CN105945393B - 一种用于核电稳压器安全端异种金属管道堆焊维修方法 - Google Patents

一种用于核电稳压器安全端异种金属管道堆焊维修方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于核电稳压器安全端异种金属管道堆焊维修方法，包括以下步骤：在低合金钢管段的内壁上熔敷不锈钢覆层；将预堆边堆焊到低合金钢管段和不锈钢覆层的端面；使预堆边与过渡接管组成U型坡口，并将两个部分进行焊接连接以形成预堆边焊缝；在过渡管段和管段之间的焊缝上挖除不锈钢焊缝，并补焊不锈钢焊缝，打磨补焊焊缝使之与管段齐平；在低合金钢管段、预堆边、预堆边焊缝、管段上堆焊镍基合金堆焊层。采用该方法改善了堆焊层应力状态，简化了维修堆焊工艺，降低了现场堆焊维修难度，实现了稳压器安全端异种金属接头安全、可靠、高效地堆焊维修。

Description

一种用于核电稳压器安全端异种金属管道堆焊维修方法
技术领域
本发明涉及核电异种金属接头管道堆焊领域，具体涉及一种用于核电稳压器安全端异种金属管道堆焊维修方法。
背景技术
稳压器是核电站五大主设备之一。稳压器安全端焊缝是连接稳压器与接管的一回路压力边界。早期核电站稳压器安全端接管的异种金属焊缝大量采用了Inconel-600材料。国内外核电站在Inconel-600镍基合金使用中发现，该合金材料在一回路高纯水中对SCC有较高的敏感性；同时大量国外核电站维修案例表明，在核电站寿命期内Inconel-600异种金属焊缝容易出现开裂失效现象。我国秦山320MWe机组稳压器安全端结构与国外维修的结构类似，将可能会面临同样的Inconel-600合金焊缝开裂失效问题。
针对Inconel-600合金材料出现腐蚀泄露的问题，国外一般是在失效管道焊缝上堆焊一定厚度和宽度的堆焊层进行密封处理，形成新的压力边界，使局部出现环形裂纹的结构加强，防止该处缺陷出现泄露。国外经验表明，修复的堆焊层能使焊缝结构加强，改善异种金属接头残余应力状态及分布，且焊后形成压应力，对应力腐蚀裂纹具有止裂作用，对疲劳裂纹的萌生和扩展具有缓解作用。
文献资料调研显示，目前已掌握该堆焊维修技术，并实现工程应用的只有美国WSI公司。其稳压器安全端堆焊维修工艺结构大致分为两种型式，其一为美国WSI公司为台湾核电站稳压器安全端接管设计的维修堆焊层结构，如图1所示；其二是美国WSI公司为韩国KORI 1号机组稳压器安全端接管设计的维修堆焊层结构，如图2所示。第一种结构的不锈钢覆层10通过堆焊方式熔敷在低合金钢管段1的内壁上；将Inconel600预堆边2按图所示的形状堆焊到低合金钢管段1和不锈钢覆层10的端面；将预堆边2与不锈钢的过渡接管4组成U型坡口，并通过手工电弧焊接方法将两个部分进行焊接连接形成预堆边焊缝3；将过渡接管4与不锈钢的管段6组成V型坡口，并通过氩电联焊方式进行焊接连接形成不锈钢焊缝5；在接管焊接完成后，从预堆边焊缝3与不锈钢过渡接管的熔合线开始按设计的堆焊层尺寸堆焊不锈钢过渡层7；在预堆边焊缝3与不锈钢过渡接管的熔合线及附近堆焊镍基合金过渡层9；最后在低合金钢管段1、预堆边2、预堆边焊缝3、镍基合金过渡层9、不锈钢过渡层7上堆焊镍基合金堆焊层8。第二种结构的不锈钢覆层10通过堆焊方式熔敷在低合金钢管段1的内壁上；将Inconel600预堆边2按图所示的形状堆焊到低合金钢管段1和不锈钢覆层10的端面；将预堆边2与不锈钢的过渡接管4组成U型坡口，并通过手工电弧焊接方法将两个部分进行焊接连接形成预堆边焊缝3；将过渡接管4与不锈钢的管段6组成V型坡口，并通过氩电联焊方式进行焊接连接形成不锈钢焊缝5；在接管焊接完成后，从预堆边焊缝3与不锈钢过渡接管的熔合线开始按设计的堆焊层尺寸堆焊不锈钢过渡层7；最后在低合金钢管段1、预堆边2、预堆边焊缝3、镍基合金过渡层9、不锈钢过渡层7上堆焊镍基合金堆焊层8。
