核電站冷凝器管板密封焊的缺陷在線修復

夏軍，黃定濤，馮興旺

中廣核核電運營有限公司 廣東深圳 518023

1 序言

冷凝器屬于表面式熱交換器的一種，是核電站二回路凝結水系統中的重要設備。汽輪機內作過功的蒸汽進入冷凝器，冷卻水（海水）在鈦管內流動，蒸汽在鈦管的外表面受冷卻凝結成水后進入循環水系統。冷凝器作為冷卻二回路水的關鍵設備，對于保證一回路持續冷卻、確保堆芯安全具有重要的意義。

鈦管和管板密封焊作為核電站二回路循環水和海水冷卻水的密封邊界，由于焊縫的原始制造缺陷、異物的磨損、系統內介質的沖刷和腐蝕等原因，可能導致管板密封焊縫局部泄漏，進而導致密封屏障失效。如果不進行修復，海水進入核電站二回路后將影響二回路設備可用性和冷凝器的真空度，破壞核電站的安全運行。因此，必須對存在缺陷的管板密封焊縫進行修復，恢復其密封邊界的完整性[1]。

2 焊縫缺陷的檢查與成因分析

2.1 冷凝管板結構分析

鈦的平衡電位很低，從熱力學角度而言是非常活潑、腐蝕傾向很大的金屬。但由于其和氧有很大的親和力，在空氣或者含有氧的介質中，會在表面生成一層致密的、強附著力的、具有較大惰性的氧化膜，并且即便受到機械磨損后，也會很快地重新生成以保護基體不受氧化侵蝕。因此，在氧化性或者弱還原性的環境中，鈦表現出強烈的鈍化傾向。在315℃以下的介質溫度中，鈦材始終保持著耐腐蝕性能，又由于其導熱系數小以及耐熱性能好等特點，是發電廠凝汽器冷凝管較好的選擇材料[2]。

某核電廠冷凝器選用鈦管作為換熱管材料，采用膨脹-密封焊方式制作的冷凝器管板結構如圖1所示。

圖1 冷凝器管板密封焊結構

首先，通過機械方式將管束和管板進行強度脹接，之后通過焊接的方式將管板和管束進行密封，形成冷凝器密封的一道屏障。在進行焊接前，先進行脹管的優點[3]：一方面，由于冷卻管的管壁較薄，如果不進行脹管或者脹管不足，冷凝管和管板之間會出現間隙，焊接時就可能出現燒穿或者未熔合等焊接缺陷；另一方面，由于鈦材具有較高的化學活性，使其對焊縫以及焊材表面的污物十分敏感，因此，焊接時需要在背面進行氬氣保護。但凝汽器受結構限制，無法從管板里進行充氬保護。因此采用先脹后焊，脹管后就能消除管與管板孔之間的間隙，從而避免焊縫背面的氧化或合金燒損。

其次，必須保證機頭定芯棒插入管子內防止管子移動。在設備運行過程中脹接部分主要受振動和循環載荷，而焊縫部分主要起密封作用[4]。

由于核電站冷凝管板的重要性，需要定期對其進行缺陷檢查以保證其功能完整性。在設備檢修過程中，冷凝器管板密封焊的缺陷可通過目視檢查、液體滲透檢測、泄漏性試驗及壓力試驗等進行檢查確認。可以通過滲透檢測的方式發現密封焊表面的缺陷，如果存在缺陷則可以通過焊接的方式及時對其進行修復，以恢復其完整性要求。

2.2 缺陷及成因分析

某核電站大修期間對進口水室凝汽器管板部分傳熱管（鈦管）管口密封焊縫進行目視檢查和滲透檢測，發現冷凝器管板焊縫有腐蝕跡象、磨損和線性顯示，如圖2～圖5所示。從圖中可看到明顯的腐蝕現象，主要集中在焊縫處。部分磨損嚴重的區域，管口全周均被磨損，熔合線不明顯甚至消失；通過PT檢測，有的區域出現了明顯的線性顯示，管板損傷嚴重。

圖2 密封焊腐蝕

圖3 密封焊磨損情況

圖4 線性顯示一

圖5 線性顯示二

諸多原因都會導致凝汽器發生破損泄漏，如結構設計存在泄漏隱患、換熱管振動設計不符合設計標準，或管子與管板存在質量問題。另外，在制造安裝階段，管孔是否倒角，安裝時的劃傷、磕碰，以及管端脹接、焊接質量等均會影響凝汽器的焊接質量。補水等附加流體進入凝汽器的水質不達標也會造成凝汽器的泄漏隱患。

綜合分析該凝汽器的磨損程度與分布，焊接工藝以及運行環境，分析其泄漏與磨損更有可能是由運行期間海水生物腐蝕、貝殼劃傷、沙子沖蝕等造成的。由于電站處于海灣邊，海水泥沙含量大、流速快，當海水所攜帶的顆粒狀泥沙沖擊冷凝管板時，以及其他物品沖擊管板，最終造成其磨損與腐蝕。

