核反應堆壓力容器主螺栓孔堆焊缺陷分析與質(zhì)量控制

張紀鋒 崔凡 朱勃 汪為慶

摘要：核反應堆壓力容器是核電站的心臟，主螺栓孔的堆焊質(zhì)量關系著反應堆壓力容器能否正常開關操作，將影響核電廠的運行安全和運行時間。針對某反應堆壓力容器制造過程中主螺栓孔堆焊存在的PT/UT檢測不合格問題，分析焊接缺陷產(chǎn)生的原因為：（1）局部區(qū)域電弧不穩(wěn)，焊縫區(qū)域保護不良;（2）焊接工位不佳，焊工操作難度大。提出了相應的改進措施，如：將手工堆焊改為機械氬弧焊，火焰加熱改為電加熱板加熱;就工件狀態(tài)進行針對性培訓;加強待焊面的清理，強化操作要求。上述措施經(jīng)現(xiàn)場驗證明顯提高了主螺栓孔堆焊PT/UT的一次合格率，對后續(xù)項目RPV的制造提供了技術積累和工程經(jīng)驗。

關鍵詞：核反應堆壓力容器;主螺栓孔;堆焊;質(zhì)量控制

中圖分類號：TG457.2? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0072-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.13

0? ? 前言

壓水堆核電站由核島、常規(guī)島及BOP系統(tǒng)組成。核島系統(tǒng)主要由反應堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器等核島主設備構成[1]。反應堆壓力容器（Reactor Pressure Vessel，RPV）長期在高溫、高壓、強腐蝕和強輻射的環(huán)境下運行，要求容器內(nèi)壁的腐蝕速率低于10 mg/（cm2·月）[2]，因此在RPV內(nèi)表面需堆焊厚度大于6 mm的奧氏體不銹鋼，以提高耐腐蝕性、耐沖刷性和耐磨性，結(jié)構示例如圖1所示。

RPV是核電站的心臟，起著固定和包容堆內(nèi)構件及堆芯的作用，是防止放射性物質(zhì)外逸的第二道屏障[3]。RPV密封副是保證RPV密封的重要部件，在整個壽期內(nèi)需要多次開關蓋操作，全部主螺栓需要2000～3000顆/次拆卸安裝。主螺栓孔一旦嚴重損傷，由于RPV無法返廠，只能就地維修，直接影響核電廠的運行安全和運行時間[4]。

文中針對某反應堆壓力容器制造過程中主螺栓孔堆焊存在的PT/UT檢測不合格問題，提出了切實可行的改進措施，為后續(xù)項目RPV的制造提供了工程經(jīng)驗。

1 主螺栓孔堆焊層結(jié)構

“ 華龍一號 ”是中國自主研發(fā)的第三代核電技術，RPV的設計和制造需滿足RCC-M 2007版，其結(jié)構主要分為頂蓋組件、容器組件和緊固密封組件，材料為16MND5低合金鋼。頂蓋組件和容器組件由緊固密封組件相連接，容器組件法蘭端面需要機加工出58個主螺栓孔。

對比CRP1000項目RPV，“ 華龍一號 ”RPV設計壽命從40年提升到60年，設計結(jié)構進行諸多改進，其中一個比較突出的改進是容器組件上58個主螺栓孔靠近孔口內(nèi)壁堆焊奧氏體不銹鋼，如圖2、圖3所示，該堆焊層內(nèi)徑為174 mm，堆焊厚度5 mm，底部R角為R5 mm。

不銹鋼堆焊層通常采用309L和308L的不銹鋼焊絲或焊條進行堆焊，309L作為堆焊層的過渡層，其較高的Cr、Ni含量可平衡低合金鋼母材的稀釋，308L作為耐蝕層。焊絲的化學成分要求如表1所示，堆焊參數(shù)如表2所示。

2 主螺栓孔堆焊缺陷情況

某制造廠在“ 華龍一號 ”RPV制造過程中，主螺栓孔不銹鋼堆焊完成后，對堆焊層進行滲透檢測和超聲波檢測，發(fā)現(xiàn)不同程度滲透和超聲波超標缺陷顯示，其中超聲波檢測發(fā)現(xiàn)20個主螺栓孔總共存在28處超標缺陷。

