核电蒸汽发生器水室隔板焊接工艺研究

□ 李双燕

上海电气核电设备有限公司 上海 201306

1 研究背景

核电蒸汽发生器下封头与水室隔板的焊接是制造过程中的关键工序。笔者公司承制的某项目中,水室隔板的底部设置有两个小孔,两端设置有两个缺口。水室隔板结构如图1所示。水室隔板厚度超过50 mm,小孔直径小于20 mm。水室隔板与下封头焊接时,必须保证小孔的尺寸不受影响。由于孔很小,并且水室隔板厚度较大,焊接时飞溅物很容易触及小孔,对小孔造成破坏,甚至将小孔堵死,焊接难度较大。对于水室隔板边缘的缺口,常用的方法是直接焊接,采用堆焊形式用金属焊材填满缺口。当缺口尺寸较大时,堆焊不仅工作量大,而且周期长,出现缺陷的概率较高。笔者针对水室隔板底部两个小孔处焊接、水室隔板两端缺口处焊接,分别给出具体的焊接工艺与质量控制措施。

图1 水室隔板结构

2 小孔与下封头焊接

水室隔板与下封头焊接时,为了保护小孔不受破坏,采用间接方式焊接。增加一个附件,先将附件与下封头焊接,再将水室隔板与附件焊接。附件焊接如图2所示。

图2 附件焊接

水室隔板与附件焊接前,在水室隔板上加工比原小孔尺寸大的开孔。这样可以在焊接过程中保证小孔尺寸,并且保证焊接质量。附件为一段弧状棒材,材料与水室隔板完全相同,长度比水室隔板厚度至少长40 mm。附件如图3所示。

图3 附件

将附件点焊至下封头上,然后进行打底焊接,再进行剩余部分的填充焊接,直至全部焊妥。点焊前,为保证焊缝根部全部焊透,采用专用工装装配,保证根部间隙为2～3mm,装配后进行点焊。焊接前,从下封头外壁进行预热,保证焊接前和焊接过程中不锈钢堆焊层距焊接边缘至少120 mm范围内预热温度不低于121 ℃。采用钨极惰性气体焊工艺,焊接参数见表1,背面保护气体持续至焊缝厚度大于5 mm。焊接过程中,控制层间温度不高于177 ℃。焊接前对待焊面进行液体渗透检查,检查合格后清理待焊接区域,保证待焊接区域及周围至少50 mm范围内彻底清洁。焊接完成后,进行目视检查及液体渗透检查。附件与下封头焊接完成如图4所示。

图4 附件与下封头焊接完成

表1 钨极惰性气体焊焊接参数

附件焊接完成后,将水室隔板装配在下封头上。具体而言,对水室隔板与下封头和附件进行点焊,然后进行打底焊,再进行剩余部分的填充焊接,直至全部焊妥。焊接完成后,将附件长度方向超出水室隔板厚度的部分切削去除,将附件端面部分打磨至与水室隔板焊缝齐平。打底焊与填充焊均采用手工电弧焊工艺,焊接参数见表2。预热温度不低于121 ℃,焊接前和焊接过程中始终保持预热温度,直至焊接全部完成。焊丝对接焊过程中,起弧处、收弧处、每条焊道之间、每层焊道之间均需打磨清理,增加层间和道间清洁度控制。焊接过程中,控制层间温度不高于177 ℃。焊接前对待焊面进行液体渗透检查,检查合格后清理待焊接区域,保证待焊接区域及周围至少50 mm范围内彻底清洁。焊接完成后,进行目视检查及液体渗透检查。附件与水室隔板焊接完成如图5所示。

