磨機對法蘭受損部位進行局部打磨，徹底去掉受腐蝕部分（見圖5）。打磨完成后，對表面進行液體滲透檢測，合格后進入下一道工序。

（2）手工TIG堆焊 液體滲透檢測合格后，采用手工TIG填絲焊對受損法蘭面進行局部堆焊，找平打磨較深的部位，為電弧增材TIG堆焊做好準備。在整個堆焊過程中，層間溫度＜150℃，同時注意對人員的輻照劑量，避免超標。

圖5 法蘭面電弧增材再制造過程

（3）電弧增材TIG堆焊 手工TIG堆焊完成后，通過簡易工裝安裝電弧增材再制造設備至要求部位，通過遠程操控器和視覺監測系統，實現對設備的遠程控制和對焊接過程的觀察。在整個電弧增材TIG堆焊過程中控制層間溫度＜150℃，重復堆焊，直至堆焊層超過法蘭原始尺寸1～2mm。

（4）堆焊后切削及檢測 電弧增材TIG堆焊完成后，拆除設備，采用坡口機切削多余部分，達到法蘭原始設計尺寸，然后進行液體滲透檢測。

5 結束語

1）通過選擇合適的堆焊工藝和方法，成功實現了管端法蘭面模擬件的電弧增材再制造。堆焊層化學成分、顯微組織、力學性能試驗和應力測試結果均表明，電弧增材再制造工藝穩定、可靠，滿足法蘭面堆焊修復的要求。

2）通過合理控制熱輸入量，堆焊層δ鐵素體計算值符合標準要求，能有效防止和降低焊接熱裂紋的產生，并能提高焊縫的抗晶間腐蝕能力；堆焊層沖擊吸收能量值超過130J，裕度大；堆焊層產生的應力小，在法蘭堆焊層端面產生的應力約為275MPa，遠低于材料的屈服強度。

3）管端法蘭面在線電弧增材再制造工藝的有效實施，成為解決核電現場法蘭受損的可靠手段。相對于法蘭整體更換或手工修復，電弧增材TIG堆焊工藝不僅可以保證法蘭面的堆焊質量，而且提高了現場修復效率、降低了對人員的輻照劑量。