SG管板堆焊層剝離的原因分析及返修過程的質(zhì)量控制.docx

SG管板堆焊層剝離的原因分析及返修過程的質(zhì)量控制趙利勇 呂?；?蒲昌華 中國核電工程有限公司采購部監(jiān)造處摘要： 本文描述了蒸汽發(fā)生器短水室隔板焊接完成后管板鎳基堆焊層出現(xiàn)剝離的現(xiàn)象，對(duì)缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。研究表明：短水室隔板的焊接應(yīng)力與冷矯形產(chǎn)生的應(yīng)力之和超出了鎳基堆焊層的結(jié)合力，使得短水室隔板焊接完成后堆焊層產(chǎn)生了局部剝離。本文通過試驗(yàn)確定了返修方案的焊接工藝;并對(duì)事件處理過程的質(zhì)量控制進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞：蒸汽發(fā)生器 管板鎳基堆焊層 剝離 焊接應(yīng)力 質(zhì)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某制造廠承制了我司蒸汽發(fā)生器的制造任務(wù),我司在質(zhì)量控制上采用派遣駐廠代表進(jìn)行駐廠監(jiān)造的方式進(jìn)行質(zhì)量控制。制造廠在短水室隔板與管板鎳基堆焊層焊合后進(jìn)行全面UT檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)鎳基堆焊層下有大面積超標(biāo)顯示,發(fā)現(xiàn)缺陷后我司駐廠代表即要求制造廠重視缺陷的處理,并進(jìn)行了全程跟蹤,本文將從此缺陷的原因分析、處理方案的制定及返修過程闡述發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題后的質(zhì)量控制。1. 缺陷描述：圖1 短水室隔板裝焊按照工藝要求，短水室隔板將裝焊在鉆孔結(jié)束后的管板鎳基堆焊層上，裝焊位置在管板的Y-W軸線上（如圖1所示）。短水室隔板材料為SB168 UNS N06690，焊材為ER NiCrFe-7,焊接完成后UT檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)管板鎳基堆焊層的熔合區(qū)有超標(biāo)顯示，具體位置見圖2所示。制造廠割除短水室隔板后，將與UT檢測超標(biāo)區(qū)域相關(guān)的堆焊層進(jìn)行了解剖，發(fā)現(xiàn)鎳基堆焊層與管板母材（52M/SA508）結(jié)合層出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象，如圖3所示。2. 產(chǎn)生缺陷的原因分析圖2 UT檢測超標(biāo)顯示區(qū)域發(fā)生NCR后，制造廠調(diào)閱了管板、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廠復(fù)驗(yàn)記錄，所有材料均符合采購規(guī)程要求；檢查管板堆焊層焊后和焊后熱處理后的UT報(bào)、PT報(bào)告，未發(fā)現(xiàn)堆焊層熔合區(qū)有缺陷的記錄；對(duì)管板堆焊過程的焊接記錄進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)違規(guī)記錄；對(duì)堆焊層剝離區(qū)域取樣進(jìn)行了SEM掃描電鏡和EDAX能譜分析（詳見圖4），分析結(jié)果與正常堆焊層的結(jié)果相當(dāng)，未發(fā)現(xiàn)可引起脆斷的雜質(zhì)和焊接缺陷。由此可排除堆焊層發(fā)生剝離的現(xiàn)象產(chǎn)生于堆焊過程的可能，并認(rèn)為缺陷可能是在將短水室隔板焊接到鎳基堆焊層的裝焊過程中產(chǎn)生。裝配短水室隔板時(shí)用定位夾具（圖5所示）將短水室隔板固定在管板的Y-W軸線上，裝配后的短水室隔板向X側(cè)有所傾斜，用以抵消焊接應(yīng)力引起的變形。