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SG管板堆焊层剥离的原因分析及返修过程的质量控制
赵利勇 吕海慧 蒲昌华
中国核电工程有限公司采购部监造处
摘要：
本文描述了蒸汽发生器短水室隔板焊接完成后管板镍基堆焊层出现剥离的现象，对缺陷产生的原因进行了分析。研究表明：短水室隔板的焊接应力与冷矫形产生的应力之和超出了镍基堆焊层的结合力，使得短水室隔板焊接完成后堆焊层产生了局部剥离。本文通过试验确定了返修方案的焊接工艺;并对事件处理过程的质量控制进行了阐述。
关键词：蒸汽发生器 管板镍基堆焊层 剥离 焊接应力 质量控制
Abstract: This paper described a fact that stripping occurred in the inconel cladding after welded the partition stub to tube sheet of Steam generator. We have analysed the cause of this defects. The studies show that the stress of corrected deformation by the tooling bolts, in addition with usual welding stresses exceeded Tube sheet cladding bond strength, so the stripping occurred in the inconel cladding; We established a weld procedure of the repair program to tests .The method of quality control was expatiated, which used on the process of repair work.
Keywords: Steam generator, tube sheet, inconel cladding, stripping, weld stress, quality control
某制造厂承制了我司蒸汽发生器的制造任务,我司在质量控制上采用派遣驻厂代表进行驻厂监造的方式进行质量控制。制造厂在短水室隔板与管板镍基堆焊层焊合后进行全面UT检查时发现镍基堆焊层下有大面积超标显示,发现缺陷后我司驻厂代表即要求制造厂重视缺陷的处理,并进行了全程跟踪,本文将从此缺陷的原因分析、处理方案的制定及返修过程阐述发现质量问题后的质量控制。
1. 缺陷描述：
图1 短水室隔板装焊
按照工艺要求，短水室隔板将装焊在钻孔结束后的管板镍基堆焊层上，装焊位置在管板的Y-W轴线上（如图1所示）。短水室隔板材料为SB168 UNS N06690，焊材为ER NiCrFe-7,焊接完成后UT检查时发现管板镍基堆焊层的熔合区有超标显示，具体位置见图2所示。制造厂割除短水室隔板后，将与UT检测超标区域相关的堆焊层进行了解剖，发现镍基堆焊层与管板母材（52M/SA508）结合层出现了剥离现象，如图3所示。
2. 产生缺陷的原因分析

图2 UT检测超标显示区域
发生NCR后，制造厂调阅了管板、短水室隔板、管板堆焊所用焊材及焊接短水室隔板焊材的入厂复验记录，所有材料均符合采购规程要求；检查管板堆焊层焊后和焊后热处理后的UT报、PT报告，未发现堆焊层熔合区有缺陷的记录；对管板堆焊过程的焊接记录进行了检查，未发现违规记录；对堆焊层剥离区域取样进行了SEM扫描电镜和EDAX能谱分析（详见图4），分析结果与正常堆焊层的结果相当，未发现可引起脆断的杂质和焊接缺陷。由此可排除堆焊层发生剥离的现象产生于堆焊过程的可能，并认为缺陷可能是在将短水室隔板焊接到镍基堆焊层的装焊过程中产生。
装配短水室隔板时用定位夹具（图5所示）将短水室隔板固定在管板的Y-W轴线上，装配后的短水室隔板向X侧有所倾斜，用以抵消焊接应力引起的变形。焊接从Z侧开始，如图1所示，采用手工氩弧焊焊接WS1后，拆除夹具，清根后继续焊接WS2至焊缝的50%，打磨焊缝后重新装上夹具，

图5 短水室隔板装夹工具及装夹方式
通过螺丝调整

图4 SEM-EDAX分析

图3 缺陷形态
短水室隔板尺寸满足图纸要求，之后用自动焊在X、Z侧交替焊接WS3至完成。

图6 短水室隔板焊接平台
检查短水室隔板焊缝的焊接记录时发现，WS2的焊接参数和热输入量虽然在WPS要求范围内，但热输入量偏上限。分析认为较高的热输入量和管板中心区域散热性较差导致管板中心区域的堆焊层和短水室隔板焊缝的应力增大，可能使得短水室隔板向管板Z侧发生了倾斜。焊接WS3时重新安装了定位夹具，为保证短水室隔板的尺寸满足图纸要求，采用了机械冷矫形，且夹具的螺丝固定的比较紧，使得这时的焊缝金属承受了较大的约束力，此后的焊接过程依然采用了较大的焊接热输入量，使得焊缝金属承受的应力再次增加。

图7 堆焊层去除区域

研究表明带极电渣堆焊的焊接速度较低，焊接电流较大，热输入较大，特别对于管板镍基合金堆焊，由于堆焊层与母材成分及性能差异较大，容易造成母材热影响区晶粒粗大，堆焊层抗剥离性能较差①。
分析认为短水室隔板焊接过程中产生的焊接应力和第二次安装夹具时冷矫形产生的应力之和已超过52M/SA508接合面的结合力，使得短水室隔板焊接完成后堆焊层产生了局部剥离。这一结果得到了制造厂技术人员、我司驻厂代表的认可。
3. 返修方案及补焊工艺参数的确定
制造厂经过反复研究，并征得设计院和我司的许可，决定采用图6所示的方案进行返修，即：
1）机加工去除短水室隔板及与其相接的镍基堆焊层，详见图7所示，测定堆焊层挖除区管板上的铁素体含量，确保镍基堆焊层全部去除；

