基于自動(dòng)脈沖TIG焊的核級(jí)閥門管道焊接工藝

譚 勇，薛敬凱，何子昂，羅緒珍，王成林

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽314300；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610041）

基于自動(dòng)脈沖TIG焊的核級(jí)閥門管道焊接工藝

譚 勇1，薛敬凱2，何子昂2，羅緒珍2，王成林1

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽314300；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610041）

針對(duì)核電廠運(yùn)行期間核一級(jí)手動(dòng)截止閥唇邊焊易發(fā)生泄露的風(fēng)險(xiǎn)，要求閥門需要進(jìn)行整體更換，分別對(duì)核級(jí)閥門兩種規(guī)格的接頭開(kāi)展自動(dòng)脈沖TIG焊接工藝研究，并對(duì)焊后的試件進(jìn)行滲透、X射線探傷等無(wú)損檢驗(yàn)和拉伸、彎曲、金相、化學(xué)分析和晶間腐蝕等破壞性檢驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，壁厚2.77 mm的焊接接頭拉伸力平均值為564 MPa，斷后伸長(zhǎng)率平均值為39.25%；壁厚8.7 mm的焊接接頭拉伸力平均值為612 MPa，斷后伸長(zhǎng)率平均值為46.75%，兩種壁厚的焊接接頭均具有良好的力學(xué)性能，面彎試驗(yàn)和背彎試驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)裂紋，彎曲性能良好；壁厚2.77 mm接頭的金相組織主要是板條狀鐵素體，壁厚8.7 mm接頭的金相組織主要以樹(shù)枝狀鐵素體為主；兩種壁厚的焊接接頭中熔敷金屬的化學(xué)成分經(jīng)檢驗(yàn)均滿足技術(shù)條件的規(guī)定；采用彎曲法進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)兩種規(guī)格的接頭均無(wú)晶間腐蝕傾向。

核電廠；核級(jí)閥門；自動(dòng)脈沖TIG

0 前言

核電廠核一級(jí)手動(dòng)截止閥是安裝于核島一回路的閥門，采用螺紋連接該閥門的閥體和閥蓋，通過(guò)金屬墊片保證閥體和閥蓋間的密封，同時(shí)施以唇邊焊防止介質(zhì)泄漏，如圖1所示。國(guó)內(nèi)福清核電1號(hào)機(jī)組在熱試一階段熱停堆平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)5臺(tái)核一級(jí)手動(dòng)截止閥唇焊開(kāi)裂，熱試一階段結(jié)束后目視檢查1號(hào)機(jī)組約700臺(tái)截止閥，發(fā)現(xiàn)其中6臺(tái)閥門中的法蘭唇焊接處存在硼結(jié)晶。在發(fā)現(xiàn)泄漏的11臺(tái)閥門中，9臺(tái)為測(cè)溫旁路隔離閥。熱試二階段，測(cè)溫旁路1臺(tái)隔離閥再次發(fā)生唇焊開(kāi)裂。1號(hào)機(jī)組裝料后達(dá)熱停堆平臺(tái)時(shí)，測(cè)溫旁路1臺(tái)隔離閥唇焊再次開(kāi)裂。機(jī)組運(yùn)行后，如發(fā)生大規(guī)模閥門唇邊焊泄漏，可能帶來(lái)一回路不可識(shí)別泄漏率超標(biāo)及測(cè)溫旁路不可用導(dǎo)致的核安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 閥門結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of valve structure

為避免閥門運(yùn)行期間唇邊焊泄漏，提高機(jī)組的可靠性和安全穩(wěn)定性，核電廠對(duì)核一級(jí)手動(dòng)截止閥進(jìn)行切割更換。由于現(xiàn)場(chǎng)空間位置有限，有些位置人員不可達(dá)，且環(huán)境輻射劑量高，工作環(huán)境不適合手工焊接。自動(dòng)脈沖焊具有熱輸入量小、工作效率高、可遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于核島內(nèi)高輻射環(huán)境下的管道焊接。

針對(duì)核電機(jī)組高輻照環(huán)境下閥門管道的焊接，采用自動(dòng)脈沖TIG焊，對(duì)手動(dòng)截止閥進(jìn)行了自動(dòng)焊接工藝試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為06Cr19Ni10，閥門進(jìn)口管道壁厚8.7 mm，出口管道壁厚2.77 mm，根據(jù)RCC-M（2000+ 2002補(bǔ)遺）法國(guó)壓水堆核電站核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與監(jiān)造法則的規(guī)定，焊件尺寸分別設(shè)計(jì)為150 mm× 60.3 mm×8.7 mm與150 mm×60.3 mm×2.77 mm，焊材為ER316L，規(guī)格為φ1.0 mm，母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分Table1Chemicalcompositionofbasemetalandwelding

