核电厂薄壁不锈钢管道BOSS头焊缝在线维修技术研究

匡艳军

中广核工程有限公司 核电安全监控技术与装备国家重点实验室，广东 深圳 518170

0 前言

核电厂管道系统中大量采用加强型管接头结构［1］，业内简称“BOSS头焊缝”。2016年国内首次发生核安全级BOSS头焊缝泄漏质量事件，经采用非标射线检验排查［2］，发现BOSS头焊缝存在大量气孔、夹渣、未熔合等缺陷。按照相关监管要求，在运核电厂绝大部分有超标缺陷的BOSS头焊缝已通过打磨去除缺陷后焊接返修、切割更换新BOSS头管座后重新焊接等方式完成了处理［3］。然而，部分BOSS头焊缝所处管道系统因无法隔离排水或返修窗口时间短，无法采用前述两种方式进行处理。尽管国内外已有管道焊缝带缺陷堆焊（Overlay）修复的技术和工程案例［4-10］，但该类案例多是在管道内部排空的情况下进行堆焊修复，不能满足部分BOSS头焊缝的维修需求，同时非标射线检验排查也存在诸多局限性［11］。国内部分单位针对BOSS头预制焊缝开展了相控阵超声检测技术的研究［1，12］，但针对堆焊返修焊缝的相控阵超声检测技术的相关研究报道较少。

本文通过不锈钢管道内部不带水、带水带压条件下BOSS头焊缝在线堆焊修复工艺试验，分析堆焊返修结构的焊缝成形、组织与性能情况，研究BOSS头堆焊返修焊缝的相控阵超声检验技术，分析堆焊后接头的残余应力分布状态，旨在为在运核电厂核级BOSS头焊缝的在线返修提供技术支撑，具有十分重要的工程意义。

1 试验材料和方法

1.1 BOSS头焊缝结构与材料

以核电厂不锈钢BOSS头焊缝为研究对象，母管外径273 mm，壁厚4 mm，BOSS头焊缝结构形式如图1所示。支管外径44mm，内径26mm，壁厚9 mm。母管、支管材料为满足RCC-M［13］M3304的Z2CN18-10奥氏体不锈钢，BOSS头管座材料为满足RCC-M M 3306的Z2CN18-10奥氏体不锈钢。BOSS头预制焊缝采用钨极惰性气体保护焊+焊条电弧焊方法进行焊接，坡口角度约为25°，焊接材料分别为ER316L和E316L，其化学成分和力学性能分别见表1、表2。

表1 焊接材料化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of welding filler materials（wt.%）

表2 焊接材料力学性能Table 2 Mechanical properties of welding materials

图1 BOSS头焊缝结构示意Fig.1 Structural diagram of BOSS weld

1.2 堆焊试验设计

根据目标BOSS头返修条件和要求，为减小焊接熔深（目标2 mm以内），避免堆焊时管道内部介质泄漏，选用热输入较小的钨极惰性气体保护焊工艺（GTAW）；为提升工艺对BOSS头结构适用性，选用手工堆焊方式；为控制焊接变形，堆焊顺序采用从支管向母管侧焊接，施焊顺序见图2。

图2 堆焊焊道施焊顺序示意Fig.2 Welding sequence of surfacing weld bead

为对比分析不同作业条件下的堆焊质量差异，确保堆焊层组织和力学性能满足要求，分别在无水状态、带水带压状态条件下进行目标BOSS头焊缝堆焊工艺试验，并在固化堆焊工艺参数后采用带预制缺陷的试验件（即在预制焊缝上钻贯通内外表面的小孔，然后外表面2 mm厚度范围焊接密封）开展堆焊试验，模拟预制焊缝内部存在缺陷接近贯穿的情况，验证所开发工艺在该极端条件下对BOSS头返修的适用性，不会出现冷却介质泄漏。

