中国核工业华兴建设有限公司核电事业部
摘要:不锈钢的焊接质量直接影响了产品的外观成型和使用性能，本文分析了CPR1000堆型不锈钢乏燃料水池焊接问题产生的原因及预防措施，为控制不锈钢焊接质量提供了工艺指导和技术参考。
关键词:缺陷;不锈钢焊接;乏燃料水池
引言
CPR1000堆型不锈钢乏燃料水池属于核安全二级设备，位于燃料厂房，在运营期间常年储水，用于储存核燃料。水池使用奥氏体不锈钢做内衬，采用钨极氩弧焊的焊接方法进行焊接。由于属于核辐射红区，不允许泄漏，焊接质量尤为重要。
在乏燃料水池焊接过程中主要有气孔、夹钨、夹渣、未熔合等焊接缺陷。这些缺陷的存在降低了乏燃料水池的焊缝的力学性能和防腐蚀厚度，危害极大。因此了解焊接缺陷形成原因，采取一定措施提高焊接合格率显得尤为重要。
1.乏燃料水池的结构特点
1.1母材类型及焊缝的结构形式
乏燃料水池不锈钢采用法国标准的Z2CN18.10的奥氏体不锈钢材料。不锈钢钢板厚度墙面为4mm，底板为6mm。
焊缝主要有两种形式。一种为带垫板对接焊缝，一种为不带垫板对接焊缝。后者用于车间预制，焊缝长度较短，施工中以第一种为主。
1.2特殊位置的结构形式
在CPR1000堆型不锈钢乏燃料水池安装过程中有以下三种特殊的结构形式，这三种特殊结构形式的构件涉及的焊缝容易出现焊接缺陷。
1.2.1L型折弯构件
L型构件主要用于水池墙面和底板的90°拐角处，由折弯机折弯成而成（如图1所示），该类构件涉及的焊缝既有车间焊缝又有现场焊缝。该该类构件在安装中，由于拐角处没有刚性固定，容易发生焊接变形。
1.2.2Z型折弯构件
Z型构件主要用于水池V15墙面（如图2所示），该构件有两处90°折弯，相比L型构件更容易发生焊接变形。
1.2.3底板拐角构件
底板拐角构件主要用于水池底板四个拐角（如图3所示），该构件由两个L型折弯构件焊接而成，在拐角处由于应力集中无处释放，很容易发生焊接变形。
图1 L型折弯构件 图2 Z型折弯构件 图3 底板拐角构件
2.主要焊接缺陷产生原因及预防措施
不锈钢乏燃料水池在施工过程中常见的焊接缺陷有气孔、夹钨、夹渣和未熔合，另外还存在衍射斑纹的伪缺陷。在焊接过程中，目的就是降低这些焊接缺陷，提高焊接合格率。
2.1气孔缺陷
气孔是不锈钢钨极氩弧焊焊接过程中的常见缺陷。氩弧焊抗风能力弱，对铁锈、水、油污特别敏感，对气体的纯度、坡口清理、焊接工艺灯要求严格，容易产生超标气孔。乏燃料水池焊接过程中产生的气孔主要为单个气孔，尺寸在0.3-0.8mm之间（大于0.5mm未超标缺陷），气孔的存在减少了焊缝的有效厚度，使静载强度和疲劳强度降低，对焊缝不利。
2.1.1产生气孔的原因
产生焊接气孔的原因主要有以下几方面；
层间清理不彻底：在焊接过曾中熔池中的杂质会浮到每层焊缝的表面，这些“小黑点”如果不及时打磨掉，在下一道焊接时就会作为一个杂质吸引气体聚集，导致气体无法及时排除熔池，形成杂质为核心的、渣孔结合的缺陷。另外，焊前待焊表面如果存在水、油等也容易产生气孔。
保护气体不纯：乏燃料水池焊接过程中，保护气体为氩气，氩气的纯度为＞99.9%，当氩气不纯，夹杂了水蒸汽、氧气等杂质气体时，会导致焊接保护不到位，容易形成气孔。
焊丝杂质过多：焊丝生产过程中，不可避免的要引入杂质，根据RCCM-S2000和BTS4.04的要求，焊材验收只对规定的元素进行化学分析，并未有标准规定对杂质进行分析，因此焊丝杂质过多会形成 “小黑点”，极易形成渣孔结合的气孔。
