反應(yīng)堆壓力容器水壓試驗后CRDM貫穿件J型密封焊縫PT缺陷的分析及預(yù)防措施

反應(yīng)堆壓力容器水壓試驗后CRDM貫穿件J型密封焊縫PT缺陷的分析及預(yù)防措施

摘要：核反應(yīng)堆壓力容器CRDM貫穿件與頂蓋的J型密封焊縫為反應(yīng)堆壓力容器結(jié)構(gòu)的重要組成部分，密封焊縫的質(zhì)量關(guān)乎整個容器的整體運(yùn)行安全。本文對某核電項目反應(yīng)堆壓力容器CRDM貫穿件與頂蓋的J型密封焊縫，在經(jīng)歷水壓試驗后再次出現(xiàn)了PT缺陷顯示（水壓試驗前已PT合格），這種鎳基焊縫表面反復(fù)出現(xiàn)缺陷情況進(jìn)行了現(xiàn)場研究及相關(guān)的理論論證，并制定出對應(yīng)的預(yù)防措施，從而避免這類焊縫反復(fù)出現(xiàn)缺陷顯示的情況再次發(fā)生。Keys：CRDM；J型密封焊縫；鎳基焊接；反應(yīng)堆壓力容器1概述核反應(yīng)堆壓力容器控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)（CRDM）貫穿件與頂蓋的J型密封焊縫見圖1，因其坡口形式復(fù)雜、空間曲面變化大，采用手工焊的方式進(jìn)行焊接，對焊接要求極為苛刻，手工焊焊接的焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，同時為采用鎳基合金材料進(jìn)行焊接，焊接難度大，容易出現(xiàn)各類型的焊接缺陷。某核電項目反應(yīng)堆壓力容器CRDM貫穿件與頂蓋J型坡口密封焊縫焊接后經(jīng)液體滲透檢驗（PT）發(fā)現(xiàn)了一定數(shù)量的表面缺陷，經(jīng)過返修處理后已全部清除干凈且PT合格。然而在經(jīng)歷水壓試驗后，對CRDM貫穿件J型焊縫表面進(jìn)行PT檢驗時，再次發(fā)現(xiàn)少量的表面缺陷顯示。針對這種情況進(jìn)行了產(chǎn)品現(xiàn)場研究以及相關(guān)的理論論證，通過對J型密封焊縫反復(fù)出現(xiàn)PT缺陷的原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并制定出對應(yīng)的預(yù)防措施，從而避免這類焊縫反復(fù)出現(xiàn)缺陷顯示的情況再次發(fā)生。圖1CRDM貫穿件與頂蓋J型焊縫示意圖[1]2原因分析某核電項目反應(yīng)堆壓力容器CRDM貫穿件與頂蓋J型坡口密封焊縫焊接后及水壓試驗后表面PT檢驗時反復(fù)出現(xiàn)表面微小缺陷。針對這一情況進(jìn)行了實(shí)際產(chǎn)品現(xiàn)場金相實(shí)試驗，通過金相試驗結(jié)果判定了缺陷的性質(zhì)，并結(jié)合鎳基合金焊接的特點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)的理論分析。2.1現(xiàn)場金相試驗結(jié)果與分析對某核電項目反應(yīng)堆壓力容器CRDM貫穿件與頂蓋J型坡口密封焊縫水壓試驗后的多處PT缺陷顯示部位進(jìn)行了現(xiàn)場金相試驗，金相照片如圖2所示。圖2J型鎳基密封焊縫表面缺陷金相照片（×100）通過現(xiàn)場金相照片可以確認(rèn)，缺陷長度尺寸較小，未呈現(xiàn)沿晶擴(kuò)展的特征，因此判定缺陷不是由于冶金因素和焊接工藝不當(dāng)造成的高溫低塑性裂紋，而是由于外界微小雜質(zhì)存在造成的局部開裂的行為，為微小夾雜缺陷。由于鎳基材料焊接的熔化特點(diǎn)，在焊接過程中熔池黏度大，流動性不好[2]，由于焊材、施焊環(huán)境等原因容易在焊縫中產(chǎn)生微小夾雜物，微小夾雜物通過超聲波探傷等手段是無法被發(fā)現(xiàn)的，若微小夾雜物顯露在焊縫表面時，進(jìn)行滲透檢驗時將會出現(xiàn)缺陷顯示。