核电厂MSR内衬焊缝缺陷原因分析及处理

徐宝坪，朱家泽，晋嘉昱，冯英超，刘金平

1.福建福清核电有限公司 福建福清 350318 2.核工业工程研究设计有限公司 北京顺义 101300

1 设备概况

汽水分离再热器（MSR）的功能是分离和再热循环蒸汽，同时辅助有供气、抽气、疏水和控制等功能。MSR内部结构由壳体、预分离器、下部内衬、分离器、内件固定架、一级再热器、二级再热器及管系密封装置等组成，如图1所示，其中MSR下部内衬采用焊接连接而成，其作用首先为防蒸汽冲刷、冲蚀MSR筒体；其次起到蒸汽分流作用。

图1 MSR内部效果

为满足湿蒸汽防冲蚀的要求，MSR内衬优先选用不锈钢材料，同时考虑选用的不锈钢材料热膨胀系数尽可能与MSR筒体材料（碳素钢）相近。因此，MSR内衬材质牌号设计为06Cr13钢（铁素体不锈钢），设计厚度为6～8mm，内衬构件采用焊接连接，形成角接接头（角焊缝）。

2 MSR内衬焊缝缺陷及定性

某运行核电厂在大修期间实施2、4号机组MSR下部内衬焊缝目视检查时，发现多处下部内衬焊缝沿着熔合线和热影响区开裂，部分开裂延至母材，如图2所示。

图2 MSR下部内衬焊缝目视、PT呈线性显示

3 06Cr13钢焊接工艺

06Cr13钢为铁素体不锈钢，虽然其显著特点是强度高，但焊接性差。该类钢在焊接热循环的作用下，热影响区的晶粒长大严重，碳、氮化物在晶界聚集，焊接接头的塑韧性低，在拘束度较大时，容易产生焊接裂纹，接头的耐腐蚀性也严重恶化[1]。为了防止焊接裂纹，改善接头的塑韧性和耐蚀性，在采用同质熔焊工艺时，应进行100～150℃预热，焊后进行750～800℃的退火处理，焊接过程中应尽可能采用较小的热输入，焊接过程中不摆动，不连续焊。

4 MSR下部内衬工厂焊接工艺

MSR下部内衬存在大量的小构件角焊缝焊接，若采用同质熔焊工艺时则无法实施焊前、焊后热处理，尤其在机组服役后，MSR下部内衬焊前预热、焊后热处理更难以实施。因此，被迫采用奥氏体型焊接材料焊接工艺，以利于提高焊接接头的塑韧性，可免做焊前预热、焊后消除应力热处理[1]。

MSR下部内衬焊缝均在工厂制造完成，工厂采用焊接方法为焊条电弧焊（SMAW），选用焊条为E309L-16（奥氏体不锈钢焊条），根据内衬不同厚度，选择焊条规格为φ3.2mm、φ4.0mm、φ5.0mm。

5 缺陷原因分析及结论

5.1 工况受力分析

（1）轴向和环向变形分析 MSR服役后，在运行压力、温度共同作用下，分析MSR筒体在轴向、环向和径向均发生膨胀变形，造成对下部内衬及焊缝影响。

1）轴向变形：在两个预分离器之间的部分（见图3），由于下部内衬开孔处与预分离器采用焊接连接，使得下部内衬在轴向方向与筒体一起拉伸变形，产生较大应力（包含热应力）。

2）环向和径向变形：主要影响内件固定架与筒体相焊处（见图4），对下部内衬及焊缝相对影响较小。

（2）热态运行压力、温度影响分析 ①热应力分析：据有关热应力分析资料，MSR内部热应力较大的区域主要分布在MSR两个预分离器之间，如图5所示标红位置。②运行压力产生的应力：应力较大区域在两个预分离器之间，下部内衬与预分离器焊缝附近区域。③综合考虑运行压力、温度工况后的应力：经运行压力产生的应力和热应力的高应力区域重叠，因而对结构焊接要求较高，若该区域焊接质量不佳，易产生裂纹。

图3 预分离器

图4 焊缝

图5 MSR内部结构

5.2 原材料焊接性分析

MSR下部内衬材质为铁素体不锈钢，其焊接性差，焊后极易在焊接接头热影响区形成马氏体组织，使结构变脆，力学性能变差，该区域焊缝和母材相比为薄弱区。

5.3 焊缝质量分析

目视检查MSR内衬焊缝成形较差，局部焊缝位置熔合不良，且部分焊缝表面未进行打磨圆滑过渡，存在连续咬边，咬边处（熔合线位置）易产生应力集中。部分焊缝根部位置存在未焊透等缺陷，存在缺口应力集中效应，如图6所示。

图6 焊缝成形差、咬边

5.4 下料方式分析

MSR内衬原材料为铁素体不锈钢板材，制造期间采用剪板机剪切下料，易出现断面分层缺陷，车间采取了打磨方式将分层缺陷去除，但实际断层开裂的延伸深度大于目视可见开裂深度，易在母材中隐藏缺陷。

5.5 结论

（1）根本原因 铁素体不锈钢焊接过程中容易在熔合线发生贫铬和渗碳沉淀，热影响区易形成马氏体组织，使结构变脆，力学性能比焊缝和母材差，在运行压力和焊接应力共同作用下，从焊接接头薄弱的热影响区开裂。

（2）促成原因 原焊缝焊接质量较差，局部焊缝存在咬边、熔合不良等缺陷，易产生应力集中，在外界压力作用下使原焊缝缺陷扩展；MSR下部内衬板材下料方式存在不合理，易产生隐蔽缺陷，在外力作用下扩展成裂纹。

6 缺陷处理

（1）总体方案 采用“皮带式”砂轮机打磨方法，对检出的缺陷进行彻底消除，并选用技能娴熟、经验丰富且具备相应焊接资质的焊工实施补焊。补焊完成后，按NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测 第5部分：渗透检测》对补焊区域及邻近两侧母材15mm范围内进行100%PT检测，合格级别为I级。

（2）优化返修工艺 制造阶段MSR下部内衬焊接时，选用焊条规格为φ3.2mm、φ4.0mm、φ5.0mm。为避免现场返修时产生大的焊接应力，返修补焊时选用φ3.2mm焊条进行返修补焊，以减小焊接热输入量，降低焊接残余应力。

（3）优化焊后表面处理 待缺陷打磨挖凿并补焊后，实施严格打磨操作，确保熔敷金属与母材过渡圆滑，杜绝焊缝咬边、成形不良等表面缺陷。

（4）避开直角焊缝，增加止裂孔 对易产生焊缝应力集中位置，如直角顶点位置两侧各留10mm不焊，避免直角处焊缝应力集中（见图7）；对较长的连续不规则焊缝端部，增加焊缝止裂孔（见图8），防止此处焊缝运行启裂后扩展。

图7 避开直角焊缝

7 结束语

1）MSR下部内衬06Cr13铁素体不锈钢焊接过程中易在熔合线发生贫铬和渗碳沉淀，热影响区易形成马氏体组织，使结构变脆，力学性能比焊缝和母材差，进而在运行压力和焊接应力共同作用下，导致焊接接头热影响区开裂。

2）机组运行阶段通过优化06Cr13铁素体不锈钢工厂焊接工艺，采取避开下部内衬直角边焊接和增加焊缝止裂孔等有效措施，从而保证了MSR下部内衬焊缝返修焊接质量。

3）该运行电厂2、4号机组MSR内衬焊缝缺陷经挖补修复后进行了100%液体渗透检测一次合格，并已安全、稳定运行三个燃料循环，未再出现任何异常。