表2 母材和焊絲的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of base metal and welding

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 焊接設(shè)備與方法

試驗(yàn)在POLYSOUDE自動(dòng)焊機(jī)上進(jìn)行，焊后對(duì)焊接接頭進(jìn)行滲透、X射線、金相、室溫拉伸、彎曲試驗(yàn)、熔敷金屬化學(xué)分析、δ鐵素體與晶間腐蝕試驗(yàn)，利用OLYMPUS OLS40-SU顯微鏡觀察接頭金相組織并拍照，拉伸試驗(yàn)與拉伸試驗(yàn)均在WDW-100C型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸試驗(yàn)的形狀尺寸參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2651-2008，彎曲試驗(yàn)的形狀尺寸參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2653-2008，晶間腐蝕按照GB/ T 4334-2008進(jìn)行取樣和試驗(yàn)。試驗(yàn)的判定標(biāo)準(zhǔn)按照RCC-M（2000+2002補(bǔ)遺）法國(guó)壓水堆核電站核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與監(jiān)造法則執(zhí)行。

1.2.2 焊接參數(shù)設(shè)計(jì)

在脈沖TIG焊接中，峰值電流起熔化焊絲打開(kāi)熔池的作用，基值電流起穩(wěn)弧作用。脈沖焊接中，焊接熱輸入主要考慮峰值電流。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基值電流太小時(shí)，電弧容易熄滅，即使不熄滅，電弧在由峰值轉(zhuǎn)向基值時(shí)燃燒也不穩(wěn)定。峰值電流太大時(shí)，熱輸入量大，焊縫的熱影響區(qū)會(huì)變寬，周圍晶粒變粗，對(duì)焊縫的力學(xué)性能不利。

根據(jù)試驗(yàn)件壁厚的不同，在頻率一致的情況下，分別設(shè)定焊接參數(shù)，如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 滲透檢驗(yàn)

按照RCC-M S7714.1節(jié)的規(guī)定，對(duì)焊縫金屬和每側(cè)寬度不小于15 mm的焊縫兩側(cè)相鄰母材區(qū)域進(jìn)行滲透檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)任何線性顯示和圓形顯示，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.2 X射線檢驗(yàn)

按照RCC-M S7714.3的規(guī)定，對(duì)焊接試件進(jìn)行X射線探傷，未發(fā)現(xiàn)任何氣孔、未熔合、裂紋等缺陷，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.3 金相檢驗(yàn)

奧氏體不銹鋼焊縫中的顯微組織由結(jié)晶方式及鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)化的固態(tài)相變共同決定，而結(jié)晶方式和固態(tài)相變最終隨著Creq/Nieq和冷速的增加，鐵素體形態(tài)由骨架狀向蠕蟲(chóng)狀過(guò)渡。雖然受到元素偏析造成局部Creq/Nieq不同的影響，但主要原因是焊縫不同位置處冷速不同所致。焊縫中部冷速最慢，溫度梯度小，鐵素體以骨架狀為主；焊縫偏離中心處冷速慢，鐵素體以板條狀或樹(shù)枝狀為主，熔合區(qū)附近以蠕蟲(chóng)狀為主[2-5]。

兩種壁厚規(guī)格的接頭的焊縫區(qū)微觀組織如圖2所示，壁厚2.77 mm的試件焊縫區(qū)微觀組織主要為板條狀δ-鐵素體，壁厚8.7 mm的試件焊縫區(qū)微觀組織主要為樹(shù)枝狀與蠕蟲(chóng)狀δ-鐵素體，這說(shuō)明壁厚2.77 mm試件焊接過(guò)程中焊縫區(qū)散熱速度較快，生成以板條狀為主的δ-鐵素體；壁厚8.77 mm試件焊接過(guò)程中焊縫區(qū)散熱速度較慢生成以樹(shù)枝和蠕蟲(chóng)狀為主的δ-鐵素體，圖中黑色部分為δ-鐵素體，白色部分的為奧氏體基體。

圖2 焊縫微觀組織Fig.2 Microstructures of welded joints

2.4 拉伸試驗(yàn)

