摘要：堆芯仪表系统，即RIC系统，中子通量导向管上端与压力容器底部管座焊接，下端通过贯穿件与手动阀密封组件焊接，形成一回路水的密封。由于导向管内壁与一回路水直接接触，承受与反应堆压力容器同等的压力，因而对其焊缝质量有着特别高的要求。而RIC导向管（材质为不锈钢Z2CN18.10）与压力容器贯穿件（材质为镍基合金NC30Fe）焊缝因其母材的特殊性，如何保证其焊缝质量，是值得深究的问题。本文通过对核电站核岛RIC导向管与压力容器贯穿件焊接技术进行分析，为后续核电项目建设RIC导向管与压力容器贯穿件焊接或具有相同类型焊接的更好应用提供了依据。
关键词：核电站；RIC导向管；压力容器贯穿件；焊接技术
在核电站运行过程中，RIC导向管与压力容器贯穿件焊接接头承受高温、高压、腐蚀、中子辐照及疲劳载荷的作用，对焊缝质量要求极高，焊接接头示意图见图1。
图1
镍基合金与奥氏体不锈钢的异种金属焊接是一项焊接工艺复杂和焊接难度大的技术，某些焊接问题至今仍没得到有效的解决：首先是焊缝易产生热裂纹；其次是粘性强，熔深浅，易产生未熔合；第三就是焊缝对气孔敏感性较大。特别是焊缝热裂纹问题，一直是困扰焊接方面的难题。有关文献介绍中，核电站采用的镍基合金材料尽管已做改良，有着相对其他镍基材料更好的抗热裂纹能力，但若是焊接成分没有很好地进行控制，或者焊接工艺未进行优化，仍然会有很高的概率导致热裂纹的产生。
一、焊接问题的成因和解决措施分析
施焊过程中，可能会出现气孔、热裂纹及根部未熔合等缺陷。下面就上述问题的成因及解决措施进行分析。
a）未熔合问题及应对措施分析
由于RIC导向管与压力容器贯穿件焊接采用镍基合金焊丝作为填充材料，相比于不锈钢焊丝，流动性较差，焊接熔池很浅，更易造成根部焊缝未熔合缺陷，因此，相较于不锈钢氩弧焊接，RIC导向管与压力容器贯穿件焊接过程中还须注意以下几点：
第一，焊接时需选择合适的焊接线能量。根部焊接时，通过增大焊接电流，减小焊接速度，以提高焊接线能量，是避免焊缝根部未熔合的有效方法。当然，电流及焊接速度的改变需在合理的范围内，否则，焊接线能量过大，将会导致焊缝热裂纹等其他焊接缺陷的产生。
第二，焊前需做好坡口清洁，尤其要去除表面的氧化层。由于氧化物（一般在540℃以上形成）的熔点高（2040℃）而镍的熔点低（1400℃），因而易造成未熔合。
第三，焊前需仔细检查压力容器贯穿件贯穿件端部，不能存在倒圆或倒角。其熔化后熔敷金属流动性很差，焊接熔池很浅。该插套管组对时，贯穿件端部内孔棱边如果变钝，铁水很难将其彻底熔化（焊接位置为仰角焊位置）。熔敷金属和母材在棱边处形成了一条“熔合边界”，此熔合边界低于母材表面，在最终焊缝射线探伤时，“熔合边界”在底片上形成了一条影像显示，缺陷示意图见图2。
图2
b）热裂纹问题及应对措施分析
焊缝热脆性是由于硫、铅、磷或低熔点共晶体混入，它们形成晶间薄膜引起高温下的严重脆化，焊缝金属的热裂纹一般是由于低熔点夹杂物从表面沿晶间渗透而引起的。具体关注以下几点：
第一，焊接前表面需做好清洁，防止硫、铅、磷或低熔点共晶体混入熔敷金属中。
第二，氩弧焊收弧时电流衰减时间要长，使收弧处无任何凹陷存在。电流衰减时间较短，收弧处熔敷金属量少出现弧坑使其强度比较薄弱，镍基合金线膨胀系数大，在相变应力和拘束应力的作用下产生收弧处微裂纹。
第三，选用合适的焊接电流和焊接速度，即在保证熔合良好的情况下尽量选用较小的焊接线能量和较低的层间温度，以防止焊缝及热影响区过热。过热会造成晶粒粗大，在粗大的柱状晶粒边界上，集中了一些低熔点共晶体，它们的强度低，脆性大，并且粗大晶粒也会使焊接接头的机械性能和耐蚀性能下降，在焊接应力的作用下很容易形成裂纹。
c）气孔问题及应对措施分析
氧气、氢气、一氧化碳等气体在熔化的镍中溶解度极大，而在固态下的溶解度大大减小，在高温变冷时，游离出来的气体在流动性较差的液态镍中不能在镍基合金焊缝凝固前完全逸出而形成气孔。具体关注以下几点：
第一，焊接表面的油渍、水迹以及液体渗透检验时残留的渗透液等，易导致气孔缺陷的产生，因此，在点焊前和根部焊道后，应使用威第尔溶液等清洗液，对焊缝及坡口进行清洁，并在清洁后使用热风枪吹干；
第二，选择合适的焊接电流和焊接速度施焊，使有害气体在熔敷金属凝固前充分逸出。
二、主要关键技术点
a）采用内外水循环新的冷却方式，即保证了焊缝质量，也提高了焊接效率。
考虑到镍基合金和奥氏体不锈钢焊接都有热裂纹的倾向，两者焊接要避免产生热裂纹，焊接过程需控制层间温度。本工艺通过使用循环冷却水控制层间温度。本工艺使用循环冷却装置供给冷却水，冷却装置通过电泵将水箱中储存的冷却水送至冷却管，冷却水循环结构图见图3。冷却管分为外循环及内循环两部分，外循环部分使用弯制的螺纹状铜管与焊缝附近的压力容器贯穿件端母材接触，冷却水通过铜管带走因焊接过程中产生的热量；内循环部分使用细直径的不锈钢管，将冷却水引入导向管中，与焊缝直接接触，达到降温的目的。
图3
b）采用新型组对工具，既提高了组对效率，也避免了点焊跑位。
以往常规项目都是通过画线的传统办法对组对间隙进行控制，本项目设计了组对专用工具进行控制，先把导向管端部与贯穿件内端面相接触，再把组对专用工具卡到导向管上，组对专用工具的短边与贯穿件外端面相接触，然后把导向管拔出适量，使组对专用工具的长边与贯穿件外端面相接触，接着再进行点焊，相比传统办法，这不仅提高了组对效率，同时避免了点焊跑位。
c）设计了针对性的补偿块，提高了缺陷的检出率。
压力容器底部贯穿件的规格为Φ38.2×7.25mm，导向管的规格为Φ23.6×6.7mm，由于产品的几何形状和厚度等客观条件的影响，正常探照得不到相同的曝光量，因此设计了针对性的补偿块，避免了底片黑度差大，造成误判，有利于评片，提高缺陷的检出率，为焊缝质量的有力认证提供了保障。
三、结论
掌握核电站核岛RIC导向管与压力容器贯穿件焊接技术，对提高焊接质量、优化焊接工期，提升电站安全性，压缩电站建造成本将起到重要的作用。后续核电项目建设RIC导向管与压力容器贯穿件焊接或具有相同类型的焊接均可采用该项技术。
论文作者:黄生
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/1/15
标签：导向论文; 裂纹论文; 压力容器论文; 熔点论文; 核电站论文; 气孔论文; 冷却水论文; 《基层建设》2018年第36期论文;