稳压器电加热元件连接件与套管焊接问题及解决方案

武小强,吴兵兵

(西安核设备有限公司，陕西 西安 710021)

稳压器是核电站中的重要核安全设备，主要作用是对一回路主系统进行压力和容积的调节和控制，以保证一回路主系统压力边界的完整性。电加热元件是稳压器的主要功能元件，电加热元件套管贯穿下封头与封头内壁堆焊层焊接，电加热元件通过一个连接件与电加热元件套管连接，材料均为Z2CND18-12(N)[1]，连接件与电加热元件套管之间的焊缝采用对接焊缝，且构成核电厂一回路压力边界焊缝，焊缝等级为核安全1级。

1 焊接存在问题

西安核设备公司承制的某核电站稳压器电加热元件套管与下封头冷装并焊接完成后，进行电加热元件连接件与套管焊前模拟焊接试验时，发现采用以往的工艺参数焊接的试验件根部未焊透，通过调整焊接电流在根部焊透的情况下脉冲电流达到了180 A，但焊缝表面凹陷大，经测量凹陷尺寸在1.0 mm左右。

对某核电站稳压器套管试验件采用以往焊接工艺参数根部未焊透，见图1；对福清核电4号机组稳压器剩余套管采用以往焊接工艺参数试件焊缝外形尺寸满足要求且焊缝宽度均匀，见图2；对某核电站稳压器套管试验件在根部焊透的情况下脉冲电流达到了180 A，焊缝表面凹陷大，见图3。焊接模拟试验用套管、熔化环与某核电站稳压器设备同批号，焊接设备为进口专用焊机。

图1 某核电站稳压器套管试验件Fig.1 The pressurizer casing test piece of a nuclear power plant

图2 福清核电4号机组稳压器剩余套管Fig.2 Residual casing of the pressurizer of Fuqing 4

图3 某核电站稳压器套管试验件Fig.3 The test piece of the pressurizer casing in a nuclear power plant

2 原因分析

2.1 初步原因分析

公司采用已有成熟的电加热元件连接件与套管的焊接工艺参数焊接完成了多台稳压器设备，未发现焊缝根部未焊透和表面成型不理想的情况，且福清核电4号机组稳压器剩余套管采用以往焊接工艺参数焊接的试件焊缝外形尺寸满足。为查明发生根部未焊透的原因，首先从以下几个方面初步进行了逐一排查。

2.1.1 套管母材性能核查

核查某核电站稳压器电加热元件套管原材料资质证书、复验报告，并与某核电站稳压器5号机组稳压器套管的性能进行了对比，两个机组套管的各项性能无明显差别，均满足相关技术条件要求。同时与福清核电4号机组稳压器套管的性能进行了对比，也未发现明显差异，均满足材料采购技术条件的要求，见表1。

表1 核查某核电站稳套管与福清核电4号机组套管的性能对比

联系电加热元件材料供应商，请供应商从原材料角度就该批次套管焊接出现的问题进行分析及建议。供应商明确该批套管及连接件材料的采购厂家与以往西安核设备公司稳压器设备套管及连接件一致，只是材料批次不同，对本批次套管焊接过程中出现的问题无法给出合理的建议。

2.1.2 焊接设备

稳压器电热元件焊接设备为进口专用焊机，对专用焊机的性能进行了测定，焊机性能正常。使用该焊机采用相同的焊接参数焊接福清核电4号机组稳压器剩余多个套管，焊缝质量均可满足技术条件要求。

2.1.3 熔化环、保护气体、钨极

(1)熔化环

某核电站稳压器电加热元件连接件与套管焊接采用的熔化环为福清核电4号机组制造时的剩余材料。

(2)保护气体

该焊缝焊接的焊接保护气体为氦气，考虑氦气在焊接时的影响，对焊接用保护气体提高了要求，实际使用的纯度为99.999%的氦气(技术条件要求纯度为99.99%)，后续试验均采用纯度为99.999%的氦气作为保护气体。