带水带压试验工况为：内部为含硼水介质，设计温度50℃，设计压力0.7 MPa，有轻微振动。

1.3 堆焊结构设计

根据BOSS头焊缝的结构尺寸，综合考虑RCCM 和ASME［15］（含相关Code Case）管道设计和在役返修相关要求，对目标BOSS头焊缝进行堆焊结构设计，确保堆焊修复结构满足强度及完整性要求，包括：（1）堆焊结构承载焊缝有效厚度大于结构强度设计要求的最小厚度。（2）堆焊厚度应满足压力所引起的总体一次薄膜应力强度的限制要求。（3）缺陷深度小于堆焊后壁厚的75%。（4）堆焊厚度应满足根据净截面塌陷理论及极限载荷准则计算的最小计算厚度要求。（5）堆焊长度应保证应力能在管道和堆焊层中重新分布，以满足一次局部和弯曲应力和二次峰值应力的限制。

经前期试验确定，本项目设计堆焊厚度6～9 mm，堆焊长度12～15 mm，堆焊层与两侧母材过渡夹角不超过45°。

1.4 超声波检验设备和探头

堆焊后应对BOSS头焊缝及堆焊层进行相控阵超声检验（PAUT）。先采用CIVA-UT软件，对目标BOSS头焊缝及堆焊层可检性进行模拟仿真，获得初步的工艺参数，然后通过专用的模拟试块进行试验验证和固化。采用TOPAZ（32/128PR）便携式PAUT仪器，根据目标BOSS头焊缝结构，探头选用自聚焦线阵、单晶线阵、双晶线阵以及柔性探头，探头频率2.25～5.0 MHz，采用R35自聚焦或者矩形晶片，以及AOD20～80 mm、凸型和水囊楔块，设计了专用扫查装置（见图3）。

图3 BOSS头焊缝及堆焊层PAUT检验示意Fig.3 Schematic diagram for PAUT inspection of BOSS welds and overlay

1.5 残余应力模拟和测试

BOSS头堆焊修复时，一方面堆焊层产生抗应力腐蚀开裂的新压力边界，另一方面，堆焊改善了焊缝残余应力分布，将焊缝金属中易发生应力腐蚀开裂的残余应力由拉应力变为轴向和环向应力，从而阻止应力腐蚀开裂的发生和后续生长［13］。为充分了解堆焊后BOSS结构内部残余应力分布，及验证目标BOSS头焊缝残余应力计算模型，在堆焊模拟试验过程中采用K型热电偶进行了焊接温度场测试。焊接完成后的试件采用切割法、轮廓法进行了残余应力测试。

2 试验结果与分析

2.1 堆焊工艺试验

堆焊试验主要工艺参数如表3所示，其他参数为：保护气体为99.9%氩气，气体流量8～15 L/min，焊接电压9～12 V，焊接设备为WSM-315D，占空比60%。相对于无水条件，带水带压条件下的焊接峰值电流略高，主要原因是背部带水条件下散热较快，熔池冷却速度加快，熔池铺展不充分，为保证焊接成形质量，焊接热输入相对无水条件大。

表3 堆焊主要工艺参数Table 3 Main welding parameters of overlay

在表3的焊接参数下，带水和无水条件下堆焊首层焊接熔深最大值分别为1.51 mm和1.99 mm，均可控制在2 mm的预期目标内（见图4）。可以看出，带水条件下的焊接熔深更小，这是因为其焊缝及热影响区的冷却速度相对无水条件更大，能量峰值更低。无水和带水条件下堆焊层及母材金相组织如图5、图6所示。可以看出，由于母材和焊材均为单一的奥氏体组织，在小的焊接热输入条件下，焊缝组织不会发生转变，仍为奥氏体组织，无异常组织。

图4 堆焊首层焊接熔深Fig.4 Weld penetration of the first layer of surfacing

堆焊熔敷金属力学性能如表4所示，无明显差异，均满足设计要求，并与对应母材匹配，主要原因是在相对较小的焊接热输入条件下，焊缝晶粒度大小相当（见图5、图6），因此其力学性能变化不大。同时，在带水带压条件下，对带预制缺陷试件采用上述工艺参数进行堆焊返修模拟试验，未出现冷却介质渗漏的情况。

图5 无水条件堆焊层及母材金相组织Fig.5 Metallographic structure of surfacing layer and base metal under water free condition

图6 带水条件堆焊层及母材金相组织Fig.6 Metallographic structure of surfacing layer and base metal under water condition