采用上述堆焊维修结构及方法，均采用了ER308/ER309作为过渡层，虽然有效避免了不锈钢上直接堆焊镍基合金产生热裂纹问题，能够满足稳压器安全端接管堆焊维修需求。但是由于过渡层的增加导致堆焊维修工艺结构复杂，进而产生以下三个方面的不足：其一，结构复杂导致堆焊层内应力状态复杂，对改善应力状态不利；其二，堆焊层结构复杂，其维修堆焊工艺也相对复杂，不利于现场维修施工质量控制；其三，维修工艺复杂，施工难度大，不利于现场维修进度控制和辐射剂量控制。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种用于核电稳压器安全端异种金属管道堆焊维修方法，其改善堆焊层应力状态，简化维修堆焊工艺，降低现场堆焊维修难度，实现稳压器安全端异种金属接头安全、可靠、高效地堆焊维修。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于核电稳压器安全端异种金属管道堆焊维修方法，包括以下步骤：
在过渡管段和管段之间的焊缝上挖除不锈钢焊缝，并补焊不锈钢焊缝，打磨补焊焊缝使之与管段齐平；
在低合金钢管段、预堆边、预堆边焊缝、管段上堆焊镍基合金堆焊层。
本方案针对现有堆焊层工艺结构复杂等不足，本方法省去了焊接ER308L/ER309L过渡层和镍基合金过渡层的步骤，简化了堆焊层的结构，简化了工艺结构，改善堆焊层应力状态，降低现场堆焊维修难度，实现核动力装置异种金属接头安全、可靠、高效地堆焊维修。省去了过渡层的结构，即减小了堆焊层中异种金属接触界面，强化了工艺结构的整体性和和力学的一致性。
针对新型的堆焊层结构，以解决不锈钢焊缝上直接堆焊镍基合金产生热裂纹等问题，使得设计的新型工艺层结构满足堆焊维修需求，同时有效地改善了施工难度大等问题，研究了以下具体工艺。
在挖除不锈钢焊缝时，打磨不锈钢焊缝的表面，使之形成一个周向凹槽。
所述凹槽的宽度比过渡管段和管段之间的焊缝宽2mm～4mm，深度为2mm～3mm。
在补焊不锈钢焊缝时，采用自动氩弧焊接方法，补焊打磨后的凹槽，焊接添加ERNiCrFe-7A镍基合金焊丝，焊丝直径为1.0mm，线能量为1.0KJ/mm至1.2KJ/mm，送丝速度为2200mm/min至2700mm/min。
堆焊镍基合金堆焊层的步骤包括：前三层堆焊、中间层堆焊和熔敷层堆焊。
所述前三层堆焊采用回火焊道焊接方法焊接；所述中间层堆焊和熔敷层堆焊采用非回火焊接工艺方法焊接。
在前三层堆焊时，线能量为0.7 KJ/mm至0.9 KJ/mm，送丝速度为700mm/min；在中间层堆焊时，线能量为0.7 KJ/mm至1.0 KJ/mm，送丝速度为1200mm/min；在熔敷层堆焊时，线能量为1.0 KJ/mm至1.2 KJ/mm，送丝速度为2200mm/min至2700mm/min。
不锈钢堆焊镍基合金产生热裂纹的机理为，在焊接冷却过程中由Nb和Ni等合金元素形成的低熔点共晶相发生偏析，导致晶界形成薄弱环节，在焊接应力的作用下产生裂纹，并发生裂纹扩展，若堆焊层强度相对较小，则会发生堆焊层开裂现象。
本发明主要从改善堆焊层应力状态，加强堆焊层强度两个方面入手，解决不锈钢堆焊镍基合金时堆焊层发生开裂问题。在不锈钢上开环形凹槽，即上述的周向凹槽，再采用较大熔敷量的堆焊工艺进行堆焊填补环形凹槽。开环形凹槽可以有效改善堆焊层应力分布，增大熔敷量可以有效的增加堆焊层强度，从而达到避免堆焊层开裂的目的。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本方法省去了焊接ER308L/ER309L过渡层和镍基合金过渡层的步骤，简化了堆焊层的结构，简化了工艺结构，改善堆焊层应力状态，降低现场堆焊维修难度，实现核动力装置异种金属接头安全、可靠、高效地堆焊维修。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为美国WSI公司为台湾核电站稳压器安全端接管设计的维修堆焊层结构
