針對(duì)核電機(jī)組凝汽器不銹鋼管管板封口焊前期項(xiàng)目生產(chǎn)過程及現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題進(jìn)行了梳理和總結(jié)，分析其原因，并從清潔度控制、焊接參數(shù)優(yōu)化、工藝參數(shù)調(diào)節(jié)試板的應(yīng)用、焊縫成形及進(jìn)深值控制提出了技術(shù)改進(jìn)措施，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果，為國(guó)內(nèi)核電凝汽器不銹鋼管管板封口焊焊接工藝的改進(jìn)提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。
核電機(jī)組凝汽器是凝汽式汽輪機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分和輔機(jī)部套之一，是電力熱力循環(huán)中的重要一環(huán)，對(duì)整個(gè)電廠的建設(shè)和安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有著決定性影響。凝汽器管束模塊封口焊工藝是凝汽器制造過程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，同時(shí)也是對(duì)機(jī)組運(yùn)行影響最大的重要工序，其因?yàn)楣芸跀?shù)量巨大（以紅沿河核電項(xiàng)目為例，單臺(tái)機(jī)組共6個(gè)凝汽器模塊，單個(gè)模塊19 444個(gè)管口），對(duì)焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性提出了非常高的要求。中廣核工程公司前期核電項(xiàng)目的凝汽器封口焊發(fā)生了很多質(zhì)量問題，給設(shè)備的制造及現(xiàn)場(chǎng)安裝均帶來(lái)了很大沖擊，尤其是在核電現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行返修難度大、工期長(zhǎng)、返修成本居高不下。為了切實(shí)提高凝汽器封口焊質(zhì)量，中廣核工程公司對(duì)前期項(xiàng)目質(zhì)量問題進(jìn)行了原因分析，并對(duì)凝汽器封口焊焊接工藝進(jìn)行了改進(jìn)。
1凝汽器管束封口焊結(jié)構(gòu)及焊接工藝
百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組凝汽器主要利用冷卻水冷凝汽輪機(jī)乏汽，其主要結(jié)構(gòu)包括殼體、排汽頸、管束模塊、水室等，管束模塊尺寸一般為16 m伊4 m伊5 m（長(zhǎng)伊高伊寬），管板一般為鈦復(fù)合板，冷卻管為鈦管，采用脹接+密封焊的方式連接。管束的制造工藝包括穿管、脹管、脹焊等重要工序，脹焊又稱封口焊，采取不填絲自動(dòng)氬弧焊焊接工藝，凝汽器管束封口焊的結(jié)構(gòu)示意見圖1，焊接工藝重要參數(shù)見表1。
2凝汽器封口焊焊接問題分析及工藝改進(jìn)
2.1凝汽器封口焊缺陷統(tǒng)計(jì)
以前期核電項(xiàng)目為分析對(duì)象，凝汽器管束封口焊焊縫缺陷中氣孔缺陷最多，其他缺陷主要是波紋缺陷、裂紋缺陷和翻邊缺陷，同時(shí)存在成型不良和脹管劃痕缺陷，嶺澳和紅沿河項(xiàng)目的缺陷情況見表2、表3，典型缺陷特征見圖2。在凝汽器的制造過程中，封口焊進(jìn)深質(zhì)量問題也是突出問題，紅沿河項(xiàng)目的凝汽器管束封口焊進(jìn)深值不合格情況見表4，封口焊進(jìn)深值示意見圖3。