3 修復方案

3.1 缺陷的清除

密封焊缺陷首先需要采用機械打磨的方法進行清除，這是由于已經萌生的裂紋將會作為應力集中點，在外力的作用下會發生裂紋擴展現象而進一步損傷材料。因此，必須將已經出現宏觀裂紋的地方清除掉。

為確定裂紋的位置與大小，首先進行液體滲透檢測。根據滲透顯示，針對缺陷較小的部位可以進行輕微的打磨，若能徹底去除缺陷且焊縫外觀成形和尺寸檢查滿足驗收技術要求的，經過技術評價可不進行補焊處理。對于輕微打磨后無法徹底去除缺陷的，或缺陷打磨后焊縫外觀成形和尺寸檢查不符合技術規范要求，此時應對缺陷區域進行補焊修復。打磨過程中盡量避免出現過熱區，宜選用無氯鋁基無鐵材料制成的電磨頭，或選用不銹鋼材料制成的鋼絲刷。

3.2 補焊修復

冷凝器密封焊缺陷的修復方案應綜合考慮缺陷的尺寸和性質類型等因素，主要有焊接修復和安裝堵頭兩種方式。安裝堵頭是依據管束的尺寸加工合適的堵頭，利用焊接方法將堵頭與管板焊縫熔合在一起，利用金屬熔合達到一定的連接強度和密封性能。為確保堵頭焊接的質量，堵頭材質應選擇與換熱管管束同牌號的材質進行加工，被堵管的管板端部密封焊需要進行焊前打磨和清理，使之圓整清潔，堵頭與管束有良好的裝配。修復方法簡單實用，可保證設備密封性能的完整性，但因缺陷管束的介質流通通道被堵死將會導致冷凝器損失一定的熱交換效率。綜合考慮，本次修復將不采用安裝堵頭的方式。

焊接修復是冷凝器密封焊缺陷修復的另一個主要方法，其通過對缺陷部位直接打磨處理后進行補焊修復。對于管束本身已發生破損的情況，此方法并不適用。本次檢修的冷凝管并未發生管束破損的情況，僅出現了磨損與腐蝕情況，為了不影響冷凝器的冷卻作用并綜合考慮破損情況，因此決定在進行機械打磨后，采用補焊的方式進行修復。

但由于鈦及鈦合金在焊接過程中，液態熔滴具有強烈的吸收氫、氧及氮的能力，在250℃時鈦開始吸收氫，400℃時開始吸收氧以及600℃時開始吸收氮[5，6]，且隨著溫度的升高，其吸收這些氣體的能力也隨之明顯提升。這些氣體被吸收后，會與鈦發生反應，這將導致焊接接頭的脆化，降低焊接強度，影響焊接質量，導致設備的使用性能降低。因此，對于鈦材的焊接，需要在焊接過程中進行熔池保護，防止受到氧和氮的污染以確保補焊的成功。此外，由于鈦材具有熔點高、熱容量大及導熱性能差的特點，在焊接熱循環的作用下，容易出現焊縫和焊接熱影響區中晶粒長大的現象，這也將導致焊接接頭的塑性和韌性下降。因此，需要采用較小的焊接熱輸入，以減小焊縫熱影響區的脆性，提高焊接接頭的性能。

4 補焊修復的操作

4.1 焊前準備

進行補焊修復前，需要進行無損檢測以確定缺陷的數量、尺寸和相對位置，并需要對缺陷部位進行標記便于現場準確的核實缺陷。打磨消除缺陷后，待補焊部位還應修磨到表面平整和圓滑過渡。如果缺陷較多、連續分布且面積較大時，需要采用機械加工方法將原始焊縫先進行整體打磨，并在打磨之后進行表面滲透檢測，確定缺陷消除后再進行補焊修復，確保待補焊進行前，試樣不存在初始裂紋。

由于管板和管束在制造過程中常采用先脹后焊的工藝，在施焊前先進行脹管，同時管道緊貼于內壁，導致縫隙中殘留的污漬清理困難。縫隙中殘留的油污、雜質和水分會嚴重影響焊接質量，焊縫中產生氣孔的傾向與待焊部位的清潔度有很大關系，因此待焊部位表面及邊緣的油污、銹漬、水、氧化膜及其他雜質應在焊前徹底清潔并保持干燥，必要時可采用火焰或熱風槍等加熱設備對待修復管板焊縫及臨近區域進行烘烤以確保待焊接部位的干燥。

此外，由于凝汽器的鈦管管板焊接作業是在冷凝器的水室內施工，有觸電、窒息等工業安全風險，因此需要在地面鋪設膠皮進行絕緣處理。焊工需要全程攜帶測氧表，使用安全電壓，并且現場需要有一定的通風措施。為了保證焊接質量，現場需要足夠亮度的照明，而且風的流速和流向不能影響焊接，建議采用壓縮空氣管對著容器壁進行吹掃，一方面保證容器內氧含量充足，另一方面不會產生較大氣流而影響焊接實施。