(3)钨极

考虑焊接过程中电弧电压对焊接质量的影响，在试验过程中使用新的钨极采用同样的焊接参数、熔化环、保护气体分别对福清核电4号机组稳压器剩余套管、某核电站稳压器套管试验件进行了焊接，福清核电4号机组稳压器剩余套管的焊接质量满足技术条件要求，但某核电站稳压器同批号的套管试验件的焊接质量因根部未焊透不符合技术条件要求。

通过试验排除了熔化环、保护气体和钨极的影响。

2.1.4 焊接操作人员

焊接操作人员资格满足HAF603的要求，且操作人员一直参加前期稳压器电加热元件与套管的焊接工作，并由其参与整个试验过程。

经初步原因分析，排除焊接设备、熔化环、保护气体、钨极以及焊接操作人员的影响。

2.2 进一步原因分析

在排除初步原因分析的因素后，怀疑是由于某核电站稳压器套管材料与福清核电4号机组稳压器剩余套管材料批次不同导致采用相同焊接参数焊接后焊缝根部存在较大差异。因此对套管材料未要求的项目如电导率、电阻率等进行测定以及部分化学元素含量、晶粒度等进行对比检验，还进行了两批材料的熔化试验，主要如下。

2.2.1 套管其他性能检测

由于某核电站稳压器套管与福清核电4号机组稳压器套管的性能指标从资质证书、复验值数据分析均满足设计文件要求而且并无明显差异，因此进一步对两批次的套管材料从技术条件要求以外但有可能影响焊接性的其他物理性能方面进行了分析，并对部分化学元素进行了验证。

委托第三方对福清核电4号稳压器剩余套管和某核电站稳压器套管试验件材料补充进行的检测结果如下，见表2。

表2 某核电站稳压器套管试验件与福清核电4号套管余料性能测试对比

通过对比，两个项目所用套管材料的电性能存在差异。

2.2.2 熔化试验

对福清核电4号稳压器剩余套管和某核电站稳压器套管试验件进行了熔化试验。试验过程为采用手工钨极氩弧直接在试验件端部进行熔化，两个批号的材料共进行了两侧熔化试验，试验电流分别为80 A、200 A，在熔化时并进行了时间记录, 采用熔化电流为200 A时，福清核电4号机组稳压器剩余套管熔化出小孔的时间为9 s，某核电站稳压器套管试验件熔化出小孔的时间为19 s。熔化后的试件形貌见图4、图5。

图4 两个批号材料熔化试样Fig.4 Melting samples of two batches of materials

图5 两个批号材料熔化试样放大Fig.5 Magnification of melting samples of two batches of materials

在熔化过程中福清核电4号机组稳压器剩余套管形成熔化小孔，某核电站稳压器套管试验件熔化金属直接脱离，两个项目的材料熔化后的形貌存在差异，反映出某核电站稳压器套管材料在熔化过程中表面张力小，流动性较差。

通过以上分析认为，导致某核电站稳压器套管试验件与福清核电4号机组稳压器剩余套管采用相同焊接设备、钨极和焊接参数以及同批次的熔化环、焊接保护气体焊接后焊缝质量存在较大差异的主要原因是本批次套管材料的性能存在差异导致焊接性不好造成的。

3 行业专家研讨

针对此问题，西安核设备公司组织设计院及行业制造领域的专家进行了研讨，并现场进行了某核电站稳压器套管试验件与福清核电4号机组稳压器剩余套管的焊接。

通过现场焊接试验及充分讨论，与会专家一致认为导致某核电站稳压器套管试验件与福清核电4号机组稳压器剩余套管采用相同焊接设备、钨极和焊接参数以及同批次的熔化环、焊接保护气体焊接后焊缝根部存在较大差异的主要原因为，套管材料对焊接参数敏感，某核电站稳压器采用的这批套管材料与以往批次材料相比物理性能差异导致焊接性不好，是造成试验件焊接问题产生的根本原因，针对此批号套管材料采用以往不填丝TIG焊接工艺无法保证焊缝质量满足技术要求。与会专家同意西安核设备公司采用的“自动旋转氦弧焊+手工钨极氩弧焊”的组合方法焊接电加热元件连接件与套管的方案是可行的。