2.2凝汽器封口焊缺陷原因分析
2.2.1氣孔產(chǎn)生的缺陷原因
凝汽器管束封口焊發(fā)現(xiàn)的圓形顯示基本是氣孔，在各類缺陷中占比最高，雖然凝汽器脹焊已經(jīng)建立了專門的清潔室，但在鈦-管板焊接時(shí)，母材、氬氣及污染物中的O 2、N 2、H 2、CO 2、H 2 O都會(huì)引起氣孔，其中氫是引起氣孔的主要?dú)怏w。其形成機(jī)理是：熔池中溶入了大量的氫，在熔池移動(dòng)、冷卻、凝固過程中以氫氣的形式向外逸出，一些來(lái)不及逸出的氫氣將形成氣孔。因鈦管-板焊接前有清理、穿管和脹管等多道工序，均可能影響焊口清潔度。如在管-板脹接前，鈦管與復(fù)合板管孔表面清洗不徹底，殘留防銹油、灰塵等雜質(zhì)，脹接后便封閉在鈦管與復(fù)合板孔壁之間。鈦管-板焊接時(shí)熔池中產(chǎn)生的氫氣來(lái)不及向外逸出，形成氣孔。另外空氣潮濕和氬氣純度不夠也是導(dǎo)致焊接中出現(xiàn)氣孔的原因。
2.2.2翻邊、波紋、裂紋、氧化缺陷原因分析
在凝汽器管束封口焊接過程中，翻邊、波紋、裂紋、氧化、燒損等缺陷時(shí)有發(fā)生，也是封口焊典型缺陷，主要與焊接參數(shù)不合理和焊接操作管理不足關(guān)聯(lián)較大。焊接工藝參數(shù)設(shè)置不合理是導(dǎo)致其出現(xiàn)裂紋和氧化的主要原因，焊接及檢驗(yàn)過程質(zhì)量控制不嚴(yán)格是出現(xiàn)翻邊和燒損的主要原因，尤其是在焊接過程中，焊接操作工容易產(chǎn)生視覺疲勞、操作疲勞，波紋缺陷則主要與鎢極離鈦管外壁表面距離過近相關(guān)。
2.2.3脹接不均勻、劃痕產(chǎn)生的缺陷原因分析
凝汽器管束脹管數(shù)量巨大，在脹管過程中，若個(gè)別脹珠損壞，容易導(dǎo)致部分管板孔脹接后存在橢圓現(xiàn)象，造成脹接不均勻現(xiàn)象。
凝汽器管束在脹管工序后，會(huì)使用切管機(jī)和平管機(jī)進(jìn)行切管和平管，由于切管機(jī)和平管機(jī)定位芯套材質(zhì)為黃銅，易劃傷鈦管，另外芯套直徑偏小，當(dāng)其在鈦管內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，易在定位芯套外與鈦管間嵌入鐵屑，也會(huì)劃傷鈦管。
2.2.4封口焊成形不良及進(jìn)深值不足原因分析
凝汽器管束封口焊進(jìn)深值可理解為焊縫最小厚度。ASME標(biāo)準(zhǔn)中要求鈦管封口焊縫的進(jìn)深值應(yīng)不小于管壁厚度。長(zhǎng)期以來(lái)，凝汽器封口焊焊縫成形不良以及進(jìn)深值不足等問題是制約封口焊質(zhì)量的重要因素，經(jīng)分析類似質(zhì)量問題往往受焊接位置、工裝機(jī)具、制造工藝等影響，特別是產(chǎn)品焊縫見證件進(jìn)深不足將對(duì)產(chǎn)品焊縫造成巨大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。基于前期項(xiàng)目質(zhì)量問題，該類型缺陷產(chǎn)生原因具體分析如下：
（1）焊肉分布半徑偏大。
鈦管-板焊縫剖面的超景深檢測(cè)圖片顯示，鈦管-板焊縫的外形整體較為飽滿，圓弧狀焊縫表面曲線相關(guān)未熔合點(diǎn)整體呈扇形。但焊縫整體位置距離管孔中心半徑較大，即焊縫內(nèi)圈表面離未熔合點(diǎn)距離較短，通常在該方向上，進(jìn)深值不合格，如果能在焊肉量不變的基礎(chǔ)上，使得整個(gè)圓周上焊肉分布向鈦管中心靠攏，即焊肉相對(duì)未熔合點(diǎn)呈均勻分布，可增大鈦管-板焊縫的進(jìn)深值，見圖4。鈦管-板自動(dòng)旋轉(zhuǎn)氬弧焊接時(shí)，鎢極距鈦管外壁表面距離是影響這一因素的關(guān)鍵，鎢極距鈦管外壁距離偏大時(shí)，鈦管-板焊縫進(jìn)深值容易不合格，過近焊縫表面則出現(xiàn)波紋缺陷及成形不良缺陷。
