核电站辐照监督管焊接技术及焊接质量控制

林金平，刘 斌，范海平

（中国中原对外工程有限公司，上海200233）

核电站辐照监督管焊接技术及焊接质量控制

林金平，刘 斌，范海平

（中国中原对外工程有限公司，上海200233）

介绍了某反应堆压力容器焊缝及热影响区辐照样品管制造要求，通过分析其焊接工艺，结合制造厂经验反馈，研究了辐照监督管焊接中常见的质量问题，提出从优化焊接参数、提高焊接设备稳定性和做好焊接母材表面检验三个方面进行控制，防止辐照监督管焊接产生缺陷，从而提高焊接质量，为后续的辐照监督管焊接质量控制提供指导。

辐照样品监督管；焊接缺陷；压力电阻焊

0 前言

核电站反应堆压力容器常用材料为SA-508 Gr.Ⅲ，为体心结构，具有冷脆特征，受辐照后其冷脆趋势增加，即强度升高，塑韧性下降，韧脆转变温度上升，因而压力容器突发性脆性破坏的可能性增加。为了监测反应堆压力容器堆芯区的铁素体材料因中子辐照和热环境引起的断裂性韧度变化，以及利用辐照监督所测数据确定压力容器在全寿期内可以运行且具有适当安全裕量的环境，需要对反应堆压力容器材料进行辐照监督。目前，反应堆压力容器辐照监督采用在堆内放置辐照监督管，定期取样的方法。即在运行的反应堆放入足够数量、具有代表性的监督样品（包括母材、焊缝和热影响区材料），样品用与压力容器同炉、同工艺的材料制作，分成若干份，放入辐照监督管中，随堆辐照，并定期取出进行机械性能试验。每个反应堆堆芯区域按设计要求制造10根辐照监督管，其中8根辐照监督管在反应堆首次启动之前分别插入保持架内，如图1所示。另外2根暂不入反应堆内，留作压力容器延寿备用。

本研究以辐照监督管的焊接为研究对象，通过对辐照监督管的制造工艺及检验要求进行分析，统计分析焊接产生的不符合项，提出了辐照监督管在制造过程中焊接质量管理需要强化的地方，以减少焊接不符合项的产生，提高辐照监督管的制造合格率。

图1 辐照监督管在压力容器上的位置

1 辐照监督管概述

辐照监督管主要由母材样品管、连接管、焊缝及热影响区样品管及抓头组件组成。总长约2.2 m，直径约50 mm。每个样品管上部装有上部端塞，下部装有堵孔端塞，中间由1根钢管组成。辐照监督样品管内装有力学性能试样、中子剂量探测器、温度探测器。其存放的试样有冲击试样、拉伸试样、断裂韧性试样等。辐照监督力学性能试样来源于母材金属、焊缝金属和焊缝热影响区（HAZ）金属，试样材质与压力容器筒体相同，其中母材试样从压力容器筒身见证材料上切取，焊缝和热影响区试样从主焊缝见证件上切取。根据ASTM-E185每根辐照监督管内各种力学性能试样的种类和数量如表1所示。

表1 每根辐照监督管内各种力学性能试样的种类和数量

典型的焊缝及热影响区监督样品管的结构如图2所示。该样品管主要由钢管、上端塞、堵孔端塞、调整垫片、钢管内部的剂量盒和导热模、放在内部的试样组成。

图2 典型的焊缝和热影响区辐照监督样品管结构

2 辐照监督管的焊接难点及主要焊接缺陷

2.1 辐照监督管的焊接难点

在辐照监督管制造过程中，主要的焊接为钢管与上端塞的对接焊接、钢管与堵孔端塞的对接焊接，以及堵孔端塞上的堵孔焊。

辐照监督管焊接的主要难点：（1）在设计中，端塞除了用于密封外，还用于径向定位，因此，焊接不能破坏其定位要求，这就要求焊缝在保证足够熔深的前提下，尽量减少熔宽和余高；（2）由于钢管壁厚为3 mm，薄壁管在焊接时很容易变形。为了控制焊接变形，在焊接时则应尽量减少薄壁管的受热部分。但同时焊缝的余高也应达到设计要求，这需在焊接过程中控制好焊接输入能量和焊接速度。

2.1.1 钢管/上端塞与钢管/堵孔端塞焊接

钢管与两侧端塞的焊接主要是对接焊。焊前质量控制难点主要为装配时控制组对间隙和同轴度。焊前准备时，需严格控制好组对间隙和同轴度。在焊前按图纸、工艺装配，控制组对间隙为0.5 mm，上塞头端部与钢管外圆同轴度0.5，调整垫片与钢管端部距离。钢管与两侧端塞的焊接接头如图3所示。

图3 钢管与端塞的焊接接头

钢管与两侧端塞采用手工GTAW焊，两者母材都为321不锈钢，焊材选用ER347。在焊接过程中，通过热输入控制焊接变形，同时注意工件的直线度，根据变形情况随时调节焊缝位置，焊接完成后进行VT、PT和RT检测。钢管与两侧端塞的GTAW焊接参数如表2所示。