2.1.2气孔缺陷的预防措施
对于清理不彻底的问题，在每层焊接前首先用不锈钢钢丝刷对焊缝进行刷理，当发现焊缝表面存在“小黑点”时及时打磨掉，最后用丙酮进行擦洗。
针对保护气体不纯的问题。定期对厂家的氩气纯度进行抽查。另外，每批氩气新到场时，先进行试用。试用的方法是在训练板上进行打底焊接，焊后观察焊缝表面的颜色，焊缝为银白或是金黄色时，证明氩气纯度符合要求；当焊缝表面发蓝甚至发黑时，考虑气体纯度不符合要求，应及时对该批气体纯度进行复检。
关于焊丝杂质过多的问题，需要增加相关的试验。焊丝杂质并不是RCCM要求检验的内容，而且现有的焊材验收都是在小于600mm长的板上进行。此类问题隐蔽性强，建议在编制焊材采购技术规格书时，厂家应进行焊接试验，按照我们提供的工艺，焊接合格率达到95%以上，并提供相应检验报告。
2.2夹钨缺陷
夹钨俗称“打钨极”，在施工过程中缺陷数量占缺陷总数的2%，主要是因为焊工操作失误，将钨极直接与熔池接触，或是钨极端头打磨过细而电流过大导致钨极烧损掉入熔池。
实际操作过程中喷嘴与工件的距离与“打钨极”有一定关系。距离越大越大，气体保护效果越差，气流带走的热量就越少；因此焊工一般选择距离较近的焊接手法，距离越近，保护效果好，抗侧向风能力强，气流带走的热量就越多，并可相应减少气体流量，节省氩气。但过近，会影响焊工视线，不便观察和操作，则易使钨极与熔池接触而短路，烧损喷嘴并产生夹钨。所以喷嘴端部与工件的距离选择在在6～10mm之间，便于焊工观察熔池，减少夹钨出现的可能性。
对于钨极形状引起的夹钨缺陷，我们采用打磨钨极端部形状以配合电流的方法来避免夹钨。根据所用焊接电流种类，选用不同的端部形状。尖端角度的大小会影响钨极的许用电流、引弧及稳弧性能。
表1列出了钨极不同尖端尺寸推荐的电流范围。小电流焊接时，选用小的锥角，可使电弧容易引燃和稳定；在大电流焊接时，增大锥角可避免尖端过热熔化，减少损耗，并防止电弧往上扩展而影响阴极斑点的稳定性。
表 1 钨电极尖端形状和电流范围
2.3未熔合缺陷
乏燃料水池焊缝未熔合缺陷是返修最为困难的缺陷，未熔合大部分位于焊缝根部，一次返修成功率低，稍有不慎极易引起其他缺陷或焊接变形。乏燃料水池中的未熔合在射线底片上一般显示为一条“黑线”，如图5所示。
以射线实际穿透焊缝或母材的长度T为纵轴，以垂直于焊缝某截面上每条射线在底片上的投影位置为X轴，在坐标图上画出T-X曲线。射线实际穿透焊缝或母材的长度T越长，透过的射线强度就越小，反之亦然。这样，也可以用纵轴来表示穿透焊缝或母材射达底片的射线强度I，画出I-X曲线，如图6所示。
从图4可以看出：当X＜X1或X＞X4时，射线穿过母材和垫板的长度相等，在T（I）—X曲线上呈水平线，反映在射线底片上的黑度是大致均匀的。当X1＜X＜X2或X3＜X＜X4时，由于焊缝表面余高的作用，从接头热影响区到焊缝中心方向的T值逐渐增大，I值逐渐减小，反映在底片上的黑度也逐渐减小。由于焊缝根部熔合线存在高度差，射线穿过X2或X3时，I值发生突变，反映在底片上就是黑色细线。
图4 T（i）-X曲线 图5 射线检验中底片上的未熔合
2.3.1未熔合缺陷的产生的原因