焊接從Z側(cè)開始，如圖1所示，采用手工氬弧焊焊接WS1后，拆除夾具，清根后繼續(xù)焊接WS2至焊縫的50%，打磨焊縫后重新裝上夾具， 圖5 短水室隔板裝夾工具及裝夾方式通過螺絲調(diào)整圖4 SEM-EDAX分析圖3 缺陷形態(tài)短水室隔板尺寸滿足圖紙要求，之后用自動(dòng)焊在X、Z側(cè)交替焊接WS3至完成。圖6 短水室隔板焊接平臺(tái)檢查短水室隔板焊縫的焊接記錄時(shí)發(fā)現(xiàn)，WS2的焊接參數(shù)和熱輸入量雖然在WPS要求范圍內(nèi)，但熱輸入量偏上限。分析認(rèn)為較高的熱輸入量和管板中心區(qū)域散熱性較差導(dǎo)致管板中心區(qū)域的堆焊層和短水室隔板焊縫的應(yīng)力增大，可能使得短水室隔板向管板Z側(cè)發(fā)生了傾斜。焊接WS3時(shí)重新安裝了定位夾具，為保證短水室隔板的尺寸滿足圖紙要求，采用了機(jī)械冷矯形，且夾具的螺絲固定的比較緊，使得這時(shí)的焊縫金屬承受了較大的約束力，此后的焊接過程依然采用了較大的焊接熱輸入量，使得焊縫金屬承受的應(yīng)力再次增加。圖7 堆焊層去除區(qū)域研究表明帶極電渣堆焊的焊接速度較低，焊接電流較大，熱輸入較大，特別對(duì)于管板鎳基合金堆焊，由于堆焊層與母材成分及性能差異較大，容易造成母材熱影響區(qū)晶粒粗大，堆焊層抗剝離性能較差。分析認(rèn)為短水室隔板焊接過程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力和第二次安裝夾具時(shí)冷矯形產(chǎn)生的應(yīng)力之和已超過52M/SA508接合面的結(jié)合力，使得短水室隔板焊接完成后堆焊層產(chǎn)生了局部剝離。這一結(jié)果得到了制造廠技術(shù)人員、我司駐廠代表的認(rèn)可。3. 返修方案及補(bǔ)焊工藝參數(shù)的確定制造廠經(jīng)過反復(fù)研究，并征得設(shè)計(jì)院和我司的許可，決定采用圖6所示的方案進(jìn)行返修，即：1）機(jī)加工去除短水室隔板及與其相接的鎳基堆焊層，詳見圖7所示，測定堆焊層挖除區(qū)管板上的鐵素體含量，確保鎳基堆焊層全部去除；圖8 模擬件2）補(bǔ)焊機(jī)加工區(qū)域，并打磨焊縫；3）在管板堆焊層上堆焊一個(gè)與短水室隔板相接的平臺(tái)；4）管板整體熱處理后機(jī)加工焊接坡口；5）重新焊接短水室隔板；焊縫順序焊接方法焊材電流電壓WS1SMAW 2.5mm ENiCrFe-7 焊條65A23VWS2SMAW 2.5mm ENiCrFe-7 焊條60A23VWS3SMAW 2.5mm ENiCrFe-7 焊條55A24VWS4SMAW 3.25mm ENiCrFe-7 焊條110A25VWS5SMAW 3.25mm ENiCrFe-7 焊條100A26VWS5SMAW 3.25mm ENiCrFe-7 焊條100A26VWS6GMAW 1.6mm ENiCrFe-7A焊絲220-250A30-38VWS7SMAW 4mm ENiCrFe-7 焊條120A26-27V 3.25mm ENiCrFe-7 焊條100A26V注：1）WS6可根據(jù)現(xiàn)場需要提前焊接；2）每道焊縫焊接完畢好要充分打磨；3）所有焊接盡量保持低的熱輸入量，將可能發(fā)生的變形減小到最小；圖10 補(bǔ)焊工藝電參數(shù)的要求管板相關(guān)的鎳基堆焊層經(jīng)機(jī)加工去除后，機(jī)加工坡口距管板管孔的最小距離為6.13mm，為了減小堆焊層的補(bǔ)焊過程對(duì)管孔形狀的影響，保證后續(xù)穿管、管子管板焊接等工序的順利開展，制造廠用一塊與待補(bǔ)焊管板具有相同狀態(tài)的試板制作了3種模擬件進(jìn)行焊接試驗(yàn)，模擬件的機(jī)加工坡口距管孔的距離分別為3.6mm、6mm、8mm（圖8）。