針對缺陷情況，挑選具有典型缺陷的孔進行局部打磨至缺陷位置后進行PT檢查。據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)，缺陷位于R5轉(zhuǎn)角底部平面的堆焊層與母材的熔合線（面）上，根據(jù)缺陷顯示出現(xiàn)到被完全去除的打磨深度可以確定，缺陷寬度約為4 mm，缺陷照片如圖4所示。

3 缺陷原因分析

3.1 缺陷處化學成分分析

對缺陷處的熔敷金屬和母材采取機加工方式取出屑狀試樣，分析其化學成分，缺陷處母材化學成分合格，接近母材的309L（距離原始堆焊表面0.5～1 mm）不銹鋼堆焊層化學分析結(jié)果正常，排除了由于焊材用錯和母材化學成分異常引起焊接缺陷的可能性。

3.2 焊接殘余應力分析

采用SYSWELD軟件對RPV主螺栓孔堆焊殘余應力情況進行建模分析，建模計算結(jié)果如圖5所示，堆焊完成后焊接殘余應力最大值主要分布在整個堆焊區(qū)域的熔合線和母材熱影響區(qū)，但整個熔合線和熱影響區(qū)的殘余應力水平相當，最大值主要分布在孔側(cè)壁區(qū)域，不在R角根部位置，因此排除單純由于應力集中引起開裂的可能。

3.3 奧氏體不銹鋼焊接性能分析

RPV母材為低合金鋼，堆焊層為奧氏體不銹鋼，雖然奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性能，但焊接過程中存在著焊接熱裂紋、脆化、晶間腐蝕和應力腐蝕等問題：①奧氏體不銹鋼導熱性較差（其熱導率約為低碳鋼的1/3），線膨脹系數(shù)大（約為低碳鋼的1.4倍）[5]，導致焊接應力和焊接變形大，特別是對于主螺栓孔這種拘束度大的接頭，焊接過程中會產(chǎn)生較大的焊接殘余應力，有可能發(fā)展為焊接裂紋;②奧氏體焊縫凝固時不發(fā)生相變，奧氏體晶粒呈鑄態(tài)柱狀，方向性強，S、P等雜質(zhì)容易偏析，容易產(chǎn)生晶格的聚集，焊接時易產(chǎn)生焊接裂紋;③焊接過程中產(chǎn)生的熱量使焊縫處于敏化溫度區(qū)，Cr的碳化物和鐵素體容易從晶界析出，在晶界及其附近處形成高度局部腐蝕[6]，使晶粒之間的結(jié)合力大大減小，機械強度急劇降低。

3.4 缺陷性質(zhì)分析

選取其中具有典型缺陷的主螺栓孔堆焊層，每次加工去除0.2 mm，整個過程中觀察到缺陷處堆焊層熔深為0.7～1.9 mm，缺陷深度為距原始母材表面0.7～1.9 mm，缺陷寬度約4.5 mm，缺陷與熔合線完全重合，缺陷處熔深比正常區(qū)域更大，同時發(fā)現(xiàn)存在缺陷的堆焊層熔合線起伏較大，焊縫熔合寬度不均勻，表明焊接過程中存在電弧不穩(wěn)定現(xiàn)象。對缺陷截面進行金相觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷位置在焊接過程中不銹鋼與母材結(jié)合面在高溫下被氧化，產(chǎn)生了大量氧化物，導致堆焊層與母材間存在未結(jié)合及結(jié)合力不足的情況。

3.5 小結(jié)

綜上所述，此次主螺栓孔堆焊層產(chǎn)生焊接缺陷的原因為：焊接過程中局部區(qū)域電弧不穩(wěn)，焊縫區(qū)域保護不良，導致異種鋼熔合線（面）產(chǎn)生大量氧化物，并存在沿晶開裂的微觀熱裂紋。這些氧化物和微觀熱裂紋使低合金鋼/奧氏體不銹鋼熔合線（面）上的結(jié)合力薄弱，在應力作用下發(fā)生異種鋼熔合線（面）的剝離。