上面说到的L型构件、Z型构件，在现场焊接过程中易发生未熔合缺陷。由于L型及Z型构件长度均在4m以上，焊接量较大，在焊接过程中由于折弯处无法刚性固定，容易发生变形。
由于产生了焊接变形，导致焊缝的L型构件侧，在焊接构成中轻微翘起，产生了根部未熔合。
坡口形式导致的未熔合缺陷主要是因为钢板坡口处存在圆角，圆角的产生可能车间在加工坡口时失误，或是在钢板倒运过程中碰伤所致。
2.3.2未熔合缺陷的防治措施
针对L型及Z型构件的结构特点，采取在焊接前增加刚性固定的措施。刚性固定以现有水池内脚手架为生根基础，用干净脚手管、丝杠及长木方分别对拐角处及距离焊缝200mm的覆面进行刚性固定，
针对圆角的问题，在施工过程中除了对坡口角度的检查，增加对圆角的排查。为防止运输过程中出现碰伤，在组对前应再次对坡口进行检查，并将该工序纳入质量计划中进行管理。
覆面板背后清洁度在施工过程中要切割打磨，很难保证。
为避免夹杂物坠入熔池造成横缝上沿出现未熔合缺陷，考虑从组对方式入手。
传统的组对模式为细，先将覆面板的下沿组对点焊完成，再顺势往上贴。这种方法的弊端在于：如果覆面板出现打磨处理的时候，飞溅物会直接坠入覆面背部，并在覆面的下沿（即横缝的上沿）累计。改进的方法为，先对其上半部分进行点焊固定，然后将下半部分翘起，对覆面板背面及特殊型钢进行再次的清洁，最后对其下半部分进行组对。
2.4衍射斑纹----伪缺陷
在乏燃料不锈钢水池预制过程中，部分RT结果出现中间白两边黑的宽带。最初将此缺陷判别为根部未焊透，但将对应位置打磨后，没有发现缺陷，在对应位置进行宏观金相试验也未发现缺陷。
经过技术人员及业主商讨比对，确定了该类缺陷为衍射斑纹，是一类伪缺陷，主要有三类：线状衍射斑纹、羽毛状衍射斑纹、斑点状衍射斑纹。在乏燃料水池焊接中遇到的属于线状衍射斑纹。
衍射斑纹在薄板奥氏体不锈钢焊接中很常见，而且对焊缝的力学性能无影响。但是如果检测人员错误地判断为根部未焊透或裂纹而无故返修，反而影响了焊接质量，造成不必要的浪费。
为了判定射线底片上的影像是衍射斑纹还是未焊透或裂纹等缺陷，可以采取以下方法：
（1）改变透照的方向
由衍射方程
2dsinθ=nλ...................（1）
式中:d―晶面间距；
θ―入射X射线与晶面的夹角，即布拉格角
λ―入射X射线波长
可以看出，改变透照的方向即改变布拉格角，对衍射斑纹的影响将发生明显的影响。
（2）改变透照的射线能量
由衍射方程可以看出，改变透照的射线能量，即改变入射X射线波长，对衍射斑纹的影响也将发生明显的影响。
（3）改变透照时胶片与工件的间距
改变透照时胶片与工件的间距，即改变放大效果，使缺陷易分辨。
3.结语
CPR1000堆型不锈钢乏燃料水池焊接质量要求严格，通过阳江核电站2#、#3机组乏燃料水池的施工，证明上述方法的实施能够有效的提高焊接合格率，保证焊接质量。
参考文献：
[1]中华人民共和国建设部，《钢结构工程施工质量验收规范（GB 50205-2001）》，中国计划出版社，2002.
[2] 陈祝年等，《焊接工程师手册》，机械工业出版社，2010.
论文作者:李凯林
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/5/19
标签：缺陷论文; 水池论文; 构件论文; 气孔论文; 射线论文; 燃料论文; 斑纹论文; 《防护工程》2019年第1期论文;