凝汽器鈦管-板密封焊縫自動(dòng)焊修復(fù)工藝研究

趙永明，方江，徐忠峰，魯立，查萌，薛新才，李世偉，陶鈞，楊佳

1.中核核電運(yùn)行管理有限公司 浙江嘉興 314300

2.蘇州熱工研究院有限公司 江蘇蘇州 215004

1 序言

在核能發(fā)電中，凝汽器為核電站二回路中關(guān)鍵敏感設(shè)備，主要起冷卻作用，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響核電機(jī)組的可靠性。凝汽器管-板一般采用爆炸焊成形的復(fù)合鈦鋼板與鈦傳熱管連接的結(jié)構(gòu)，使用脹管加自熔氬弧焊的方法形成密封焊縫[1-5]，以保證密封效果。

由于冷卻水所攜帶的泥沙長期外力沖刷、二次濾網(wǎng)組件脫落造成的撞擊、上游設(shè)備脫落的小部件造成的沖擊，以及焊縫原始內(nèi)部缺陷等因素，在長時(shí)間運(yùn)行后，管-板密封焊縫出現(xiàn)了焊縫余高磨損、焊縫磕傷、焊縫裂紋及焊縫腐蝕等缺陷[6-8]，會(huì)嚴(yán)重影響凝汽器的安全運(yùn)行，甚至造成整個(gè)機(jī)組停運(yùn)。目前，凝汽器鈦管-板密封焊縫的現(xiàn)場修復(fù)一般采用手工氬弧焊修補(bǔ)的方式，普遍存在著修復(fù)過程二次污染、可靠性差及效率低等問題。隨著自動(dòng)焊控制技術(shù)和焊接工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，自動(dòng)焊現(xiàn)場維修技術(shù)逐步得到應(yīng)用。

本文采用自動(dòng)氬弧焊技術(shù)，對凝汽器鈦管-板密封焊縫進(jìn)行了自熔焊和填絲焊修復(fù)，通過無損檢測、宏觀形貌觀察及微觀組織分析等手段，評價(jià)了焊縫修復(fù)的質(zhì)量，形成了一整套凝汽器鈦管-板密封焊縫自動(dòng)修復(fù)工藝，為推動(dòng)自動(dòng)氬弧焊技術(shù)在凝汽器鈦管-板密封焊縫現(xiàn)場修復(fù)中的應(yīng)用提供了借鑒。

2 試驗(yàn)材料與方法

采用ASTM B265 Gr.1/ A516 Gr.70鈦復(fù)合板、ASTM B338 Gr.2鈦管作為試驗(yàn)材料，鈦管-板的化學(xué)成分見表1，鈦管外徑為25mm，長度為100mm，壁厚分別為0.5mm、0.7mm和1.0mm共3種規(guī)格。填絲焊修復(fù)填充材料采用直徑為0.8mm的ERTi-2焊絲，化學(xué)成分見表1。修復(fù)焊接位置為5F，采用直流正接法。

表1 鈦管-板及焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

焊接試驗(yàn)使用中核核電運(yùn)行管理有限公司和蘇州熱工研究院有限公司聯(lián)合開發(fā)的管-板自動(dòng)焊設(shè)備完成，自動(dòng)焊設(shè)備采用1套控制系統(tǒng)（含電源）和2種機(jī)頭的組合模式，機(jī)頭Model 1000實(shí)現(xiàn)鈦管-板密封焊縫模擬件制作和自熔焊修復(fù)，機(jī)頭Model 2000實(shí)現(xiàn)鈦管-板密封焊縫自動(dòng)填絲焊修復(fù)。

首先按照DL/T 1097—2008《火電廠凝汽器管-板焊接技術(shù)規(guī)程》完成模擬件的制作，其次在模擬件基礎(chǔ)上對鈦管-板密封焊縫進(jìn)行自動(dòng)自熔焊和自動(dòng)填絲焊修復(fù)。

2.1 模擬件制作

按照DL/T 1097—2008《火電廠凝汽器管-板焊接技術(shù)規(guī)程》，使用自動(dòng)化焊接裝備對鈦管-板進(jìn)行密封焊接，管-板組對如圖1所示，鈦管-板密封焊縫模擬件焊接參數(shù)見表2。引弧從11點(diǎn)位置開始，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周后在12點(diǎn)位置開始衰減，最后在3點(diǎn)位置收弧，如圖2所示。管-板清洗潔凈，脹管及焊接按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

圖1 管-板組對示意

圖2 起弧和收弧位置示意

表2 鈦管-板密封焊縫模擬件焊接參數(shù)

焊接完成后，對密封焊縫進(jìn)行滲透檢測，抽取部分焊縫進(jìn)行金相宏觀檢測和角焊縫厚度測定，以確定焊縫成形是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 自熔焊修復(fù)

在已焊接合格的鈦管-板密封焊模擬件上，使用硬質(zhì)合金磨頭對原始焊縫整圈打磨，打磨后余高控制在0～0.1mm，滲透檢測合格后，對接頭進(jìn)行清潔，然后使用管-板自熔焊機(jī)頭對密封焊縫進(jìn)行自熔焊修復(fù)，焊接參數(shù)見表3。為了增加熔深，可適當(dāng)調(diào)高焊接電流，但是在焊接將要完成階段可適當(dāng)降低焊接電流，防止過度熔化。

表3 鈦管-板密封焊縫自動(dòng)自熔焊修復(fù)焊接參數(shù)

2.3 填絲焊修復(fù)