結(jié)合當時的焊接工況進一步分析。工位布置為法蘭接管段筒體外壁采用火炬加熱，焊接工位布置的內(nèi)部操作平臺距離焊接位置較遠，中間搭木板進行焊接，焊工操作位置受限。由于工件待焊面偏低，焊工以坐姿或蹲姿并前傾彎腰施焊，如圖6所示。

經(jīng)過模擬操作發(fā)現(xiàn)，當焊工身體固定于0°位置距離施焊位置較遠，且焊工頭部位于火炬正上方時，操作受高溫影響，操作難度較大，容易形成焊條與焊接方向呈鈍角的后傾施焊狀態(tài)，導致電弧不穩(wěn)，形成較深且不規(guī)則的熔池，熔池保護效果差，形成過多的氧化物等問題。

4 主螺栓孔堆焊質(zhì)量控制

改善工況及優(yōu)選焊接方式是避免類似問題發(fā)生的關鍵，因此采取的控制措施如下：

（1）改變焊接方法。

發(fā)生問題的RPV主螺栓孔堆焊采用焊條電弧焊，R5轉(zhuǎn)角處的焊道焊接時電弧容易產(chǎn)生偏吹，對焊接操作要求較高，焊接工位布置的內(nèi)部操作平臺距離焊接位置較遠，中間搭木板進行焊接，焊工操作位置受限。

根據(jù)奧氏體不銹鋼的導熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，焊接時變形傾向增大，同時其導電率小的焊接性能，在焊接工藝上應盡量減小熔池過熱，避免形成粗大柱狀晶，宜采用熱輸入量小的焊接方式，機械氬弧焊相比焊條電弧焊熱輸入量更小，電弧穩(wěn)定，沒有熔渣，接頭組織致密，同時受焊工技能影響較小，焊縫質(zhì)量可靠，如圖7所示。

（2）改變焊接加熱方式。

發(fā)生問題的RPV主螺栓孔堆焊時法蘭外壁采用火炬加熱，焊工頭部位于火焰上方，承受的溫度高，操作環(huán)境差，導致焊工很難長時間觀察熔池并及時調(diào)整焊槍，若采取電加熱的方式則更利于焊接。經(jīng)最終分析決定將加熱方式改為電加熱板加熱。相比于火焰加熱，電加熱板可以更精準地控制工件溫度，同時不會過于影響周圍環(huán)境溫度，更利于焊工在工件旁邊操作。如圖8所示。

（3）焊工技能培訓。

就工件狀態(tài)進行針對性培訓，焊接操作細化（焊槍角度調(diào)整、焊道排布），并開展模擬工件練習，尤其是焊槍調(diào)整和熔池觀察位置的訓練。

（4）強化操作要求。

加強待焊面的清理，焊前注意觀察待焊面是否有氧化或銹蝕等情況，確保清理后的待焊面滿足施焊要求，防止產(chǎn)生未熔合。選派經(jīng)過技能培訓合格的焊工施焊。

采取以上4項措施后，同類制造廠承制的“ 華龍一號 ”RPV的58個主螺栓孔不銹鋼堆焊層滲透檢測和超聲波檢測均未發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷，堆焊一次成功，如圖9所示。

5 結(jié)論

“ 華龍一號 ”RPV采用最新的三代核電技術，設計壽命由40年延長到60年，制造技術標準高，難度大，代表著我國三代核電關鍵設備研發(fā)制造的最高水平。首次采用主螺栓孔焊條電弧焊堆焊的質(zhì)量不穩(wěn)定，多次出現(xiàn)PT/UT超標缺陷。通過深入剖析，對關鍵焊接技術進行了全面改進優(yōu)化，根本上解決了問題，并在“ 華龍一號 ”RPV制造過程中成功實施，驗證了工藝可靠性與穩(wěn)定性，顯著提升了設備質(zhì)量，為后續(xù)機械氬弧焊堆焊工藝的實際應用提供了寶貴的工程經(jīng)驗，對RPV設備質(zhì)量乃至反應堆安全起到至關重要的作用。

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