图8 模拟件
2）补焊机加工区域，并打磨焊缝；
3）在管板堆焊层上堆焊一个与短水室隔板相接的平台；
4）管板整体热处理后机加工焊接坡口；
5）重新焊接短水室隔板；

焊缝顺序
焊接方法
焊材
电流
电压
WS1
SMAW
Ø 2.5mm ENiCrFe-7 焊条
65A
23V
WS2
SMAW
Ø 2.5mm ENiCrFe-7 焊条
60A
23V
WS3
SMAW
Ø 2.5mm ENiCrFe-7 焊条
55A
24V
WS4
SMAW
Ø 3.25mm ENiCrFe-7 焊条
110A
25V
WS5
SMAW
Ø 3.25mm ENiCrFe-7 焊条
100A
26V
WS5
SMAW
Ø 3.25mm ENiCrFe-7 焊条
100A
26V
WS6
GMAW
Ø 1.6mm ENiCrFe-7A焊丝
220-250A
30-38V
WS7
SMAW
Ø 4mm ENiCrFe-7 焊条
120A
26-27V
Ø 3.25mm ENiCrFe-7 焊条
100A
26V
注：1）WS6可根据现场需要提前焊接；
2）每道焊缝焊接完毕好要充分打磨；
3）所有焊接尽量保持低的热输入量，将可能发生的变形减小到最小；
图10 补焊工艺电参数的要求
管板相关的镍基堆焊层经机加工去除后，机加工坡口距管板管孔的最小距离为6.13mm，为了减小堆焊层的补焊过程对管孔形状的影响，保证后续穿管、管子管板焊接等工序的顺利开展，制造厂用一块与待补焊管板具有相同状态的试板制作了3种模拟件进行焊接试验，模拟件的机加工坡口距
管孔的距离分别为3.6mm、6mm、8mm（图8）。通过对比模拟件焊前、焊后、热处理后的管孔直径变化（图9），挑选变形量最小的模拟件进行解剖分析，最终确定合适的补焊工艺。
通过比对试验，挑选出一组合适的焊接参数，结合制造厂经过评定的焊接工艺，得出图10所示的焊接方案。应用图10所述的方案焊接了三件模拟件，并对管孔的焊前、焊后、焊后热处理的直径进行了测量，6mm和8mm模拟件的变形量在-0.03mm~+0.08mm内，3.6mm模拟件的变形量最大为
0.18mm。经分析认为此变形量不会对后续穿管、胀管、管子管板焊接等工序产生影响，是可以接受

3.6mm的模拟件 6mm的模拟件 8mm的模拟件
图11 模拟件解剖后的微观图
的。模拟件所有工序结束后，对3件模拟件解剖后进行了微观分析，如图11所示，模拟件中管板原镍基堆焊层与管板的结合层未受到明显影响，管子与管板的焊接结合良好，晶粒组织未受到明显影响，证明图10所述工艺参数满足制造要求。
4. 缺陷去除及返修过程的质量控制

图12 返修中的尺寸检查
我司驻厂代表在发现UT超标缺陷后迅速反应，与制造厂项目经理取得联系，就缺陷状态进行了沟通，要求制造厂立即开启不符合项，并对缺陷进行深入的研究，分析缺陷的产生原因，制定合理的返修方案，并要求进行全程跟踪控制。我司驻厂代表通过以下切入点和监督方法对返修过程进行了控制，使得返修质量处于受控状态。
4.1 及时介入 搭建质控框架
在开启NCR后，驻厂代表督促制造厂编制了返修工艺，并建议将返修工艺分成3部分逐步处理，即缺陷去除和分析部分、堆焊层补焊部分、短水室隔板重新焊接部分。通过在返修工艺上设置不同级别的监控点对处理过程进行控制，对缺陷去除区域的尺寸检查、缺陷分析试验、返修工艺的制定、补焊过程及所有无损探伤进行重点控制，由此搭建起缺陷处理的监控框架，为质量控制打好了基础。
4.2 注重沟通 加强工序控制
核电文化的四个凡是中有一条警示：凡事有据可依。因此制造厂在执行每一项工序时需按照相应的操作规程操作，但制造厂编制操作规程时可能考虑通用性，使得在执行某些工序的操作时不能达到预期效果，需要技术人员或监督者提出一些额外操作要求。例如在本次缺陷事件中，管板堆焊层机加工去除后，需要对去除区域进行了尺寸测量，但是操作人员所用的测量工具为普通直尺，驻厂代表在现场查看后认为测量精度不够，要求更换精度更高的测量工具，同时要求增加机加工坡口到管孔的距离测量，最终形成一份详尽的尺寸检查报告，为后续制作模拟件提供了重要参考数据。
4.3 加强巡检力度 监督制造厂规范操作
在制造过程中，应有针对性的加强巡视或旁站力度，严格督促制造厂按照既定工艺操作，使制造过程处于受控状态，同时对制造厂宣贯核文化。例如在堆焊层补焊过程中，驻厂代表在检查时发现管板中心区域补焊后，补焊边界距机加工边界的距离约为15~18mm（如图12所示），小于工艺要求，将影响后续靠近管孔区域的焊接。驻厂代表向制造厂开具工作联系单，要求制造厂打磨去除多余的焊缝金属，保证工艺要求的30mm尺寸，并与车间操作者进行了耐心的沟通，强调严格执行工艺要求的重要性。
5. 总结
制造过程中出现的问题千变万化，但质量控制的总则不变，利用各种质控手段使得质量受控是我们最终的目的，这不仅需要监督者具有过硬的专业基础知识，同时也需要监督者具备较强的责任感和较强的沟通能力，能够细心、耐心、有条不紊的处理各种事件。