通過對(duì)比模擬件焊前、焊后、熱處理后的管孔直徑變化（圖9），挑選變形量最小的模擬件進(jìn)行解剖分析，最終確定合適的補(bǔ)焊工藝。通過比對(duì)試驗(yàn)，挑選出一組合適的焊接參數(shù)，結(jié)合制造廠經(jīng)過評(píng)定的焊接工藝，得出圖10所示的焊接方案。應(yīng)用圖10所述的方案焊接了三件模擬件，并對(duì)管孔的焊前、焊后、焊后熱處理的直徑進(jìn)行了測量，6mm和8mm模擬件的變形量在-0.03mm+0.08mm內(nèi)，3.6mm模擬件的變形量最大為0.18mm。經(jīng)分析認(rèn)為此變形量不會(huì)對(duì)后續(xù)穿管、脹管、管子管板焊接等工序產(chǎn)生影響，是可以接受3.6mm的模擬件 6mm的模擬件 8mm的模擬件圖11 模擬件解剖后的微觀圖的。模擬件所有工序結(jié)束后，對(duì)3件模擬件解剖后進(jìn)行了微觀分析，如圖11所示，模擬件中管板原鎳基堆焊層與管板的結(jié)合層未受到明顯影響，管子與管板的焊接結(jié)合良好，晶粒組織未受到明顯影響，證明圖10所述工藝參數(shù)滿足制造要求。4. 缺陷去除及返修過程的質(zhì)量控制圖12 返修中的尺寸檢查我司駐廠代表在發(fā)現(xiàn)UT超標(biāo)缺陷后迅速反應(yīng)，與制造廠項(xiàng)目經(jīng)理取得聯(lián)系，就缺陷狀態(tài)進(jìn)行了溝通，要求制造廠立即開啟不符合項(xiàng)，并對(duì)缺陷進(jìn)行深入的研究，分析缺陷的產(chǎn)生原因，制定合理的返修方案，并要求進(jìn)行全程跟蹤控制。我司駐廠代表通過以下切入點(diǎn)和監(jiān)督方法對(duì)返修過程進(jìn)行了控制，使得返修質(zhì)量處于受控狀態(tài)。4.1 及時(shí)介入 搭建質(zhì)控框架在開啟NCR后，駐廠代表督促制造廠編制了返修工藝，并建議將返修工藝分成3部分逐步處理，即缺陷去除和分析部分、堆焊層補(bǔ)焊部分、短水室隔板重新焊接部分。通過在返修工藝上設(shè)置不同級(jí)別的監(jiān)控點(diǎn)對(duì)處理過程進(jìn)行控制，對(duì)缺陷去除區(qū)域的尺寸檢查、缺陷分析試驗(yàn)、返修工藝的制定、補(bǔ)焊過程及所有無損探傷進(jìn)行重點(diǎn)控制，由此搭建起缺陷處理的監(jiān)控框架，為質(zhì)量控制打好了基礎(chǔ)。4.2 注重溝通 加強(qiáng)工序控制核電文化的四個(gè)凡是中有一條警示：凡事有據(jù)可依。因此制造廠在執(zhí)行每一項(xiàng)工序時(shí)需按照相應(yīng)的操作規(guī)程操作，但制造廠編制操作規(guī)程時(shí)可能考慮通用性，使得在執(zhí)行某些工序的操作時(shí)不能達(dá)到預(yù)期效果，需要技術(shù)人員或監(jiān)督者提出一些額外操作要求。例如在本次缺陷事件中，管板堆焊層機(jī)加工去除后，需要對(duì)去除區(qū)域進(jìn)行了尺寸測量，但是操作人員所用的測量工具為普通直尺，駐廠代表在現(xiàn)場查看后認(rèn)為測量精度不夠，要求更換精度更高的測量工具，同時(shí)要求增加機(jī)加工坡口到管孔的距離測量，最終形成一份詳盡的尺寸檢查報(bào)告，為后續(xù)制作模擬件提供了重要參考數(shù)據(jù)。4.3 加強(qiáng)巡檢力度 監(jiān)督制造廠規(guī)范操作在制造過程中，應(yīng)有針對(duì)性的加強(qiáng)巡視或旁站力度，嚴(yán)格督促制造廠按照既定工藝操作，使制造過程處于受控狀態(tài)，同時(shí)對(duì)制造廠宣貫核文化。例如在堆焊層補(bǔ)焊過程中，駐廠代表在檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)管板中心區(qū)域補(bǔ)焊后，補(bǔ)焊邊界距機(jī)加工邊界的距離約為1518mm（如圖12所示），小