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摘要：针对核电机组凝汽器管子管板封口焊前期项目生产过程及现场检查发现的质量问题进行了梳理和总结，分析其原因，并从清洁度控制、焊接参数优化、工艺参数调节试板的应用、焊缝成形及进深值控制提出了技术改进措施，在实际应用中取得了良好效果，为国内核电凝汽器管子管板封口焊焊接工艺的改进提供了借鉴经验。
关键词：凝汽器;管子管板;封口焊;自动氩弧焊
中图分类号：TG441.7 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）11-0083-05
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.15
0 前言
核电机组凝汽器是凝汽式汽轮机系统的重要组成部分和辅机部套之一，是电力热力循环中的重要一环，对整个电厂的建设和安全、经济运行都有着决定性影响。凝汽器管束模块封口焊工艺是凝汽器制造过程中的重点、难点，同时也是对机组运行影响最大的重要工序，其因为管口数量巨大（以红沿河核电项目为例，单台机组共6个凝汽器模块，单个模块19 444个管口），对焊接质量的稳定性提出了非常高的要求。中广核工程公司前期核电项目的凝汽器封口焊发生了很多质量问题，给设备的制造及现场安装均带来了很大冲击，尤其是在核电现场进行返修难度大、工期长、返修成本居高不下。为了切实提高凝汽器封口焊质量，中广核工程公司对前期项目质量问题进行了原因分析，并对凝汽器封口焊焊接工艺进行了改进。
1 凝汽器管束封口焊结构及焊接工艺
百万千瓦级核电机组凝汽器主要利用冷却水冷凝汽轮机乏汽，其主要结构包括壳体、排汽颈、管束模块、水室等[1]，管束模块尺寸一般为16 m×4 m×5 m（长×高×宽），管板一般为钛复合板，冷却管为钛管，采用胀接+密封焊的方式连接[2]。管束的制造工艺包括穿管、胀管、胀焊等重要工序，胀焊又称封口焊，采取不填丝自动氩弧焊焊接工艺，凝汽器管束封口焊的结构示意见图1，焊接工艺重要参数见表1。
2 凝汽器封口焊焊接问题分析及工艺改进
2.1 凝汽器封口焊缺陷统计
以前期核电项目为分析对象，凝汽器管束封口焊焊缝缺陷中气孔缺陷最多，其他缺陷主要是波纹缺陷、裂纹缺陷和翻边缺陷，同时存在成型不良和胀管划痕缺陷，岭澳和红沿河项目的缺陷情况见表2、表3，典型缺陷特征见图2。在凝汽器的制造过程中，封口焊进深质量问题也是突出问题，红沿河项目的凝汽器管束封口焊进深值不合格情况见表4，封口焊进深值示意见图3。
2.2 凝汽器封口焊缺陷原因分析
2.2.1 气孔产生的缺陷原因
凝汽器管束封口焊发现的圆形显示基本是气孔，在各类缺陷中占比最高，虽然凝汽器胀焊已经建立了专门的清洁室，但在钛-管板焊接时，母材、氩气及污染物中的O2、N2、H2、CO2、H2O都会引起气孔，其中氢是引起气孔的主要气体。其形成机理是：熔池中溶入了大量的氫，在熔池移动、冷却、凝固过程中以氢气的形式向外逸出，一些来不及逸出的氢气将形成气孔。因钛管-板焊接前有清理、穿管和胀管等多道工序，均可能影响焊口清洁度。如在管-板胀接前，钛管与复合板管孔表面清洗不彻底，残留防锈油、灰尘等杂质，胀接后便封闭在钛管与复合板孔壁之间。钛管-板焊接时熔池中产生的氢气来不及向外逸出，形成气孔。另外空气潮湿和氩气纯度不够也是导致焊接中出现气孔的原因[3]。
2.2.2 翻边、波纹、裂纹、氧化缺陷原因分析
在凝汽器管束封口焊接过程中，翻边、波纹、裂纹、氧化、烧损等缺陷时有发生，也是封口焊典型缺陷[4-5]，主要与焊接参数不合理和焊接操作管理不足关联较大。焊接工艺参数设置不合理是导致其出现裂纹和氧化的主要原因，焊接及检验过程质量控制不严格是出现翻边和烧损的主要原因，尤其是在焊接过程中，焊接操作工容易产生视觉疲劳、操作疲劳，波纹缺陷则主要与钨极离钛管外壁表面距离过近相关[6]。
2.2.3 胀接不均匀、划痕产生的缺陷原因分析
凝汽器管束胀管数量巨大，在胀管过程中，若个别胀珠损坏，容易导致部分管板孔胀接后存在椭圆现象，造成胀接不均匀现象[6]。
凝汽器管束在胀管工序后，会使用切管机和平管机进行切管和平管，由于切管机和平管机定位芯套材质为黄铜，易划伤钛管，另外芯套直径偏小，当其在钛管内高速旋转时，易在定位芯套外与钛管间嵌入铁屑，也会划伤钛管。
2.2.4 封口焊成形不良及进深值不足原因分析
凝汽器管束封口焊进深值可理解为焊缝最小厚度。ASME标准中要求钛管封口焊缝的进深值应不小于管壁厚度。长期以来，凝汽器封口焊焊缝成形不良以及进深值不足等问题是制约封口焊质量的重要因素，经分析类似质量问题往往受焊接位置、工装机具、制造工艺等影响，特别是产品焊缝见证件进深不足将对产品焊缝造成巨大的质量风险。基于前期项目质量问题，该类型缺陷产生原因具体分析如下：
