反应堆压力容器水压试验后CRDM贯穿件J型密封焊缝PT缺陷的分析及预防措施

反应堆压力容器水压试验后CRDM贯穿件J型密封焊缝PT缺陷的分析及预防措施

摘要：核反应堆压力容器CRDM贯穿件与顶盖的J型密封焊缝为反应堆压力容器结构的重要组成部分，密封焊缝的质量关乎整个容器的整体运行安全。本文对某核电项目反应堆压力容器CRDM贯穿件与顶盖的J型密封焊缝，在经历水压试验后再次出现了PT缺陷显示（水压试验前已PT合格），这种镍基焊缝表面反复出现缺陷情况进行了现场研究及相关的理论论证，并制定出对应的预防措施，从而避免这类焊缝反复出现缺陷显示的情况再次发生。Keys：CRDM；J型密封焊缝；镍基焊接；反应堆压力容器1概述核反应堆压力容器控制棒驱动机构（CRDM）贯穿件与顶盖的J型密封焊缝见图1，因其坡口形式复杂、空间曲面变化大，采用手工焊的方式进行焊接，对焊接要求极为苛刻，手工焊焊接的焊接质量不稳定，同时为采用镍基合金材料进行焊接，焊接难度大，容易出现各类型的焊接缺陷。某核电项目反应堆压力容器CRDM贯穿件与顶盖J型坡口密封焊缝焊接后经液体渗透检验（PT）发现了一定数量的表面缺陷，经过返修处理后已全部清除干净且PT合格。然而在经历水压试验后，对CRDM贯穿件J型焊缝表面进行PT检验时，再次发现少量的表面缺陷显示。针对这种情况进行了产品现场研究以及相关的理论论证，通过对J型密封焊缝反复出现PT缺陷的原因进行详细分析，并制定出对应的预防措施，从而避免这类焊缝反复出现缺陷显示的情况再次发生。图1CRDM贯穿件与顶盖J型焊缝示意图[1]2原因分析某核电项目反应堆压力容器CRDM贯穿件与顶盖J型坡口密封焊缝焊接后及水压试验后表面PT检验时反复出现表面微小缺陷。针对这一情况进行了实际产品现场金相实试验，通过金相试验结果判定了缺陷的性质，并结合镍基合金焊接的特点进行了相关的理论分析。2.1现场金相试验结果与分析对某核电项目反应堆压力容器CRDM贯穿件与顶盖J型坡口密封焊缝水压试验后的多处PT缺陷显示部位进行了现场金相试验，金相照片如图2所示。图2J型镍基密封焊缝表面缺陷金相照片（×100）通过现场金相照片可以确认，缺陷长度尺寸较小，未呈现沿晶扩展的特征，因此判定缺陷不是由于冶金因素和焊接工艺不当造成的高温低塑性裂纹，而是由于外界微小杂质存在造成的局部开裂的行为，为微小夹杂缺陷。由于镍基材料焊接的熔化特点，在焊接过程中熔池黏度大，流动性不好[2]，由于焊材、施焊环境等原因容易在焊缝中产生微小夹杂物，微小夹杂物通过超声波探伤等手段是无法被发现的，若微小夹杂物显露在焊缝表面时，进行渗透检验时将会出现缺陷显示。2.2镍基合金焊接特点分析CRDM贯穿件J型密封焊缝由镍基隔离层和镍基密封焊缝组成，镍基密封焊缝在容器进行最终热处理后在镍基隔离层上进行焊接，采用手工焊条电弧焊填充，手工氩弧焊进行最终的角焊缝盖面焊接，手工氩弧焊盖面焊接时使用的焊材为ERNiCrFe-7焊丝，镍基合金焊接时对P、S等杂质元素非常敏感，ERNiCrFe-7焊丝的S元素含量控制在0.008%以下，P元素含量控制在0.020%以下，因此S、P元素的该焊缝的影响不大，可以排除焊材对金相照片中微小夹杂缺陷的影响。CRDM贯穿件J型密封焊缝角焊缝盖面为分层焊接，大约焊接3层。根据镍基合金焊接的特点，镍基合金常温材料在500℃高温空气中出现轻度氧化，当温度达到750℃时，则氧化加剧。由于镍的氧化物熔点比镍本身的熔点高出了近45％，即当镍熔化时（熔点1446℃）的时候，镍的氧化物(熔点2090℃)远远没有到其熔点。所以，在镍基合金焊接过程中，若焊道表面打磨、清理不充分时，焊道表面上没有完全被清除的氧化镍及清理不当所残留的杂质在下层焊道焊接时，将会掺杂在焊接熔池中，从而形成夹杂或细小的不连续氧化物。[3]因此，当CRDM贯穿件J型密封焊缝近焊缝表面焊接时，近焊缝表面的焊道表面打磨清理不够彻底，使得焊道表面的氧化物或残留杂质没能得以去除干净，继续焊接时氧化物或杂质掺杂进入熔池中就形成了微小夹杂等缺陷。由于焊接过程中焊道清理不够彻底，导致这类缺陷数量较多，超声波检测的方法无法发现这类微小夹杂物。当焊缝进行表面打磨时，这类微小夹杂物显露焊缝表面，液体渗透检测时将会有缺陷显示。这种缺陷一般深度较浅（零点几毫米）采用抛磨的方式即可去除，但往往需要进行多轮的抛磨+渗透检验，才能够充分去除。所以，部分隐与焊缝浅表面的微小夹杂缺陷在水压试验前检测时未能发现，在经历水压试验时，由于水压试验时将会受到各种形式力的作用，导致浅表缺陷会浮出焊缝表面，从而导致水压后渗透检验时有缺陷影像显示。3预防措施根据上述的原因分析，为了避免CRDM贯穿件J型焊缝表面反复出现深度较浅的微小夹杂缺陷，在焊接过程中应该注意以下几点：1）焊缝近表层焊接时，焊道清理应彻底，必要时增加过程中液体渗透检验，避免出现氧化物或杂质清理不彻底的情况，从而导致再次施焊时氧化物无法溶解在熔池中且浮出熔池表面。2）镍基焊丝使用时，针对焊丝表面的清洁度也因进行控制，不应有灰尘、油污、汗渍等，从而避免这些杂质混入熔池中或参与冶金反应形成氧化物。3）镍基焊接时应在良好的环境中进行，避免空气中大量杂质混入熔池及参与熔池冶金反应。四、结论通过对某核电项目反应堆压力容器CRDM贯穿件与顶盖的J型密封焊缝水压试验后PT缺陷显示的原因进行现场金相研究及相关理论分析，判定缺陷为微小夹杂缺陷，缺陷深度较浅可抛磨去除，这类微小夹杂物熔点较高，无法被熔池溶解，近焊缝表层焊道打磨清理不够彻底时，这类微小夹杂物最终将出现于焊缝最终层表面，这类微小夹杂物缺陷在焊缝最终表面时会出现反复不尽的情况，需要多轮抛磨才能彻底去除。通过对这种缺陷形成机理的研究，制定出有效的预防措施，可以有效避免J型镍基焊缝反复出现PT缺陷显示的情况发生，这对后续相同产品或同类型产品的焊接具有一定的参考意义和指导意义。Reference[1]孙永红,高俊根,吴义党,李志杰等.焊接机器人在核反应堆压力容器顶盖焊接中的应用及分析[J].电焊机,2