核電蒸汽發(fā)生器水室隔板焊接工藝研究

□ 李雙燕

上海電氣核電設(shè)備有限公司 上海 201306

1 研究背景

核電蒸汽發(fā)生器下封頭與水室隔板的焊接是制造過程中的關(guān)鍵工序。筆者公司承制的某項(xiàng)目中,水室隔板的底部設(shè)置有兩個(gè)小孔,兩端設(shè)置有兩個(gè)缺口。水室隔板結(jié)構(gòu)如圖1所示。水室隔板厚度超過50 mm,小孔直徑小于20 mm。水室隔板與下封頭焊接時(shí),必須保證小孔的尺寸不受影響。由于孔很小,并且水室隔板厚度較大,焊接時(shí)飛濺物很容易觸及小孔,對小孔造成破壞,甚至將小孔堵死,焊接難度較大。對于水室隔板邊緣的缺口,常用的方法是直接焊接,采用堆焊形式用金屬焊材填滿缺口。當(dāng)缺口尺寸較大時(shí),堆焊不僅工作量大,而且周期長,出現(xiàn)缺陷的概率較高。筆者針對水室隔板底部兩個(gè)小孔處焊接、水室隔板兩端缺口處焊接,分別給出具體的焊接工藝與質(zhì)量控制措施。

圖1 水室隔板結(jié)構(gòu)

2 小孔與下封頭焊接

水室隔板與下封頭焊接時(shí),為了保護(hù)小孔不受破壞,采用間接方式焊接。增加一個(gè)附件,先將附件與下封頭焊接,再將水室隔板與附件焊接。附件焊接如圖2所示。

圖2 附件焊接

水室隔板與附件焊接前,在水室隔板上加工比原小孔尺寸大的開孔。這樣可以在焊接過程中保證小孔尺寸,并且保證焊接質(zhì)量。附件為一段弧狀棒材,材料與水室隔板完全相同,長度比水室隔板厚度至少長40 mm。附件如圖3所示。

圖3 附件

將附件點(diǎn)焊至下封頭上,然后進(jìn)行打底焊接,再進(jìn)行剩余部分的填充焊接,直至全部焊妥。點(diǎn)焊前,為保證焊縫根部全部焊透,采用專用工裝裝配,保證根部間隙為2～3mm,裝配后進(jìn)行點(diǎn)焊。焊接前,從下封頭外壁進(jìn)行預(yù)熱,保證焊接前和焊接過程中不銹鋼堆焊層距焊接邊緣至少120 mm范圍內(nèi)預(yù)熱溫度不低于121 ℃。采用鎢極惰性氣體焊工藝,焊接參數(shù)見表1,背面保護(hù)氣體持續(xù)至焊縫厚度大于5 mm。焊接過程中,控制層間溫度不高于177 ℃。焊接前對待焊面進(jìn)行液體滲透檢查,檢查合格后清理待焊接區(qū)域,保證待焊接區(qū)域及周圍至少50 mm范圍內(nèi)徹底清潔。焊接完成后,進(jìn)行目視檢查及液體滲透檢查。附件與下封頭焊接完成如圖4所示。

圖4 附件與下封頭焊接完成

表1 鎢極惰性氣體焊焊接參數(shù)

附件焊接完成后,將水室隔板裝配在下封頭上。具體而言,對水室隔板與下封頭和附件進(jìn)行點(diǎn)焊,然后進(jìn)行打底焊,再進(jìn)行剩余部分的填充焊接,直至全部焊妥。焊接完成后,將附件長度方向超出水室隔板厚度的部分切削去除,將附件端面部分打磨至與水室隔板焊縫齊平。打底焊與填充焊均采用手工電弧焊工藝,焊接參數(shù)見表2。預(yù)熱溫度不低于121 ℃,焊接前和焊接過程中始終保持預(yù)熱溫度,直至焊接全部完成。焊絲對接焊過程中,起弧處、收弧處、每條焊道之間、每層焊道之間均需打磨清理,增加層間和道間清潔度控制。焊接過程中,控制層間溫度不高于177 ℃。焊接前對待焊面進(jìn)行液體滲透檢查,檢查合格后清理待焊接區(qū)域,保證待焊接區(qū)域及周圍至少50 mm范圍內(nèi)徹底清潔。焊接完成后,進(jìn)行目視檢查及液體滲透檢查。附件與水室隔板焊接完成如圖5所示。

表2 手工電弧焊焊接參數(shù)

圖5 附件與水室隔板焊接完成

3 缺口與下封頭焊接

為了在管板與下封頭環(huán)焊縫焊后更好地進(jìn)行射線檢測,制造過程中在水室隔板兩側(cè)各留出一個(gè)缺口,如圖6所示。對于缺口,常用的方法是在坡口內(nèi)進(jìn)行堆焊,采用手工焊絲堆焊形式用金屬焊材填滿缺口。由于缺口的尺寸較大,全部手工堆焊不僅工作量大,而且周期長,出現(xiàn)缺陷的概率較高。為了提高焊縫質(zhì)量,在項(xiàng)目中采用了補(bǔ)板的連接方式,使用一塊與缺口尺寸配作的板材將缺口填滿,然后進(jìn)行焊接。補(bǔ)板結(jié)構(gòu)如圖7所示。補(bǔ)板的材料、厚度、坡口形式與尺寸和水室隔板相同。這一方式操作簡單,焊接工作量小,焊接材料使用少,生產(chǎn)效率與焊縫質(zhì)量有所提高。補(bǔ)板的焊接難度在于需要避免焊接后管板與下封頭環(huán)縫內(nèi)壁堆焊層出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。為保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量,合理安排焊接順序、探傷時(shí)機(jī)等。