焊接接頭的拉伸性能測(cè)試結(jié)果如表4所示，δ= 2.77 mm的試件拉伸強(qiáng)度平均值為564 MPa，δ= 8.7 mm的試件拉伸強(qiáng)度平均值為612 MPa，均高于母材抗拉強(qiáng)度的下限值520 MPa；δ=2.77 mm的試件斷后伸長(zhǎng)率平均值為39.25%，δ=8.7 mm的試件斷后伸長(zhǎng)率平均值為46.75%，兩種試件的焊接接頭均具有良好的拉伸性能。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Result of tensile test

對(duì)焊接接頭的拉伸斷口進(jìn)行掃描試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。圖3a為δ=2.77 mm的拉伸試件斷口宏觀掃描形貌和微觀掃描形貌，未見(jiàn)明顯的可視性缺陷，斷口色澤灰暗，可以明顯地觀察到纖維區(qū)，中心有很多大小不一的韌窩，為韌性斷裂；圖3b為δ=8.7 mm的拉伸試件斷口宏觀掃描形貌與微觀掃描形貌，斷口同樣由許多大小不一的韌窩組成，其中部分凹坑較大，為韌性斷裂。

圖3 拉伸試件斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of tensile samples

2.5 彎曲性能

對(duì)兩種規(guī)格的試件進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。經(jīng)面彎試驗(yàn)與背彎試驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)裂紋，說(shuō)明焊接接頭具有良好的彎曲性能。

表5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Result of bending test

2.6 熔敷金屬化學(xué)分析

采用表3所示的焊接參數(shù)在管件上堆焊熔敷金屬，對(duì)熔敷金屬進(jìn)行車削加工，并對(duì)削屑進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果如表6所示。

由表6可知，各元素的實(shí)測(cè)值均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求內(nèi)，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表6 化學(xué)分析試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Result of chemical test %

2.7 晶間腐蝕試樣

晶間腐蝕按照GB/T 4334-2008 E進(jìn)行取樣，采用彎曲法進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表7所示，均無(wú)晶間腐蝕傾向。

3 結(jié)論

（1）核一級(jí)手動(dòng)截止閥所對(duì)應(yīng)的兩種規(guī)格的自動(dòng)脈沖焊接接頭均具有較好的力學(xué)性能，δ=2.77 mm的試件拉伸強(qiáng)度平均值為564 MPa，δ=8.7 mm的試件拉伸強(qiáng)度平均值為612 MPa，均高于母材抗拉強(qiáng)度值520 MPa；δ=2.77 mm的試件斷后伸長(zhǎng)率平均值為39.25%，δ=8.7 mm的試件斷后伸長(zhǎng)率平均值為46.75%；經(jīng)面彎與背彎試驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)裂紋；對(duì)斷口進(jìn)行電鏡掃描，均呈韌性斷裂狀態(tài)。

（2）不銹鋼脈沖焊接頭組織為奧氏體和鐵素體，δ=2.77 mm的試件金相組織以板條狀鐵素體為主，δ=8.7 mm的試件金相組織以樹(shù)枝狀鐵素體和蠕蟲(chóng)狀鐵素體為主。

表7 晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Result of intergranular corrosion test

（3）焊縫熔敷金屬經(jīng)化學(xué)分析，各項(xiàng)化學(xué)元素均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。

（4）采用彎曲法對(duì)兩種規(guī)格的試樣進(jìn)行晶間腐蝕，試件均無(wú)晶間腐蝕傾向。

[1]楊春利，林三寶.電弧焊基礎(chǔ)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

2]董強(qiáng)，許鴻吉，謝明.06Cr19Ni10不銹鋼CMT焊接接頭組織與性能的研究[J].兵器材料科學(xué)與工程，2016，39（4）：78-81.

[3] 魏星，劉德鎮(zhèn).奧氏體鋼焊接區(qū)域的金相組織及掃描電鏡分析[J].山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，29（2）：183-187.

[4]鄭韶先，杜寶峰，韓峰，等.1Cr18Ni9Ti不銹鋼超窄間隙焊接接頭組織與性能分析[J].稀有金屬材料與工程，2015，44（10）：2454-2458.

[5] 何芬，屈金山，張德遠(yuǎn)，等.不同焊接方法下316L不銹鋼焊接接頭組織性能研究[J].金屬鑄鍛焊技術(shù)，2010，39（23）：179-182.

