核电站蒸汽发生器管子—管板焊缝渗漏分析

张金元 赵素朝 符丽勇

摘  要：核电站蒸汽发生器的管子-管板封口焊缝是一次侧与二次侧的密封焊缝，其焊接质量直接影响核设施的运行安全。封口焊缝数量多，质量要求高，无损检测有一定的局限性，给质量控制带来一定的难度。文章通过对蒸汽发生器管子-管板封口焊制造工艺和流程全过程的分析，找出了封口焊缝渗漏的影响因素，总结了质量控制的经验，期待核电设备采购方、制造商、建安承包商及业主同行引以为鉴，共同做好设备采购和质量控制工作，以确保核电设备的质量。

关键词：蒸汽发生器;封口焊缝;经验反馈

中图分类号：TG457.5     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2016）03-0167-03

1  概  述

1991年6月，秦山核电站作为中国第一座核电站并网发电，实现了中国核电制造从无到有的历史跨越。

在国内核电建设者引以自豪的同时，许多在建造过程中由于技术不成熟或管理不到位等原因带来的问题逐渐显现，还存在较多技术难题亟待解决，必须引起大家足够的认识和警醒。日本福岛核电事故的发生，再次敲响了核电安全的警钟。

作为核岛四大主设备之一，在国内承制的蒸汽发生器（以下简称SG）其制造、检验和验收规范主要为法国RCC-M或美国ASME规范，国内现有SG制造厂的制造经验也是在采购过程中通过国外技术转让、在国外专家的现场指导下积累下来的。鉴于国内SG制造厂对SG设计理论的基础试验研究不深，对SG制造工艺试验的研究、消化水平有限，又鉴于相关焊接设备、焊接材料、传热管等关键技术不能国产化，笔者认为，国产SG的焊接工艺设计、制造工艺流程设计尚待逐步完善。本文通过对蒸汽发生器管子-管板封口焊制造、检验活动进行详细解析，找出管子-管板封口焊渗漏的主要原因，期待制造厂对SG关键工艺技术进行改进，加强过程控制，避免类似质量问题的重复发生。

2  管子-管板封口焊缝质量问题的产生过程

2011年， 国内某在建核电厂的SG在现场水压试验过程中发生渗漏，返修后对SG进行二次侧第二次水压试验，结果发现其它部位仍有渗漏点。随后，在表面未做任何处理的情况下，对所有的封口焊缝进行100%液体渗透检查（以下简称PT）检查，结果发现数75个焊缝存在显示，接着，进一步对75个封口焊焊缝进行100%射线探伤检查（以下简称RT），结果有9个焊缝存在记录性缺陷。管子-管板焊缝渗漏示意图，如图1所示。

基于上述原因，设备制造厂随即签发了停工令，要求对所有在制的SG管子-管板封口焊缝进行排查。经过对现场在制的SG的第二次排查，检查结果见表1。

事件发生后，制造厂根据缺陷的性质、位置分布，对制造过程进行了逐一排查，最终认为影响封口焊质量的主要原因是由于焊前清洁不彻底，焊接过程中由于钨极烧损后更换不及时而影响焊接电弧导致焊后产生内部气孔。

为了确保原因分析的准确性，制造厂进行了专项工艺试验，组织国内专家进行经验交流，听取了专家、学者的意见，对封口焊焊接质量进行了分析和经验总结，改进了部分制造工艺。

3  管子-管板封口焊缝的焊接和检验

管子-管板封口焊焊缝示意图，如图2所示。

管子-管板封口焊焊缝微观金相照片（放大200倍），如图3所示。

SG传热管材料为NC30Fe，管外径Φ19.05 mm，管板一次侧为镍基堆焊层，管板孔尺寸为Φ mm，管板孔与管子外壁单边最大间隙为0.15 mm。

传热管与管板的装焊包括：穿管、定位胀、封口焊、液压胀四个工艺过程。

管子-管板封口焊焊缝采用立位、全自动、全位置焊接。全自动焊机包括弧焊电源（电子控制的弧焊变压器，可输出脉冲电流）、控制系统及焊机机头。控制系统一般由编程控制，包括焊接过程的程序控制（送气、引弧、机头旋转、熄弧、断气）及参数自动优化控制等。焊接机头包括焊嘴、定位导杆、旋转机构等。焊接设备带三相全自动补偿电力稳压器。

封口焊缝在焊接结束后要进行如下检查：

①尺寸检查（DT）、目视检查（VT）、表面粗糙度检查;

②液体渗透检验（PT）;

③密封性检验（LT）;

