反应堆压力容器密封面堆焊技术研究与缺陷分析

摘 要：由于反应堆压力容器密封面对焊接质量要求极高，所以在焊接方法和焊材的选择上至关重要。本文主要以秦山项目使用的NiCr-3和NiCrFe-7两种焊材为例，对手工电弧焊、带极堆焊和TIG焊的焊接方法进行对比，并对其各自的焊接工艺、质量进行分析，以选取焊接密封面的最佳焊接方法，以期为我国核工业发展提供理论支持。

关键词：密封面；焊接；堆焊；工艺

中图分类号：TH12 文献标志码：A

0 引言

反应堆压力容器（以下称：RPV）作为核岛的主要设备，其封闭性是判定RPV屏蔽核辐射的有效指标，而其密封面的密封性对RPV的可靠性具有直接关系。在实际应用中，RPV的密封面主要以镍基焊材堆焊，堆焊层厚度一般≥50mm，由于堆焊层内应力大和焊接次数多等因素的影响，堆焊层常出现裂纹或脱落等缺陷，因此，堆焊方法及焊接工艺研究，对提升RPV的质量和防辐射性具有积极的意义。

1 试验

1.1 试验方法

本文采用密封面多道次堆焊试验，焊接方法包含带极堆焊、手工电弧焊及TIG焊，堆焊材料选择NiCr-3与NiCrFe-7两种镍基材料，焊接基体采用508-3锻造板，焊接方法为平焊，每层焊接后，均对堆焊层进行无损探伤。

1.2 试验过程

本文以带极堆焊、手工电弧焊及TIG焊3种焊接方式进行研究，具体试验过程及工艺如下：（1）带极堆焊：需堆焊6道次，每道次需控制堆焊进程并对堆焊层进行超声检测，以确保所有焊接层符合焊接工艺；（2）手工电弧焊：需严格控制焊接飞溅物及焊接紧缩裂纹，根据实际焊接温度设置焊接工艺；（3）TIG焊：焊接中形成良好的焊接层，焊缝小，焊材熔化良好，焊接坑饱满，无明显缺陷。以上焊接工艺参数见表1。

2 各焊接方法工艺研究

2.1 带极堆焊工艺研究

（1）堆焊过程

对于NiCr-3焊材的焊接工艺如下：每次焊接的层间搭接部分焊材融合质量良好，焊层表面光洁，无凹坑、裂纹等缺陷，焊层表面无大量氧化物聚集。通过焊接过程研究发现，带极堆焊在焊接收弧环节易存在表面脱渣的现象，这会导致焊接结束部位残留渣滓多，影响堆焊质量。因此，在焊接中会打磨清理收弧部位，清除残留氧化物，确保焊层的质量。焊接结束后，焊接部位需进行探伤检测，确保焊层内部无裂缝和凹坑等缺陷。对于NiCrFe-7焊材的焊接如下所示：焊接时，每道焊层搭接处质量较好，焊道收弧处易脱渣，焊接处表面形貌较粗，各道次焊层搭接处易富集氧化物，收弧处易出现裂纹和凹坑，因此，每道次焊接完成后均需要对前道次焊层的焊渣进行清理和检测，以确保后期焊层质量。当焊层厚度达到一定值时，常见较大裂纹，裂纹虽可打磨去除，但因其具有延展性，在发现大型裂纹时，需要通过一定工艺清理原有焊层后重新焊接，以保证质量。

（2）性能试验

理化性能检测是对焊材进行的，由于使用NiCrFe-7焊材堆焊后的焊层出现开裂，故不进行理化测试，本文仅对焊材NiCr-3进行检验，具体内容如下：①化学成分分析、抗拉强度、延伸率以及硬度等性能试验，合格后方可使用；②弯曲测试，弯曲后试样表面裂纹<2mm，符合要求后可使用；③金相检验，观察晶粒组织并计算平均晶粒尺寸；④观察晶粒间的链接是否符合要求，若晶间距过大或存在晶粒缺陷则不能使用。

2.2 手工电弧堆焊工艺研究

（1）堆焊过程

对手工电弧堆焊焊层表面质量分析后发现，每道次焊层表面常存在凹坑，焊缝处存在残渣或焊材熔合不理想等问题，因此，每次焊接后，需打磨焊层表面。对于NiCr-3焊材而言：焊材性能稳定，焊接过程中电弧起弧及焊层质量较好，焊接脱渣较好，焊层表面无大型裂纹及脱落等问题，在每道次焊层冷却后，需使用专业工具敲掉焊渣，以保证下道次焊层的质量及与上道次焊层之间的黏着力。对于NiCrFe-7焊材而言，由于焊材的起弧稳定性不好，焊材与基体高度不合适时，会导致焊材飞溅及焊材黏接等问题，这会导致焊层质量不好及焊弧熄灭，因此要求焊接工艺设计合理及工人焊接技術娴熟，焊后表面清理及打磨可参照NiCr-3焊材。对以上两种焊材的焊后表面进行无损检测发现，NiCrFe-7焊材比NiCr-3焊材的缺陷多，这时就需要通过专业焊层清除技术对有缺陷的部位进行清理，之后再补焊，最后进行无损检测，直至缺陷在可控范围内，结束焊接操作。

（2）理化性能试验

焊材NiCr-3进行理化测试内容如下：①化学成分分析、抗拉强度、延伸率以及硬度等性能测试；②对焊材弯曲测试；③焊材金相检验及晶间腐蚀检验。

2.3 焊丝机械TIG 堆焊研究

（1）堆焊过程

焊材NiCr-3的焊接状况如下：每道次焊层质量良好，表面质量完好，所形成的焊层密度大，孔隙率较小。而在焊接过程中焊层表面由于没冲电流作用而形成一定量的氧化物，且在焊层搭接处堆积。所以在实际生产过程中每道次焊接完成后均需要利用专用工具对焊层表面进行清理，保证焊层之间的黏结力。焊材NiCrFe-7的焊接情况如下：每道次堆焊质量较差，焊层表面氧化物较多，且收弧时焊材裂纹严重，每道次焊接结束后，均需要通过专用工具对焊层表面进行打磨，焊接结束后进行无损探伤，探伤合格方可结束焊接操作。

（2）理化性能试验

焊材NiCr-3进行理化测试内容如下：（1）对焊材进行化学成分分析、抗拉强度、延伸率以及硬度等性能测试；（2）对焊材进行弯曲测试；（3）对焊材的金相组织进行检测并观察晶间腐蚀情况。

结论

综上所述， 由于RPV密封面对焊接质量要求较高，且在焊接中不应产生较大热应力，所以经过研究应选择手工电弧堆焊方式，焊材选择NiCr-3，且在生产中还需应用多种检测手段对焊接质量进行控制以保证焊接质量。

参考文献

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