反應堆壓力容器密封面堆焊技術研究與缺陷分析

尹志英　郎雪琴

摘 要：由于反應堆壓力容器密封面對焊接質量要求極高，所以在焊接方法和焊材的選擇上至關重要。本文主要以秦山項目使用的NiCr-3和NiCrFe-7兩種焊材為例，對手工電弧焊、帶極堆焊和TIG焊的焊接方法進行對比，并對其各自的焊接工藝、質量進行分析，以選取焊接密封面的最佳焊接方法，以期為我國核工業發展提供理論支持。

關鍵詞：密封面；焊接；堆焊；工藝

中圖分類號：TH12 文獻標志碼：A

0 引言

反應堆壓力容器（以下稱：RPV）作為核島的主要設備，其封閉性是判定RPV屏蔽核輻射的有效指標，而其密封面的密封性對RPV的可靠性具有直接關系。在實際應用中，RPV的密封面主要以鎳基焊材堆焊，堆焊層厚度一般≥50mm，由于堆焊層內應力大和焊接次數多等因素的影響，堆焊層常出現裂紋或脫落等缺陷，因此，堆焊方法及焊接工藝研究，對提升RPV的質量和防輻射性具有積極的意義。

1 試驗

1.1 試驗方法

本文采用密封面多道次堆焊試驗，焊接方法包含帶極堆焊、手工電弧焊及TIG焊，堆焊材料選擇NiCr-3與NiCrFe-7兩種鎳基材料，焊接基體采用508-3鍛造板，焊接方法為平焊，每層焊接后，均對堆焊層進行無損探傷。

1.2 試驗過程

本文以帶極堆焊、手工電弧焊及TIG焊3種焊接方式進行研究，具體試驗過程及工藝如下：（1）帶極堆焊：需堆焊6道次，每道次需控制堆焊進程并對堆焊層進行超聲檢測，以確保所有焊接層符合焊接工藝；（2）手工電弧焊：需嚴格控制焊接飛濺物及焊接緊縮裂紋，根據實際焊接溫度設置焊接工藝；（3）TIG焊：焊接中形成良好的焊接層，焊縫小，焊材熔化良好，焊接坑飽滿，無明顯缺陷。以上焊接工藝參數見表1。

2 各焊接方法工藝研究

2.1 帶極堆焊工藝研究

（1）堆焊過程

對于NiCr-3焊材的焊接工藝如下：每次焊接的層間搭接部分焊材融合質量良好，焊層表面光潔，無凹坑、裂紋等缺陷，焊層表面無大量氧化物聚集。通過焊接過程研究發現，帶極堆焊在焊接收弧環節易存在表面脫渣的現象，這會導致焊接結束部位殘留渣滓多，影響堆焊質量。因此，在焊接中會打磨清理收弧部位，清除殘留氧化物，確保焊層的質量。焊接結束后，焊接部位需進行探傷檢測，確保焊層內部無裂縫和凹坑等缺陷。對于NiCrFe-7焊材的焊接如下所示：焊接時，每道焊層搭接處質量較好，焊道收弧處易脫渣，焊接處表面形貌較粗，各道次焊層搭接處易富集氧化物，收弧處易出現裂紋和凹坑，因此，每道次焊接完成后均需要對前道次焊層的焊渣進行清理和檢測，以確保后期焊層質量。當焊層厚度達到一定值時，常見較大裂紋，裂紋雖可打磨去除，但因其具有延展性，在發現大型裂紋時，需要通過一定工藝清理原有焊層后重新焊接，以保證質量。

（2）性能試驗

理化性能檢測是對焊材進行的，由于使用NiCrFe-7焊材堆焊后的焊層出現開裂，故不進行理化測試，本文僅對焊材NiCr-3進行檢驗，具體內容如下：①化學成分分析、抗拉強度、延伸率以及硬度等性能試驗，合格后方可使用；②彎曲測試，彎曲后試樣表面裂紋<2mm，符合要求后可使用；③金相檢驗，觀察晶粒組織并計算平均晶粒尺寸；④觀察晶粒間的鏈接是否符合要求，若晶間距過大或存在晶粒缺陷則不能使用。

2.2 手工電弧堆焊工藝研究

（1）堆焊過程

對手工電弧堆焊焊層表面質量分析后發現，每道次焊層表面常存在凹坑，焊縫處存在殘渣或焊材熔合不理想等問題，因此，每次焊接后，需打磨焊層表面。對于NiCr-3焊材而言：焊材性能穩定，焊接過程中電弧起弧及焊層質量較好，焊接脫渣較好，焊層表面無大型裂紋及脫落等問題，在每道次焊層冷卻后，需使用專業工具敲掉焊渣，以保證下道次焊層的質量及與上道次焊層之間的黏著力。對于NiCrFe-7焊材而言，由于焊材的起弧穩定性不好，焊材與基體高度不合適時，會導致焊材飛濺及焊材黏接等問題，這會導致焊層質量不好及焊弧熄滅，因此要求焊接工藝設計合理及工人焊接技術嫻熟，焊后表面清理及打磨可參照NiCr-3焊材。對以上兩種焊材的焊后表面進行無損檢測發現，NiCrFe-7焊材比NiCr-3焊材的缺陷多，這時就需要通過專業焊層清除技術對有缺陷的部位進行清理，之后再補焊，最后進行無損檢測，直至缺陷在可控范圍內，結束焊接操作。

（2）理化性能試驗

焊材NiCr-3進行理化測試內容如下：①化學成分分析、抗拉強度、延伸率以及硬度等性能測試；②對焊材彎曲測試；③焊材金相檢驗及晶間腐蝕檢驗。

2.3 焊絲機械TIG 堆焊研究

（1）堆焊過程

焊材NiCr-3的焊接狀況如下：每道次焊層質量良好，表面質量完好，所形成的焊層密度大，孔隙率較小。而在焊接過程中焊層表面由于沒沖電流作用而形成一定量的氧化物，且在焊層搭接處堆積。所以在實際生產過程中每道次焊接完成后均需要利用專用工具對焊層表面進行清理，保證焊層之間的黏結力。焊材NiCrFe-7的焊接情況如下：每道次堆焊質量較差，焊層表面氧化物較多，且收弧時焊材裂紋嚴重，每道次焊接結束后，均需要通過專用工具對焊層表面進行打磨，焊接結束后進行無損探傷，探傷合格方可結束焊接操作。

（2）理化性能試驗

焊材NiCr-3進行理化測試內容如下：（1）對焊材進行化學成分分析、抗拉強度、延伸率以及硬度等性能測試；（2）對焊材進行彎曲測試；（3）對焊材的金相組織進行檢測并觀察晶間腐蝕情況。

結論

綜上所述， 由于RPV密封面對焊接質量要求較高，且在焊接中不應產生較大熱應力，所以經過研究應選擇手工電弧堆焊方式，焊材選擇NiCr-3，且在生產中還需應用多種檢測手段對焊接質量進行控制以保證焊接質量。

參考文獻

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