图2是美国WSI公司为韩国KORI 1号机组稳压器安全端接管设计的维修堆焊层结构。
图3是本发明的堆焊方法的维修堆焊层结构。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、低合金钢管段；2、预堆边；3、预堆边焊缝；4、过渡接管；5、不锈钢焊缝；6、管段；7、不锈钢过渡层；8、镍基合金堆焊层；9、镍基合金过渡层；10、不锈钢覆层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
一种用于核电稳压器安全端异种金属管道堆焊维修方法，包括以下步骤：
在过渡管段4和管段6之间的焊缝上挖除不锈钢焊缝5，并补焊不锈钢焊缝5，打磨补焊焊缝使之与管段6齐平；
在低合金钢管段1、预堆边2、预堆边焊缝3、管段6上堆焊镍基合金堆焊层8，即成如图3所示的堆焊结构。
在进行不锈钢焊缝挖除时，采用砂轮等机械方法，打磨不锈钢焊缝的表面，并使之形成一个有一定深度和宽度的周向凹槽，宽度在不锈钢焊缝宽度的基础上增加2mm至4mm，深度为2mm～3mm。
不锈钢焊缝凹槽补焊工艺方法为：采用自动氩弧焊接方法，补焊打磨后的凹槽，焊接添加ERNiCrFe-7A镍基合金焊丝，焊丝直径为Ф1.0mm，线能量为1.0KJ/mm至1.2KJ/mm，送丝速度为2200mm/min至2700mm/min，并打磨补焊焊缝至与管段6齐平。
镍基合金堆焊层堆焊分为三个阶段，即前三层堆焊、中间层堆焊、熔敷层堆焊。
前三层焊接采用回火焊道焊接技术，线能量控制在0.7 KJ/mm至0.9 KJ/mm，送丝速度控制在700mm/min。
中间层采用非回火焊接工艺方法技术，线能量控制在0.7 KJ/mm至1.0 KJ/mm，送丝速度控制在1200mm/min；
熔敷层采用非回火焊接工艺方法技术，线能量控制在在1.0 KJ/mm至1.2 KJ/mm，送丝速度控制在2200mm/min至2700mm/min。
采用打磨方式对焊接完成的堆焊层进行打磨。
在镍基合金堆焊层堆焊时，控制镍基合金堆焊层与管段6之间的坡口夹角小于等于30度。
现以一具体实施例予以说明，需要指出的是，下述实施例仅为了便于对方法和效果的理解，并不构成对本方法保护范围的限制。
采用上述堆焊方法，按照ASME标准体系进行了设计论证，主要表现在以下两个方面。
堆焊层质量：堆焊完成后，按照ASME相关要求，对堆焊层进行了液体渗透检测、超声波检测、水压试验、侧弯试验、金相、硬度、化学成分、腐蚀性能等考验，考验结果满足ASME技术体系要求。
堆焊层应力状态及分布：堆焊完成后，采用中子衍射测试方法，对堆焊层残余应力进行测试分析，结果显示，整个堆焊层以压应力为主，应力分布合理，未发现应力集中点，达到了堆焊层结构设计要求。
实例：整个堆焊层焊接包括以下五个步骤：
步骤1：不锈钢焊缝凹槽补焊
不锈钢焊缝凹槽补焊采用脉冲自动氩弧焊接方法，焊接峰值电流采用250A，基值电流采用190A，脉冲比为0.2s:0.2s，电弧电压11.5V，旋转速度140mm/min，送丝速度旋转2400mm/min，焊接枪气选用0.35MPa，层间温度控制在180℃以下。
步骤2：不锈钢焊缝凹槽补焊焊缝打磨
采用机械打磨方式，将不锈钢焊缝凹槽补焊焊缝打磨至与原母材齐平。
步骤3：前三层焊接
前三层焊接采用回火焊接技术，峰值电流采用180A，基值电流采用120A，脉冲比为0.2s:0.2s，电弧电压10.2V，旋转速度140mm/min，送丝速度旋转700mm/min，焊接枪气选用0.35MPa，层间温度控制在66℃以下。
步骤4：中间层焊接
中间层焊接时，峰值电流采用220A，基值电流采用120A，脉冲比为0.2s:0.2s，电弧电压10.5V，旋转速度140mm/min，送丝速度旋转1200mm/min，焊接枪气选用0.35MPa，层间温度控制在180℃以下。