④另外，封口焊焊缝焊后还要进行6%射线抽检（RT）（制造厂内部控制）。

封口焊焊缝根部焊缝缺陷照片，如图4所示，延伸到焊缝中的缺陷照片，如图5所示，因为焊接应力产生的撕裂照片，如图6所示，因为焊接应力产生的撕裂照片，如图7所示。

封口焊焊接工艺评定和见证件的检验要求：

①焊喉平均值（焊接3点钟及9点钟位置）≥0.9 e（e为管子壁厚，0.98 mm）; 焊喉单个值≥0.66 e（0.72 mm）;②焊根（未熔合及其它缺陷尺寸）≤0.1 mm;③不允许有裂纹，只有局部最短的泄露途径>0.66 e时，才允许存在气孔和夹杂物。

3  无损探伤在管子-管板封口焊应用中的局限性

3.1  渗透探伤的局限性

PT检查只能检测开口型缺陷。一旦焊缝中的微小气孔（管子-管板封口焊多为针尖气孔）被焊缝表面的氧化物覆盖，PT检查就会失效。

另外，PT检查对环境的温湿度要求较高，如果当时环境的湿度较大，凝结在封口焊焊缝上的水膜就会预先通过毛细作用先行吸附到焊缝缺陷的开口当中，而随后PT检查涂覆的渗透液对微小气孔的渗透、扩散作用就会大大减弱，发生漏检的可能性极大。

3.2  射线探伤的局限性

管子管板封口焊射线检查使用射线源为Ir192，焦点尺寸为0.5×0.5 mm。在检测工艺方面，由于底片的几何不清晰度（Ug值）与射线源尺寸成反比，要使Ug尽可能小，只有使射线源尺寸尽可能小或焦距尽可能大。实际上，在管子-管板封口焊焊缝RT探伤过程中使用的射线源尺寸要远大于缺陷的实际尺寸，这样，射线照相底片存在很大的几何不清晰度，射线检查的效果并不是很理想。

目前，制造厂在管子-管板封口焊的检查过程中设置射线检查，其目的不是为了专门检测焊缝内部缺陷，而是为了避免产生批量缺陷。

3.3  氦检漏的局限性

氦检漏仅能发现贯穿性的缺陷（例如气孔）;对于非贯穿性的缺陷是无法发现，检验方法的局限性造成无法真实准确地判断设备的制造质量。

4  制造工艺过程对管子-管板封口焊质量的影响

4.1  管板镍基堆焊层质量的影响

管板镍基堆焊层虽然焊后进行了PT和UT探伤（只是消除了超标缺陷而已），但是仍然残存大量的非超标缺陷。这些残存的非超标缺陷为日后的封口焊接留下了质量隐患。在实际封口焊过程中，也多次发现因为堆焊层缺陷影响封口焊质量的事实。管板堆焊层中残尊的缺陷，如图8所示。

4.2  深孔钻工艺流程的影响

该制造厂管板深孔钻安排在管板堆焊、机加工后进行。因为深孔钻工序的超前设置，造成管板孔在热处理工序二次污染，且管板孔直径较小，管板孔内表面的氧化层清理困难，给后续的封口焊焊接带来质量隐患。

国内其它SG制造厂的管板镍基堆焊后，暂不安排管板深孔钻，而是先安排与下部筒节组对焊，待CVP组件整体消除应力热处理后，再安排管板深孔钻。

4.3  热处理工艺流程的影响

该制造厂的管板深孔钻后的消除应力热处理安排了两次热处理，且管板孔均受到了长时间热处理的影响（氧化、二次污染）：

①管板与下部筒体下筒节（VB）组对焊成CVP组件的整体消除应力热处理（深孔钻后，管板孔造成污染）。

②CVP组件与TVC组件组对焊成TIF组件的整体热处理（深孔钻后，管板孔造成污染）;

国内其它SG制造厂的热处理工艺安排：

①CVP组件整体消除应力热处理（还未深孔钻，管板孔未造成污染）;

②CVP组件与TVC组件组对焊成TIF组件采用局部热处理（虽然已经深孔钻，但是局部热处理不会对管板孔造成污染）。

4.4  封口焊过程控制对封口焊质量的影响

4.4.1  对清洁度、温湿度的控制情况

该制造厂的清洁室为卷帘式顶棚，卷帘传递部位有缝隙，清洁室与外界有气体交换，外部焊接、焊缝打磨产生的烟尘可能进入到清洁室。清洁度不够对封口焊质量带来隐患。

该制造厂位于河道边缘，长年湿度较大，清洁室内对湿度的控制不到位（管板表面时常发现冷凝水的薄膜）。湿度对封口焊质量带来隐患。

国内其它SG制造厂家的清洁室为全密封房间，清洁室内有中央空调进行温度控制，有大型工业除湿机进行除湿。疑似残存在传热管外壁与管板孔之间的杂质，如图9所示。

4.4.2  对封口焊焊缝区域的抛磨情况

由于对封口焊焊缝表面的氧化膜清理不彻底，覆盖有氧化薄膜的封口焊焊缝在后续的PT检查过程中，没有将隐埋的缺陷暴露出来。

4.4.3  对焊接使用钨极的控制情况

合格的钨极尖头可保持电弧稳定和足够的熔深，若焊接钨极不合格，会造成钨极烧损，影响焊接电弧燃烧的稳定性（该制造厂的钨极是焊接操作者自己修磨，对封口焊焊接带来质量隐患。）。