表2 手工电弧焊焊接参数

图5 附件与水室隔板焊接完成

3 缺口与下封头焊接

为了在管板与下封头环焊缝焊后更好地进行射线检测,制造过程中在水室隔板两侧各留出一个缺口,如图6所示。对于缺口,常用的方法是在坡口内进行堆焊,采用手工焊丝堆焊形式用金属焊材填满缺口。由于缺口的尺寸较大,全部手工堆焊不仅工作量大,而且周期长,出现缺陷的概率较高。为了提高焊缝质量,在项目中采用了补板的连接方式,使用一块与缺口尺寸配作的板材将缺口填满,然后进行焊接。补板结构如图7所示。补板的材料、厚度、坡口形式与尺寸和水室隔板相同。这一方式操作简单,焊接工作量小,焊接材料使用少,生产效率与焊缝质量有所提高。补板的焊接难度在于需要避免焊接后管板与下封头环缝内壁堆焊层出现脱层现象。为保证产品焊接质量,合理安排焊接顺序、探伤时机等。

图6 水室隔板缺口

图7 补板结构

补板的焊接一般有七道工序。

(1) 预热。为了避免管板、下封头、下封头环缝三部分区域材料与环缝内壁堆焊层第一层不锈钢耐蚀层材料之间的熔合区产生硬而脆的马氏体层,降低材料的冷却速率,焊接前对补板焊接区域1进行预热,预热温度不低于121 ℃。从下封头外壁进行加热,水室隔板不加热,保证焊接前和焊接过程中不锈钢堆焊层距焊接边缘至少120 mm范围内预热温度不低于121 ℃。在焊接前和焊接过程中,焊接区域1需要进行预热,焊接区域2、3不需要进行预热。补板焊接区域如图8所示。

图8 补板焊接区域

(2) 装配。采用专用工装进行装配,保证焊缝根部间隙为2～3 mm。装配后采用钨极惰性气体焊工艺进行点焊,焊接参数同表1。

(3) 接头正面打底焊接。装配完成后,在接头正面对焊接区域1、2、3采用手工电弧焊,焊接参数同表2。打底焊接三层,第一层焊接后、第三层焊接后分别进行液体渗透检查。为避免应力集中在管板与下封头环缝内壁堆焊层侧而导致出现脱层现象,每层焊接过程均按焊接区域1、2、3的顺序进行。

(4) 背面焊缝清根。三层焊接完成后进行清根,清根后进行液体渗透检查。清根过程中,应注意不要打磨不锈钢堆焊层,避免堆焊层厚度减薄。

(5) 接头背面打底焊接。焊缝清根完成后,在接头背面对焊接区域1、2、3进行手工电弧焊,焊接参数同表2。打底焊接三层,第一层焊接后、第三层焊接后分别进行液体渗透检查。

(6) 填充焊接。打底焊接完成后,采用手工焊丝进行填充焊,焊接过程中焊丝不允许摆动。为了减小焊接残余应力,整个焊接过程中接头正面与背面交替进行。补板焊接现场如图9所示。焊接过程中,每三层进行一次液体渗透检查。

图9 补板焊接现场

(7) 焊后检查。补板全部焊接完成后,进行目视检查及液体渗透检查,并在管板与下封头环缝外壁对焊接区域1焊缝位置进行超声检查,以保证焊缝内壁堆焊层熔合区域无任何缺陷产生。

焊接前,接头表面及靠近接头两侧50 mm范围内的母材应彻底清洁,待焊表面不得有水垢、锈迹、油污和其它有害物质。由于焊缝材料有ENiCrFe-7镍基合金,此种材料润湿性差,易产生热裂纹,因此在焊丝对接焊过程中,起弧处、收弧处、每条焊道之间、每层焊道之间均需打磨清理,每道焊缝表面应光滑,与邻近焊道平滑过渡。如果发现有弧坑、夹渣、氧化皮、划痕等,应立即打磨清除,增加层间和道间清洁度控制。三个焊接区域的焊接过程中,层间温度应控制不高于177 ℃。

4 结束语

为了保证水室隔板上的小孔在焊接过程中不受破坏,笔者采用增加附件的方式。附件上的小孔与原设计小孔相同,先将附件与下封头焊接,再将水室隔板与附件焊接。

对于水室隔板缺口的焊接,采用补板的连接方式,以减小焊接填充量,减少焊接缺陷的产生。同时,采用合适的焊接顺序,以保证下封头堆焊层与母材的熔合区域不受影响。