Page 83不易產(chǎn)生冷裂紋。其中第1～4焊道硬度較大，主要是由于焊道較窄，C元素?cái)U(kuò)散進(jìn)焊縫，且Cr、Ni等合金元素稀釋較嚴(yán)重，奧氏體晶粒細(xì)化，組織較細(xì)小，其次后續(xù)焊道多次對(duì)其進(jìn)行熱處理，提高了其硬度；第5～8焊道采用的焊接線能量較高，冷卻速度慢，奧氏體晶粒較大，且均勻分布在奧氏體間的鐵素體含量減少，使其硬度值較小。

圖4 熔合線兩側(cè)化學(xué)成分分布

圖5 焊接接頭各焊道硬度值

3 結(jié)論

（1）復(fù)合板焊縫組織均為奧氏體加少量鐵素體，其中TIG打底焊道組織中鐵素體含量較高，鎳基焊道組織中鐵素體含量較少。基層焊道熔合線附近無(wú)明顯脫碳層，且未生成脆硬的馬氏體或者魏氏體組織。Cr、Ni和Mo在基層焊縫熔合線附近未發(fā)生明顯稀釋，C元素存在一定量的擴(kuò)散，但未對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能造成明顯不利影響。

（2）復(fù)合板鎳基焊接接頭拉伸、彎曲和沖擊性能均滿足使用性能要求，焊接接頭各焊道硬度均低于350 HV10，不易產(chǎn)生冷裂紋。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊江，王斌，王維，等.Q345/IN825復(fù)合板焊接接頭組織與性能[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2016，37（1）：150-156.

[2] 呂世雄，王廷，馮吉才.20G/316L雙金屬?gòu)?fù)合管弧焊接頭組織與性能[J].焊接學(xué)報(bào)，2009，30（4）：93-96.

[3]劉雙宇，張宏，劉鳳德，等.CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化[J].焊接學(xué)報(bào)，2011，32（10）：61-64.

[4] 王成剛，何凡.異種鋼焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力及其松弛行為[J].焊接技術(shù)，2016（4）：66-69.

[5]王文先，王一峰，劉滿才，等.1Cr18Ni9Ti+Q235復(fù)合鋼板對(duì)接焊縫組織和抗腐蝕性能分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2010，31（6）：89-92.

[6] 李立英，王成，韓彬，等.L415/316L復(fù)合管免充氬焊接接頭組織與性能[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2014，35（s2）：125-130.

[7] 王斌，周翠，楊笠，等.L415M管線鋼熱煨彎管裂紋分析[J].金屬熱處理，2013，38（8）：123-127.

[8]王鳳會(huì)，劉立偉，陳延清，等.Q345R/316L復(fù)合板雙面焊接工藝優(yōu)化及其接頭性能研究[J].焊管，2016，39（3）：20-24.

[9]王斌，王維，雷菠菠，等.Q345/N08825雙金屬?gòu)?fù)合板焊接接頭沖擊韌性分析[J].熱加工工藝，2016（1）：247-250.

Welding technology of nuclear grade valve pipeline based on automatic pulse TIG welding

TAN Yong1，XUE Jingkai2，HE Ziang2，LUO Xuzhen2，WANG Chenglin1
（1.CNNC Nuclear Power Operations Management Company，Haiyan 314300，China；2.Science and Technology on Reactor Fuel and Materials Laboratory，Nuclear Power Institute of China，Chengdu 610041，China）

Aiming at the risk during the operation of nuclear power plants nuclear level manual valve is easy to leak，need to replace the whole of the valve，the joint of nuclear grade valve 2 specifications were carried out automatic pulse TIG welding of butt welded specimens and the penetration，X ray inspection and nondestructive inspection etc.the tensile，bending，metallographic examination，chemical analysis of damage and intergranular corrosion test.The test results show that 2.77 mm welding joint tensile value is 564 MPa and the average elongation is 39.25%8.7 mm，the welding joint tensile mean value is 612 MPa and the average elongation is 46.75%，2 kinds of wall thickness of welded joints have good mechanical properties；the bending test，2 kinds of wall thickness the welding joint face bend test and back bending test are not found in cracks，both joints have good bending performance；microstructure of 2.77 mm joints is mainly lath shaped ferrite and microstructure of 8.7 mm joints mainly in dendritic ferrite;chemical composition of weld metal in welded joints of 2 kinds of wall the thickness of the inspected shall meet the technical conditions required；for intergranular corrosion test by bending method，the two kinds of joints have no tendency of intergranular corrosion.

nuclear plant；nuclear grade valve；automatic pulse TIG welding

TG457

A

1001－2303（2017）08－0109-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.21

2017-05-23

譚 勇（1973—），男，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事核電廠機(jī)械設(shè)備管理工作。E-mail：tany@cnnp.com.cn。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：譚勇，薛敬凱，何子昂，等.基于自動(dòng)脈沖TIG焊的核級(jí)閥門管道焊接工藝[J].電焊機(jī)，2017，47（08）：109-113.