在已焊接合格的鈦管-板密封焊模擬件上，使用硬質(zhì)合金磨頭對原始焊縫整圈打磨，直至完全清除原始密封焊縫。滲透檢測合格后，用白綢布沾濃度＞95%的酒精或丙酮擦洗接頭，管口清潔度以白綢布蘸酒精擦拭不染色為合格，然后使用管-板自動(dòng)填絲焊機(jī)頭對密封焊縫進(jìn)行自動(dòng)填絲焊修復(fù)，焊接參數(shù)見表4。為了增加熔深，可適當(dāng)調(diào)高焊接電流，但是在焊接將要完成階段可適當(dāng)降低焊接電流，防止過度熔化。

表4 鈦管-板密封焊縫自動(dòng)填絲焊修復(fù)焊接參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 無損檢測

焊接完成后，對焊縫進(jìn)行外觀目視檢測和滲透檢測。

1）目視檢測按照NB/T 47013.7—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第7部分：目視檢測》執(zhí)行，結(jié)果表明，焊縫表面顏色為銀白色，焊縫表面成形均勻，無裂紋、氣孔、未熔合、焊偏及管翻邊等缺陷，焊縫與母材圓滑過渡；模擬件焊縫余高為0.2～0.3mm，自熔焊修復(fù)后的焊縫余高為0.1～0.2mm，填絲焊修復(fù)后的焊縫余高為0.4～0.6mm；模擬件和自熔焊修復(fù)后的焊縫寬度為1.8～1.9mm，填絲焊修復(fù)后的焊縫寬度為2.6～2.9mm。

2）滲透檢測按照NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》執(zhí)行，結(jié)果無缺陷顯示。

3.2 宏觀金相

使用線切割方式，對鈦管-板模擬件焊縫、自熔焊修復(fù)焊縫和自動(dòng)填絲焊修復(fù)焊縫制取金相試樣，每個(gè)焊縫從起弧點(diǎn)位置順時(shí)針呈90°切取4個(gè)試樣。使用HF∶HNO3∶H2O＝2∶1∶17腐蝕液對金相試樣進(jìn)行腐蝕，然后采用VHX-1000E超景深三維顯微鏡對試樣進(jìn)行宏觀觀察，并對角焊縫厚度進(jìn)行測量。結(jié)果表明，所有焊縫無裂紋、未熔合、夾雜及氣孔等缺陷，如圖3～圖5所示。各類焊縫的角焊縫厚度值都均＞2/3的鈦管公稱壁厚，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表5。

圖3 模擬件焊縫宏觀金相照片

圖4 自熔焊修復(fù)焊縫宏觀金相照片

圖5 自動(dòng)填絲焊修復(fù)焊縫宏觀金相照片

表5 鈦管-板密封焊縫角焊縫厚度

3.3 顯微組織

使用金相顯微鏡，對鈦管-板模擬件焊縫、自熔焊修復(fù)焊縫和自動(dòng)填絲焊修復(fù)焊縫典型金相試樣進(jìn)行顯微組織觀察，焊接接頭的金相組織如圖6～圖8所示。結(jié)果表明，所有焊縫無裂紋、未熔合、夾雜、氣孔及氧化組織等缺陷。

圖6 0.5mm鈦管-板模擬件修復(fù)焊縫顯微金相組織

鈦管和鈦板母材為再結(jié)晶等軸α組織[9]。管-板焊接時(shí)，晶粒變粗，如圖6a、圖7a和圖8a所示；熔合線模糊，熱影響區(qū)與母材的交界線比較清晰，管-板熱影響區(qū)為粗大的鋸齒α晶粒和板條α晶粒，如圖6b、圖7b和圖8b所示。鈦管-板模擬件焊縫和自熔焊修復(fù)焊縫為鋸齒狀α組織和少量針狀α'組織，如圖6c和圖7c所示，在焊接過程中小的熱輸入能控制α'組織的生成量，提高焊接接頭的質(zhì)量，另外焊縫中允許存在少量針狀α'組織。圖8c所示為0.5mm鈦管-板自動(dòng)填絲焊修復(fù)后的焊縫組織，由于填絲的緣故，組織為粗大的α組織。

圖7 0.5mm鈦管-板自熔焊修復(fù)焊縫顯微金相組織

圖8 0.5mm鈦管-板自動(dòng)填絲焊修復(fù)焊縫顯微金相組織

4 結(jié)束語

采用管-板自動(dòng)焊工藝，對鈦管-板模擬件焊縫進(jìn)行了自熔焊修復(fù)和自動(dòng)填絲焊修復(fù)，通過分析焊接接頭的無損檢測結(jié)果、宏觀金相、角焊縫高度和顯微組織，可得出以下結(jié)論。

1）焊縫表面顏色為銀白色，焊縫表面成形均勻，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷；自熔焊和自動(dòng)填絲焊修復(fù)后的焊縫余高和焊縫寬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）宏觀金相、微觀組織中無焊接缺陷和氧化組織，各類焊縫的角焊縫厚度值均＞2/3的鈦管公稱壁厚，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3）針對現(xiàn)場鈦管-板密封焊縫受損狀況，對于焊縫輕微磨損、磕傷和腐蝕等缺陷，建議采用自動(dòng)自熔焊修復(fù)方式對原始焊縫進(jìn)行自熔補(bǔ)強(qiáng)；對于焊縫嚴(yán)重磨損、磕傷和腐蝕等缺陷，建議采用自動(dòng)填絲焊修復(fù)方式對原始焊縫進(jìn)行填絲補(bǔ)強(qiáng)。

4）開發(fā)的一整套凝汽器鈦管-板密封焊縫自動(dòng)修復(fù)工藝能夠滿足現(xiàn)場檢修的需求。

綜上所述，采用自動(dòng)自熔焊和自動(dòng)填絲焊修復(fù)工藝得到的鈦管-板密封焊接頭成形良好，組織中無焊接缺陷，角焊縫厚度值滿足要求，解決了手工修復(fù)過程中二次污染、可靠性差、效率低等問題。