2.2鎳基合金焊接特點(diǎn)分析CRDM貫穿件J型密封焊縫由鎳基隔離層和鎳基密封焊縫組成，鎳基密封焊縫在容器進(jìn)行最終熱處理后在鎳基隔離層上進(jìn)行焊接，采用手工焊條電弧焊填充，手工氬弧焊進(jìn)行最終的角焊縫蓋面焊接，手工氬弧焊蓋面焊接時使用的焊材為ERNiCrFe-7焊絲，鎳基合金焊接時對P、S等雜質(zhì)元素非常敏感，ERNiCrFe-7焊絲的S元素含量控制在0.008%以下，P元素含量控制在0.020%以下，因此S、P元素的該焊縫的影響不大，可以排除焊材對金相照片中微小夾雜缺陷的影響。CRDM貫穿件J型密封焊縫角焊縫蓋面為分層焊接，大約焊接3層。根據(jù)鎳基合金焊接的特點(diǎn)，鎳基合金常溫材料在500℃高溫空氣中出現(xiàn)輕度氧化，當(dāng)溫度達(dá)到750℃時，則氧化加劇。由于鎳的氧化物熔點(diǎn)比鎳本身的熔點(diǎn)高出了近45％，即當(dāng)鎳熔化時（熔點(diǎn)1446℃）的時候，鎳的氧化物(熔點(diǎn)2090℃)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有到其熔點(diǎn)。所以，在鎳基合金焊接過程中，若焊道表面打磨、清理不充分時，焊道表面上沒有完全被清除的氧化鎳及清理不當(dāng)所殘留的雜質(zhì)在下層焊道焊接時，將會摻雜在焊接熔池中，從而形成夾雜或細(xì)小的不連續(xù)氧化物。[3]因此，當(dāng)CRDM貫穿件J型密封焊縫近焊縫表面焊接時，近焊縫表面的焊道表面打磨清理不夠徹底，使得焊道表面的氧化物或殘留雜質(zhì)沒能得以去除干凈，繼續(xù)焊接時氧化物或雜質(zhì)摻雜進(jìn)入熔池中就形成了微小夾雜等缺陷。由于焊接過程中焊道清理不夠徹底，導(dǎo)致這類缺陷數(shù)量較多，超聲波檢測的方法無法發(fā)現(xiàn)這類微小夾雜物。當(dāng)焊縫進(jìn)行表面打磨時，這類微小夾雜物顯露焊縫表面，液體滲透檢測時將會有缺陷顯示。這種缺陷一般深度較淺（零點(diǎn)幾毫米）采用拋磨的方式即可去除，但往往需要進(jìn)行多輪的拋磨+滲透檢驗，才能夠充分去除。所以，部分隱與焊縫淺表面的微小夾雜缺陷在水壓試驗前檢測時未能發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷水壓試驗時，由于水壓試驗時將會受到各種形式力的作用，導(dǎo)致淺表缺陷會浮出焊縫表面，從而導(dǎo)致水壓后滲透檢驗時有缺陷影像顯示。3預(yù)防措施根據(jù)上述的原因分析，為了避免CRDM貫穿件J型焊縫表面反復(fù)出現(xiàn)深度較淺的微小夾雜缺陷，在焊接過程中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：1）焊縫近表層焊接時，焊道清理應(yīng)徹底，必要時增加過程中液體滲透檢驗，避免出現(xiàn)氧化物或雜質(zhì)清理不徹底的情況，從而導(dǎo)致再次施焊時氧化物無法溶解在熔池中且浮出熔池表面。2）鎳基焊絲使用時，針對焊絲表面的清潔度也因進(jìn)行控制，不應(yīng)有灰塵、油污、汗?jié)n等，從而避免這些雜質(zhì)混入熔池中或參與冶金反應(yīng)形成氧化物。3）鎳基焊接時應(yīng)在良好的環(huán)境中進(jìn)行，避免空氣中大量雜質(zhì)混入熔池及參與熔池冶金反應(yīng)。四、結(jié)論通過對某核電項目反應(yīng)堆壓力容器CRDM貫穿件與頂蓋的J型密封焊縫水壓試驗后PT缺陷顯示的原因進(jìn)行現(xiàn)場金相研究及相關(guān)理論分析，判定缺陷為微小夾雜缺陷，缺陷深度較淺可拋磨去除，這類微小夾雜物熔點(diǎn)較高，無法被熔池溶解，近焊縫表層焊道打磨清理不夠徹底時，這類微小夾雜物最終將出現(xiàn)于焊縫最終層表面，這類微小夾雜物缺陷在焊縫最終表面時會出現(xiàn)反復(fù)不盡的情況，需要多輪拋磨才能徹底去除。通過對這種缺陷形成機(jī)理的研究，制定出有效的預(yù)防措施，可以有效避免J型鎳基焊縫反復(fù)出現(xiàn)PT缺陷顯示的情況發(fā)生，這對后續(xù)相同產(chǎn)品或同類型產(chǎn)品的焊接具有一定的參考意義和指導(dǎo)意義。Reference[1]孫永紅,高俊根,吳義黨,李志杰等.焊接機(jī)器人在核反應(yīng)堆壓力容器頂蓋焊接中的應(yīng)用及分析[J].電焊機(jī),2