（2）熔敷金屬量不足。
因鈦管-板焊接采用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)氬弧焊自熔焊接工藝，無(wú)焊接材料填充。如果參與自熔焊接的鈦金屬量不足，會(huì)導(dǎo)致熔敷金屬量不夠，從而造成進(jìn)深值不夠及成形不良。通過觀察現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，發(fā)現(xiàn)存在以下幾種影響熔敷金屬量的情況：
a.換熱管端部在焊接前經(jīng)過平管工序加工及去毛刺后，會(huì)使末端存在一個(gè)45毅倒角，導(dǎo)致母材金屬量不足。
b.脹管后，鈦管伸出長(zhǎng)度不足。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)已脹管待焊管的凝汽器殼體模塊進(jìn)行測(cè)量、統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)鈦管伸出鈦面的長(zhǎng)度非常不均勻，為0.2~0.5 mm，不能滿足工藝中要求的最佳值0.5 mm。
3凝汽器封口焊工藝改進(jìn)及成效
在實(shí)際生產(chǎn)過程中，封口焊質(zhì)量缺陷具有產(chǎn)生頻率高、隨機(jī)性大、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性差的特點(diǎn)。針對(duì)缺陷產(chǎn)生機(jī)理和大量參數(shù)試驗(yàn)，從清潔度控制、焊接進(jìn)深值控制、焊接參數(shù)優(yōu)化、工藝參數(shù)調(diào)節(jié)試板的應(yīng)用提出工藝改進(jìn)措施。
3.1封口焊清潔度控制
（1）端管板組件裝焊前檢查清潔度。端管板來(lái)料時(shí)，仔細(xì)檢查管孔內(nèi)的銹蝕與防銹油涂抹情況，如有銹蝕或防銹油涂抹量不足，則在端管板組件裝焊前對(duì)其進(jìn)行清理和補(bǔ)涂防銹油。
（2）端管板組件裝焊時(shí)保護(hù)管孔區(qū)域清潔度。端管板組件裝焊時(shí)，先在端管板碳鋼側(cè)管束區(qū)域內(nèi)表面貼一層附膜防銹紙，在防銹油作用下，防銹紙會(huì)與管板表面緊密貼合，將管孔徹底保護(hù)起來(lái)，確保無(wú)飛濺和粉塵進(jìn)入管孔。
（3）端管板組件裝焊后，管孔區(qū)域補(bǔ)涂防銹油。端管板裝焊完成后，先用管道壓縮氣體吹干凈碳鋼層表面與管孔內(nèi)壁表面的灰塵與雜質(zhì)，仔細(xì)清洗后，在整個(gè)管孔區(qū)域內(nèi)仔細(xì)涂覆防銹油，杜絕留下盲區(qū)，見圖5。
（4）采用“隨擦隨穿、隨擦隨脹、隨擦隨焊”的方式，保證管束區(qū)域清潔度。
清潔度對(duì)鈦管-板焊接質(zhì)量的影響極大，無(wú)論是前工序穿管工序、脹管工序和焊接前，均需清理干凈雜質(zhì)。驗(yàn)收時(shí)以用白布擦拭20個(gè)以上待焊管孔不變黑為清潔度合格依據(jù)，有效保證焊前清潔度。
（5）封口焊焊接預(yù)熱后，采用電吹風(fēng)熱風(fēng)對(duì)待焊管口進(jìn)行吹掃，有效去除水汽、灰塵及其他雜質(zhì)，從而消除原高壓管道氣吹掃帶來(lái)的水、油等污染風(fēng)險(xiǎn)。
3.2焊縫成形及進(jìn)深值控制措施
（1）控制鎢極旋轉(zhuǎn)半徑。