国内其它SG制造厂的钨极通过外协厂加工，钨极的质量好，封口焊质量受控。

4.5  焊接工艺对封口焊缝质量的影响

焊接引弧电流上升阶段，成形效果不理想，需要利用后续焊接对电流上升阶段的焊缝进行重熔。为改善焊缝质量，可以在焊接起始段通过延时进行重熔即可，但是该制造厂实际重熔两圈，焊接圈数多，势必造成封口焊焊缝产生过渡氧化（镍在温度达到750 ℃则能剧烈氧化）。

另外，该制造厂在焊接过程中预设的保护气体预通气、滞后保护时间仅为8～10 s（国内其它厂家为20 s），造成封口焊焊缝表面残留大量的氧化层，给封口焊带来质量隐患。

4.6  焊接操作对封口焊缝质量的影响

实践证明，焊接机头定位不良、钨极长度调节不良等因素也是造成焊接缺陷的原因。如图10所示。

5  配套辅助工艺对封口焊缝质量的影响

5.1  定位胀使用可溶性润滑脂的影响

该制造厂使用的可溶性润滑脂的部分成分见表2。

其中，肥皂、自由基的脂肪酸均是碳氢氧化合物，水是碳氢化合物，这些物质均是产生气孔的直接诱因。

在机械胀管过程中，胀辊与传热管间摩擦并产生大量的热，润滑脂极易在滚压摩擦热下液化并渗透到胀接接头的缝隙，镍基材料的焊接对水、油脂非常敏感，水、油脂是封口焊焊缝产生气孔的主要原因。

国内其它SG制造厂家在定位胀过程中使用的酒精和丙酮（使用热空气吹干后极易挥发，不会产生焊接污染）。

5.2  封口焊保护气体组成设计对封口焊质量的影响

镍及镍合金焊接时最常见的气孔是H2O（水）气孔。由于液态镍能溶解大量氧（1 720 ℃时氧在镍中的溶解度为1.18%），凝固时，氧的溶解度下降（1 470 ℃时仅为0.06%）。凝固过程中过剩的氧将镍氧化成氧化亚镍（NiO），氧化亚镍和熔池中的氢化合，镍被还原而氢和氧结合成H2O，其反应式为：

NiO+H2→Ni+H2O

（封口焊焊接使用的保护气体有5%H2，因而容易在焊接过程中形成水）。由于封口焊采用的是脉冲电流，能量的输入有间歇，焊接过程中高温停留时间短，熔池金属冷却快，被还原的水受热膨胀来不及溢出便产生气孔。

国内其它SG制造厂封口焊保护气体为氦气和氩气两种惰性气体（不含还原性气体，不会产生焊接污染）。

6  经验总结及思考

①务必重视工艺交底工作，提高操作人员的操作技能和质量意识。

②务必重视深孔钻和热处理等工艺流程设计，避免管板孔受到氧化和污染。

③务必重视管板镍基堆焊层的焊接质量控制，避免堆焊缺陷对封口焊质量的影响。

④务必重视对焊接工艺评定的控制，避免焊接工艺缺陷对封口焊质量的影响。

⑤务必重视清洁室温度、湿度控制，避免湿度对焊接的影响。

⑥务必重视焊接过程控制。控制好焊接参数、焊接机头定位、钨极到工件距离、保护气体质量、钨极的质量等。

⑦务必重视封口焊待焊表面的清洁度控制，避免管孔表面的氧化物、水渍、油污等对封口焊质量的影响。

⑧务必重视焊缝表面的抛磨、清理工作，避免因为缺陷被覆盖而漏检。

⑨务必重视对PT探伤过程中的温度、湿度控制，避免温湿度对PT检查的影响。

⑩务必重视对封口焊焊接过程中使用的辅助耗材的控制，避免耗材最封口焊质量产生影响。

7  结  语

只要设备制造参与者对每个不符合项做到切实的分析和处理，及时地总结经验和教训，做到质量原因分析不清不放过，没有采取切实可行的纠正措施不放过，不符合项是不会重复发生的，SG管子-管板封口焊缝质量也是可以得到有效控制的。

参考文献：

[1] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第2卷）[M].北京：机械工业出版   社，2008.

[2] 王振民，黄石生，薛家祥.软开关双丝脉冲熔化极活性气体保护焊逆变   电源[J].华南理工大学学报（自然科学版），2006，（7）.

[3] 蔡业彬，陈再良.换热器管子与管板胀焊接头制造工艺分析[J].机械开   发，2000，（1）.