表2 钢管与端塞焊接参数

2.1.2 堵孔端塞上的堵孔焊接

辐照监督管堵孔焊主要流程如下，通过堵孔端塞的气孔将监督管抽真空后，立即冲入0.3MPa压力的氦气（气室真空度为6.7 Pa以上），氦气纯度不低于99.9％，然后进行堵孔焊。堵孔端塞孔的结构如图4所示。端塞堵孔焊主要采用压力电阻对焊技术，即通过施加和保持一定的焊接压力将被焊监督管压紧于两导电夹具（端塞夹具和焊接夹具）之间，利用电流流经监督管和端塞的接触面及临近区域产生的电阻热将被焊元件材料加热到高温塑性状态，完成焊接。压力电阻焊是利用焊接区本身的电阻热和大量塑性变形能量，使焊接区金属在固相状态下，在结合面上产生足够量的共同晶粒，从而使两金属连为一体，达到焊接目的。其焊接循环由预压—加热—顶锻—保持—休止过程组成[1]，整个焊接过程如图5所示。

图4 堵孔端塞孔的结构

图5 电阻对焊焊接循环（F-压力；I-电流；S-位移）

2.2 辐照样品管的焊接检验要求

辐照监督管的焊接主要包括钢管与上端塞的对接焊接的环焊缝和监督管的堵孔焊。其中，对于环焊缝，主要要求焊缝表面平整、光洁、外形几何尺寸符合图纸要求。焊缝表面无裂纹、气孔、咬边、未熔合等焊接缺陷，且焊缝检查不合格只允许补焊一次。对于监督管的堵孔焊，其主要技术要求是焊点熔深大于等于0.75 mm，焊点直径不大于3mm。焊点内部X射线检查无裂缝和夹杂等缺陷，仅允许存在直径小于等于0.30 mm的分散气孔，且在整个焊点内的可见气孔数不超过2个。焊点表面应为光滑的半球形，无气孔、裂纹、划伤和氧化等缺陷。在堵孔焊焊接完成后，辐照监督管焊缝应进行外观检查、X射线检查、金相检查和氦质谱检查。其中，对于辐照监督管充氦密封点焊外观检查，按照GB/T 11809放大60倍以上进行检查，焊点厚度应大于0.70 mm，焊点内无气孔、夹杂物缺陷。X射线检查用于检查辐照监督管上环缝和上端塞顶部堵孔焊点的质量，要求每条环焊缝需转3个角度透照3次。在进行氦质谱检查时，焊好的辐照监督管氦质谱仪检漏，氦气泄漏率应小于1.33×10-9Pa·m3/s。

2.3 辐照样品管的焊接主要缺陷

虽然辐照监督管堵孔焊采用压力电阻焊接工艺不产生金属熔池，不易产生气孔和裂纹，但部分辐照监督管堵孔焊后还是出现平头和凹陷两种缺陷。而由于出现平头或凹陷，无法进行RT，操作人员进行检查时，既不能保证补偿块与工件贴合精密，又不能保证底片与工件贴合紧密，也就不能保证熔深完全在透照区，无法检查熔深要求。平头和凹坑的产生使焊点的最小熔合直径和焊缝的最小熔合高度不能满足设计要求，从而最终影响焊透率，使接头性能不满足要求。

3 提高堵孔焊焊接质量的措施

当焊接缺陷检查出来后，除根据不符合项处理流程对其进行评定并做出处理外，还有一项更为重要的工作，即分析缺陷产生的原因，采取相关措施，防止缺陷再次发生。通过分析发现，辐照监督管的焊接质量不符合项主要集中在端塞堵孔焊焊接过程中。端塞堵孔焊焊接工艺属于压力电

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Discussion on the welding technique and welding quality control of nuclear irradiation samples monitoring pipe

LIN Jinping，LIU Bin，FAN Haiping
（China Zhongyuan Engineering Company，Shanghai 200233，China）

This paper introduces manufacture requirements of the reactor pressure vessel welding seam and heat affected zone irradiation sample tube，carries on the discussion and analysis in the process of welding technology.Through the factory feedback，it points out the common welding quality problem in the irradiation sample tube，and puts forward the improving welding parameter selection，improves the stability of the welding equipment，and makes welding base metal surface inspection three aspects to prevent welding defects.At the same time，it points out that welding quality control for the plugging holes is the key process for manufacture the irradiation monitoring pipe.

irradiation samples monitoring pipe；welding defects；pressure resistance welding

TG441.7

A

1001－2303（2017）01－0106-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.20

献

林金平，刘斌，范海平.核电站辐照监督管焊接技术及焊接质量控制[J].电焊机，2017，47（1）：106-108，112.

2016-08-26

林金平（1985—），男，湖北宜昌人，硕士，工程师，主要从事核电设备采购管理工作。