表4 熔敷金属力学性能Table 4 Mechanical properties of welding deposition

2.2 超声检验模拟仿真和试验

在PAUT技术开发过程中，本项目参照ASME规范较大直径（大于60 mm）的其他类似接管座焊缝在役检查要求，确定检查范围为内壁1/3厚度（常规UT检查）作为本项目研究的目标，RCC-M及RSEM规范无此类检查要求。

通过CIVA模拟仿真（见图7），确定目标BOSS头PAUT检验关键技术要求：探头频率2.25 MHz，单晶16线阵探头，预制焊缝的聚焦法则采用35°～70°扇形扫查，从BOSS头母管侧进行扫查。堆焊层的聚焦法则：声束偏转角度范围为-15°～+15°，从堆焊层表面进行扫查。模拟仿真结果表明，所有BOSS头预制焊缝可实现内壁1/3区域可检、60%的BOSS头预制焊缝可实现内壁2/3区域可检，不锈钢堆焊层100%可检验。

图7 BOSS头焊缝及堆焊层PAUT检验仿真示意Fig.7 Simulation diagram of PASS inspection for BOSS weld and overlay

带缺陷模拟试块相控阵超声检验试验结果表明，可实现预制焊缝内壁1/3厚度（部分为1/2厚度）范围内5 mm（长）×2 mm（高）×0.2 mm（宽）未熔合、直径2 mm气孔的100%有效检出。不锈钢BOSS头焊缝堆焊层区域中4 mm当量及以上的缺陷可有效检出，直径3 mm气孔无法检出，详见表5。

表5 BOSS头预制及堆焊焊缝模拟缺陷典型检查结果汇总Table 5 Summary of typical inspection results for simulated defects of BOSS head prefabrication and overlay welds

2.3 残余应力模拟和测试

针对堆焊试件采用轮廓法测量BOSS结构残余应力分布状态。首先对需要测量的截面进行切割，再采用超声波清洗设备清洗切割面，之后测量表面粗糙度，测点间距小于170 μm，扫描精度小于20 μm。扫描后获得的点云图、点云数据为切割面上的测点相对于基准面的位移量，再通过轮廓法分析模型算出切割面上的残余应力分布，如图8所示。

图8 焊接残余应力分布状态的对比分析Fig.8 Comparative analysis of distribution state of welding residual stress

由图8可知，管道内部通水明显影响了焊接传热过程，由于内部水冷作用，焊接热影响区减小，热循环时间缩短，压缩塑性变形区减小，焊接残余应力的分布范围产生了明显变化。无水状态下原始焊缝位置产生了明显向下凹的位移，而带水焊接时焊缝及支管位置呈明显向下的变形，因此形成了两种不同的应力状态。无水焊接时，原始焊缝中呈现低拉应力状态，堆焊位置处为压应力；带水焊接时，原始焊缝与堆焊焊缝大部分呈现不同程度压应力状态（蓝色区域），而压应力可以更好地抑制裂纹的扩展进而提高结构的安全性能。

通过有限元建模建立焊接残余应力模型，并使用实验数据对模型进行修正，进而使用快速断裂的方法对结构的完整性进行评价，结果表明两个试件经堆焊修复后均可满足核电站寿期内运营需求。带水条件进行的堆焊修复，由于产生了更多的压应力区域，对结构的安全评定产生了更多的积极作用。因此，通过堆焊修复方式可以有效抑制结构缺陷造成的影响，水冷方式下的堆焊可以更加有效地改善由堆焊修复方式引入的残余应力的分布状态，进一步提高安全性能。

3 结论

（1）采用手工GTAW焊接工艺可以实现薄壁不锈钢管道BOSS头焊缝带水带压条件下的在线堆焊返修，能有效避免管道内部冷却介质泄漏。

（2）PAUT技术可实现不锈钢BOSS头预制焊缝根部缺陷的排查，符合ASME规范类似角接接头针对根部1/3区域的在役监督要求。可实现返修堆焊层4 mm当量及以上的缺陷可有效检出，无法检出直径3 mm气孔型缺陷，还有待进一步研究。

（3）带水条件的堆焊能够更加有效地改善由堆焊修复引入的残余应力的分布状态，堆焊返修后BOSS头结构满足寿期内服役完整性要求。