4 焊接工艺探索

在焊接模拟试验件焊缝发现根部未焊透问题后，通过调整焊接电流、电压、焊接速度、保护气体流量等焊接参数进行了一系列的试验，在试验前对试验件焊接部位的尺寸进行了测量，确保尺寸满足要求，所进行的焊接试验如下。

1)调整焊接工艺参数不采用脉冲方式，在根部焊透的情况下采用下脉冲电流，根部焊透焊缝表面凹陷大，见图6。调整焊接电流、焊接电压、焊接速度等经过多次试验焊缝根部焊透但焊缝外表尺寸面仍无法满足要求。

图6 某核电站稳压器套管试验件1Fig.6 Pressurizer casing test piece 1 of a nuclear power plant

2)调整焊接工艺参数不采用脉冲方式，焊接两次的方式，见图7、图8。经过多次试验焊缝外表尺寸面仍无法满足要求。

图7 套管试验件焊接二次试件1Fig.7 The secondary casing weld test piece 1

图8 套管试验件焊接二次试件2Fig.8 The secondary casing weld test piece 2

经试验，除焊缝外表面尺寸不能满足技术条件要求外，焊接操作也困难，原因在于：

第一次焊接完成后，第二次焊接前需重新对正钨极(包括钨极高度)，第二次对中时需根据第一次焊缝表面成形情况确定，当对中位置不合适时易出现较大的表面缺陷如两圈焊道之间出现较大的凹陷；

即使第二次钨极对正，由于焊接过程中无填充材料，表面凹陷也得不到较大的补偿。

3)调整焊接工艺参数不采用脉冲方式，经过试验在确保根部焊透的情况下自动氦弧焊焊接后采用手工钨极氩弧焊进行焊接。经检测试验件(如图9)的焊缝表面质量满足设计文件要求。

图9 套管试验件采用自动旋转氦弧焊+手工钨极氩弧焊试样Fig.9 The casing test piece using automatic rotating helium arc welding + manual tungsten argon arc welding samples

5 焊接工艺评定

经过前期多次的焊接工艺探索试验，西安核设备公司依据项目《稳压器电加热元件套管与电加热元件连接件焊接工艺评定》技术条件：增加、取消或改变操作方式(手工、半自动或自动)，都必须重新评定以及添加或取消附加的填充金属焊接工艺评定需要重新进行”的要求，完成了电加热元件连接件与套管的自动旋转氦弧焊+手工钨极氩弧焊组合方法的焊接工艺评定，手工钨极氩弧焊使用的焊丝满足《稳压器TIG焊用不锈钢焊丝技术条件》的要求。评定试件经外观、无损以及接头力学性能、晶间腐蚀等破坏性试验均满足技术要求。

6 解决方案

依据合格的焊接工艺评定完善了焊接数据包，自动氦弧焊+手工钨极氩弧焊组合方法焊接电加热元件连接件与套管的方式与前期西安核设备公司制造的稳压器不同，为保证产品焊缝质量在产品焊接时选用资格满足HAF603要求的熟练焊工、焊接操作工进行焊接，同时在焊接前对参与焊接工作的人员进行充分的培训与练习。

最终，稳压器电加热元件连接件与套管采用自动氦弧焊+手工钨极氩弧焊组合方法焊接后，焊缝经无损检测和焊接见证件破坏性试验，结果满足技术条件的要求。

7 结论

通过对某核电站稳压器电加热元件连接件与套管试验件焊接时产生的缺陷进行原因分析，确定了导致材料焊接性不好，出现试验件焊接缺陷的主要原因是材料物理性能差异。提出了解决方案，完善了焊接数据包，最终稳压器电加热元件连接件与套管焊缝全部一次性合格，满足了设计要求，结果证明采用自动氦弧焊+手工钨极氩弧焊组合方法是可行的，能够满足设计要求，本文中焊接工艺探索和组合焊接方法为后续稳压器制造电加热元件连接件与套管的焊接提供了参考和借鉴。