針對鈦材在高溫液態熔滴狀態下，容易出現吸氫、吸氧、吸氮導致形成氣孔，從而影響焊接接頭強度的情況，需要對焊接部位采用氬氣保護，其中需要注意以下三點：

1）焊接的保護氣體純度要求：氬氣的純度應≥99.99%。

2）修復前應徹底清除待焊件表面氧化皮、油污、雜質、水分等。

3）焊接過程中應對熔池施以良好的氣體保護，并且控制好氬氣的流量，防止產生紊流現象。

綜合考慮冷凝器管板管束密封焊的結構，以及現場焊接的實用性、高效性、便捷性，專門設計制作了一個針對鈦管板焊接修復的氬氣保護專用工具，如圖6所示。通過保護罩在鈦管板表面形成氬氣保護氣氛，氬氣從銅管口進入保護罩，在銅管上鉆大量孔，促進氬氣的釋放，采用這種專用的保護罩，氬氣進入分布管后進入保護罩，多孔銅管可以起到氬氣篩和分布的作用，使氬氣流動更平穩，對焊接熔池的保護效果更好。利用該裝置提供穩定的氬氣環境并屏蔽空氣，確保了焊接在低氮、氧、氫的環境下進行，保證了焊接質量。

圖6 管板密封焊焊接專用氬氣保護罩

4.2 焊接實施要點

為有效控制焊接變形和焊接溫度，焊接過程中可采用對稱跳焊的方法，一般采用“之”字形跳焊法。焊接時焊槍位置的設置，鎢棒與焊縫之間的尺寸控制是焊接質量好壞的關鍵，應嚴格按工藝規程的要求實施。為了確保現場焊接施工質量，針對核電站凝汽器鈦管板焊接的施工特點制定以下幾點要求：

1）具有焊接資質的焊工進行焊接作業，并在施焊前，進行與實際條件相同的模擬焊接練習。

2）鈦管板待焊接區域在打磨后應露出金屬光澤，并用丙酮或無水酒精進行清洗去污。

3）焊機需處于良好狀態并檢測其電弧電壓、焊接電流等關鍵參數。

4）鎢極應使用專用鎢極打磨機進行打磨，鎢極尖端處應磨出鈍邊。

5）焊接時從11點起弧，順時針旋轉焊接一周后在12點位置時開始衰減，在3點位置收弧，如圖7所示。

分段進行焊接時，要嚴格進行控溫，待焊縫表面溫度冷卻至工藝規程要求溫度后才可進行下一段的焊接，避免局部焊接熱輸入量的不斷累積，導致焊縫在冷卻過程中產生角變形，影響焊縫成形和尺寸。同時避免鈦管板管束脹接區在高溫熱傳導下由于殘余應力不斷釋放，而影響管板密封效果和鈦管束的拉脫強度。

焊接過程中焊絲與焊件間應盡量保持小的夾角，焊絲沿著熔池前端平穩、均勻地送入熔池，不得將焊絲端部移出氬氣保護區。焊接時，應注意焊槍的擺動幅度和頻率不宜太大，以免影響氬氣的保護。斷弧及焊接收尾時，要繼續通氬進行保護，直到熱影響區金屬冷卻到350℃以下時方可移開氬氣保護罩。

焊接過程中使用管板密封焊焊接專用氬氣保護罩對熔池進行氬氣保護，氬氣從進氣孔進入分布管后進入保護罩，多孔管主要起氣篩和分布的作用，使氬氣流動更平穩，焊接保護效果較好，焊道呈銀白色或金黃色。現場修復焊接現場如圖8所示。

圖7 焊接起弧和收弧位置

圖8 修復現場

4.3 修復效果

在焊接修復完成后，目視檢查結果顯示焊接接頭表面不存在裂紋、氣孔、夾渣、咬邊等缺陷，同時管板孔的邊緣不存在任何形式的未熔合、焊偏和翻邊等缺陷。液體滲透檢測表明熔敷金屬表面不存在任何尺寸的顯示，管孔邊緣和熱影響區不存在任何形式的缺陷顯示。

該密封焊缺陷修復技術已成功應用于多個核電站的冷凝器管板密封焊缺陷的在線修復，維修后經多年的運行和監測，使用正常，未出現破損等現象。

5 結束語

冷凝器管板密封焊修復工作主要通過合理選擇修復方案，加強工藝保證措施，嚴格控制焊接參數，并采取嚴格的質量保證措施包括查漏策略、模擬試驗、清潔和干燥的控制、熔敷質量的控制和形變的控制，能夠有效地確保核電廠再生熱交換器管板密封焊缺陷修復質量，并對后續類似工作開展提供重要參考依據，有較強的實際應用價值。