圖6 水室隔板缺口

圖7 補(bǔ)板結(jié)構(gòu)

補(bǔ)板的焊接一般有七道工序。

(1) 預(yù)熱。為了避免管板、下封頭、下封頭環(huán)縫三部分區(qū)域材料與環(huán)縫內(nèi)壁堆焊層第一層不銹鋼耐蝕層材料之間的熔合區(qū)產(chǎn)生硬而脆的馬氏體層,降低材料的冷卻速率,焊接前對補(bǔ)板焊接區(qū)域1進(jìn)行預(yù)熱,預(yù)熱溫度不低于121 ℃。從下封頭外壁進(jìn)行加熱,水室隔板不加熱,保證焊接前和焊接過程中不銹鋼堆焊層距焊接邊緣至少120 mm范圍內(nèi)預(yù)熱溫度不低于121 ℃。在焊接前和焊接過程中,焊接區(qū)域1需要進(jìn)行預(yù)熱,焊接區(qū)域2、3不需要進(jìn)行預(yù)熱。補(bǔ)板焊接區(qū)域如圖8所示。

圖8 補(bǔ)板焊接區(qū)域

(2) 裝配。采用專用工裝進(jìn)行裝配,保證焊縫根部間隙為2～3 mm。裝配后采用鎢極惰性氣體焊工藝進(jìn)行點(diǎn)焊,焊接參數(shù)同表1。

(3) 接頭正面打底焊接。裝配完成后,在接頭正面對焊接區(qū)域1、2、3采用手工電弧焊,焊接參數(shù)同表2。打底焊接三層,第一層焊接后、第三層焊接后分別進(jìn)行液體滲透檢查。為避免應(yīng)力集中在管板與下封頭環(huán)縫內(nèi)壁堆焊層側(cè)而導(dǎo)致出現(xiàn)脫層現(xiàn)象,每層焊接過程均按焊接區(qū)域1、2、3的順序進(jìn)行。

(4) 背面焊縫清根。三層焊接完成后進(jìn)行清根,清根后進(jìn)行液體滲透檢查。清根過程中,應(yīng)注意不要打磨不銹鋼堆焊層,避免堆焊層厚度減薄。

(5) 接頭背面打底焊接。焊縫清根完成后,在接頭背面對焊接區(qū)域1、2、3進(jìn)行手工電弧焊,焊接參數(shù)同表2。打底焊接三層,第一層焊接后、第三層焊接后分別進(jìn)行液體滲透檢查。

(6) 填充焊接。打底焊接完成后,采用手工焊絲進(jìn)行填充焊,焊接過程中焊絲不允許擺動(dòng)。為了減小焊接殘余應(yīng)力,整個(gè)焊接過程中接頭正面與背面交替進(jìn)行。補(bǔ)板焊接現(xiàn)場如圖9所示。焊接過程中,每三層進(jìn)行一次液體滲透檢查。

圖9 補(bǔ)板焊接現(xiàn)場

(7) 焊后檢查。補(bǔ)板全部焊接完成后,進(jìn)行目視檢查及液體滲透檢查,并在管板與下封頭環(huán)縫外壁對焊接區(qū)域1焊縫位置進(jìn)行超聲檢查,以保證焊縫內(nèi)壁堆焊層熔合區(qū)域無任何缺陷產(chǎn)生。

焊接前,接頭表面及靠近接頭兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)的母材應(yīng)徹底清潔,待焊表面不得有水垢、銹跡、油污和其它有害物質(zhì)。由于焊縫材料有ENiCrFe-7鎳基合金,此種材料潤濕性差,易產(chǎn)生熱裂紋,因此在焊絲對接焊過程中,起弧處、收弧處、每條焊道之間、每層焊道之間均需打磨清理,每道焊縫表面應(yīng)光滑,與鄰近焊道平滑過渡。如果發(fā)現(xiàn)有弧坑、夾渣、氧化皮、劃痕等,應(yīng)立即打磨清除,增加層間和道間清潔度控制。三個(gè)焊接區(qū)域的焊接過程中,層間溫度應(yīng)控制不高于177 ℃。

4 結(jié)束語

為了保證水室隔板上的小孔在焊接過程中不受破壞,筆者采用增加附件的方式。附件上的小孔與原設(shè)計(jì)小孔相同,先將附件與下封頭焊接,再將水室隔板與附件焊接。

對于水室隔板缺口的焊接,采用補(bǔ)板的連接方式,以減小焊接填充量,減少焊接缺陷的產(chǎn)生。同時(shí),采用合適的焊接順序,以保證下封頭堆焊層與母材的熔合區(qū)域不受影響。