步骤5：熔敷层焊接
熔敷层焊接时，峰值电流采用250A，基值电流采用190A，脉冲比为0.2s:0.2s，电弧电压11.5V，旋转速度140mm/min，送丝速度旋转2400mm/min，焊接枪气选用0.35MPa，层间温度控制在180℃以下。
堆焊层检验：
通过上述步骤，制备的管道堆焊层通过液体渗透检测、超波检测等无损检测，结果未发现缺陷。
通过水压试验采用的试验压力为21.5MPa；水压试验时，水温应大于25℃（当材料NDT温度≤10℃时）；水压试验时，均匀缓慢地逐级升压，每级2.0MPa，保压2Min，升压至17.2MPa时，保持10Min，之后继续分级升压至21.5MPa，保持30Min。然后，以相同级数和停压时间降到17.2MPa，保持30Min后进行全面检查。卸压仍以升压相同的压力和时间间隔逐级进行。试验结果：试验件无变形，无泄漏现象发生。
在堆焊层中取4件侧弯试样，按照ASME第IX卷QW-462要求开展侧弯试验，结果满足ASME第IX卷QW-163要求。
在堆焊管道上切取4件全截面金相样品，按照JB/T2636要求开展进行检验，
用肉眼检查基层金属或热影响区的宏观金相未发现有未熔合及裂纹；将酸蚀后的试样放在低倍下观察，未发现裂纹、未熔合等缺陷。结果满足ASME 第IX卷 QW-453及QW-462.5相关要求。
在金相试样上，按照ASME 第IX卷 QW-290.5的规定，对焊缝金属、热影响区及母材的横截面上进行维氏硬度试验。硬度载荷为10Kg，试验结果显示硬度在290HV10～350HV10之间。
在金相试样上，按照GB/T4334.5方法E进行腐蚀性能分析，试验结果无晶间腐蚀倾向。
在堆焊层上取熔敷金属粉末进行化学成分分析，分析结果满足熔敷金属成分要求。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于核电稳压器安全端异种金属管道堆焊维修方法，其特征在于，包括以下步骤：
在过渡管段（4）和管段（6）之间的焊缝上挖除不锈钢焊缝（5），并补焊不锈钢焊缝（5），打磨补焊焊缝使之与管段（6）齐平；
在低合金钢管段（1）、预堆边（2）、预堆边焊缝（3）、管段（6）上堆焊镍基合金堆焊层（8）；
堆焊镍基合金堆焊层（8）的步骤包括：前三层堆焊、中间层堆焊和熔敷层堆焊；
所述前三层堆焊采用回火焊道焊接方法焊接；所述中间层堆焊和熔敷层堆焊采用非回火焊接工艺方法焊接。
2.根据权利要求1所述的一种用于核电稳压器安全端异种金属管道堆焊维修方法，其特征在于：在挖除不锈钢焊缝（5）时，打磨不锈钢焊缝（5）的表面，使之形成一个周向凹槽。
3.根据权利要求2所述的一种用于核电稳压器安全端异种金属管道堆焊维修方法，其特征在于：所述凹槽的宽度比过渡管段（4）和管段（6）之间的焊缝宽2mm～4mm，深度为2mm～3mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于核电稳压器安全端异种金属管道堆焊维修方法，其特征在于：在补焊不锈钢焊缝（5）时，采用自动氩弧焊接方法，补焊打磨后的凹槽，焊接添加ERNiCrFe-7A镍基合金焊丝，焊丝直径为1.0mm，线能量为1.0KJ/mm至1.2KJ/mm，送丝速度为2200mm/min至2700mm/min。
5.根据权利要求1所述的一种用于核电稳压器安全端异种金属管道堆焊维修方法，其特征在于：在前三层堆焊时，线能量为0.7 KJ/mm至0.9 KJ/mm，送丝速度为700mm/min；在中间层堆焊时，线能量为0.7 KJ/mm至1.0 KJ/mm，送丝速度为1200mm/min；在熔敷层堆焊时，线能量为1.0 KJ/mm至1.2 KJ/mm，送丝速度为2200mm/min至2700mm/min。
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