對(duì)于厚度0.7 mm鈦管，焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制鎢極旋轉(zhuǎn)半徑，使鎢極距鈦管外表面距離為0~0.1 mm。為精確控制鎢極與鈦管外表面距離，根據(jù)鎢極距中心線的角度和鎢極尖角度，焊接過程中增加塞尺進(jìn)行測(cè)量，如圖6所示。
（2）優(yōu)化脹管后的平管工序。
對(duì)凝汽器殼體后行脹接的一側(cè)管，適當(dāng)增加鈦管脹接后的伸長(zhǎng)量，脹管后的平管工序使得鈦管末端伸出鈦面0.6~0.7 mm，并檢查末端伸出余量，從而保證保留足夠的母材金屬，如圖7所示。
（3）改善設(shè)備工裝。
針對(duì)切管和平管設(shè)備，將定位芯套材質(zhì)由黃銅改為尼龍，使其即使與鈦管接觸也不會(huì)劃傷鈦管，增大芯套直徑至略小于鈦管內(nèi)徑，使鐵屑不易嵌入定位芯套與鈦管之間的空隙；增加防轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，使除切刀系統(tǒng)外的其他部件不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)劃傷鈦管。
3.3焊接工藝參數(shù)優(yōu)化
在原焊接工藝上，適當(dāng)提高電流起始值，延長(zhǎng)送氣時(shí)間，保護(hù)氣體純度由原來(lái)的99%提高到99.999%，優(yōu)化后的焊接參數(shù)見表5。
3.4增加工藝參數(shù)調(diào)節(jié)試板
在凝汽器封口焊過程中，發(fā)現(xiàn)焊接缺陷后控制方法不當(dāng)也是導(dǎo)致焊接缺陷重復(fù)出現(xiàn)的重要原因。經(jīng)觀察，在實(shí)際焊接作業(yè)過程中，當(dāng)偶爾出現(xiàn)單個(gè)缺陷時(shí)，操作人員并不是立即停下檢查焊機(jī)，而是作好記號(hào)后繼續(xù)施焊。只有當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)缺陷時(shí)，才會(huì)停下來(lái)調(diào)整焊機(jī)，然后在產(chǎn)品試板上施焊，以檢查焊機(jī)參數(shù)調(diào)整效果。因此，在原有焊接見證件的基礎(chǔ)上增加工藝參數(shù)調(diào)節(jié)試板，以提高產(chǎn)品試板焊縫一次合格率。具體要求為在產(chǎn)品焊接過程中一旦出現(xiàn)異常，立即停止焊接操作并調(diào)整焊機(jī)位置及參數(shù)，在工藝參數(shù)調(diào)節(jié)試板和產(chǎn)品試板施焊合格后才能繼續(xù)在產(chǎn)品上施焊。該方法優(yōu)化了焊接過程的工藝流程，減少了非正常因素引起的產(chǎn)品焊接缺陷，改進(jìn)前后焊縫質(zhì)量控制對(duì)比見圖8。
通過不斷的改進(jìn)焊接工藝，經(jīng)過約10年、20多臺(tái)核電機(jī)組凝汽器制造經(jīng)驗(yàn)積累，目前中廣核工程公司已將凝汽器“封口焊縫”一次焊接不合格率由11.3%降至0.03%。
4結(jié)論
通過分析核電站凝汽器不銹鋼管管板封口焊接缺陷，總結(jié)了氣孔、波紋、成形不良、進(jìn)深值不足等缺陷產(chǎn)生的原因；提出通過調(diào)整焊接參數(shù)來(lái)優(yōu)化焊接工藝，建立了相對(duì)精準(zhǔn)定量控制凝汽器不銹鋼管-管板封口焊縫的進(jìn)深值方法和通過增加工藝參數(shù)調(diào)節(jié)試板的方式來(lái)調(diào)整焊接參數(shù)，確保焊縫質(zhì)量，為核電制造廠分析凝汽器管束封口焊缺陷原因和制定工藝改進(jìn)措施提供了參考方法。