（1）焊肉分布半径偏大。
钛管-板焊缝剖面的超景深检测图片显示，钛管-板焊缝的外形整体较为饱满，圆弧状焊缝表面曲线相关未熔合点整体呈扇形。但焊缝整体位置距离管孔中心半径较大，即焊缝内圈表面离未熔合点距离较短，通常在该方向上，进深值不合格，如果能在焊肉量不变的基础上，使得整个圆周上焊肉分布向钛管中心靠拢，即焊肉相对未熔合点呈均匀分布，可增大钛管-板焊缝的进深值，见图4。钛管-板自动旋转氩弧焊接时，钨极距钛管外壁表面距离是影响这一因素的关键，钨极距钛管外壁距离偏大时，钛管-板焊缝进深值容易不合格，过近焊缝表面则出现波纹缺陷及成形不良缺陷。
（2）熔敷金属量不足。
因钛管-板焊接采用自动旋转氩弧焊自熔焊接工艺，无焊接材料填充。如果参与自熔焊接的钛金属量不足，会导致熔敷金属量不够，从而造成进深值不够及成形不良。通过观察现场作业情况，发现存在以下几种影响熔敷金属量的情况： a. 换热管端部在焊接前经过平管工序加工及去毛刺后，会使末端存在一个45°倒角，导致母材金属量不足。
b. 胀管后，钛管伸出长度不足。对现场已胀管待焊管的凝汽器壳体模块进行测量、统计，发现钛管伸出钛面的长度非常不均匀，为0.2～0.5 mm，不能满足工艺中要求的最佳值0.5 mm。
3 凝汽器封口焊工艺改进及成效
在实际生产过程中，封口焊质量缺陷具有产生频率高、随机性大、焊接质量稳定性差的特点。针对缺陷产生机理和大量参数试验，从清洁度控制、焊接进深值控制、焊接参数优化、工艺参数调节试板的应用提出工艺改进措施。
3.1 封口焊清洁度控制
（1）端管板组件装焊前检查清洁度。
端管板来料时，仔细检查管孔内的锈蚀与防锈油涂抹情况，如有锈蚀或防锈油涂抹量不足，则在端管板组件装焊前对其进行清理和补涂防锈油。
（2）端管板组件装焊时保护管孔区域清洁度。
端管板组件装焊时，先在端管板碳钢侧管束区域内表面贴一层附膜防锈纸，在防锈油作用下，防锈纸会与管板表面紧密贴合，将管孔彻底保护起来，确保无飞溅和粉尘进入管孔。
（3）端管板组件装焊后，管孔区域补涂防锈油。
端管板装焊完成后，先用管道压缩气体吹干净碳钢层表面与管孔内壁表面的灰尘与杂质，仔细清洗后，在整个管孔区域内仔细涂覆防锈油，杜绝留下盲区，见图5。
（4）采用“随擦随穿、随擦随胀、随擦随焊”的方式，保证管束区域清洁度。
清洁度对钛管-板焊接质量的影响极大，無论是前工序穿管工序、胀管工序和焊接前，均需清理干净杂质。验收时以用白布擦拭20个以上待焊管孔不变黑为清洁度合格依据，有效保证焊前清洁度。
（5）封口焊焊接预热后，采用电吹风热风对待焊管口进行吹扫，有效去除水汽、灰尘及其他杂质，从而消除原高压管道气吹扫带来的水、油等污染风险。
3.2 焊缝成形及进深值控制措施
（1）控制钨极旋转半径。
对于厚度0.7 mm钛管，焊接时应严格控制钨极旋转半径，使钨极距钛管外表面距离为0～0.1 mm。为精确控制钨极与钛管外表面距离，根据钨极距中心线的角度和钨极尖角度，焊接过程中增加塞尺进行测量，如图6所示。
（2）优化胀管后的平管工序。
对凝汽器壳体后行胀接的一侧管，适当增加钛管胀接后的伸长量，胀管后的平管工序使得钛管末端伸出钛面0.6～0.7 mm，并检查末端伸出余量，从而保证保留足够的母材金属，如图7所示。
（3）改善设备工装。
针对切管和平管设备，将定位芯套材质由黄铜改为尼龙，使其即使与钛管接触也不会划伤钛管，增大芯套直径至略小于钛管内径，使铁屑不易嵌入定位芯套与钛管之间的空隙;增加防转动装置，使除切刀系统外的其他部件不会转动划伤钛管。
3.3 焊接工艺参数优化
在原焊接工艺上，适当提高电流起始值，延长送气时间，保护气体纯度由原来的99%提高到99.999%，优化后的焊接参数见表5。
3.4 增加工艺参数调节试板
在凝汽器封口焊过程中，发现焊接缺陷后控制方法不当也是导致焊接缺陷重复出现的重要原因。经观察，在实际焊接作业过程中，当偶尔出现单个缺陷时，操作人员并不是立即停下检查焊枪，而是作好记号后继续施焊。只有当连续出现缺陷时，才会停下来调整焊枪，然后在产品试板上施焊，以检查焊枪参数调整效果。因此，在原有焊接见证件的基础上增加工艺参数调节试板，以提高产品试板焊缝一次合格率。具体要求为在产品焊接过程中一旦出现异常，立即停止焊接操作并调整焊枪位置及参数，在工艺参数调节试板和产品试板施焊合格后才能继续在产品上施焊。该方法优化了焊接过程的工艺流程，减少了非正常因素引起的产品焊接缺陷，改进前后焊缝质量控制对比见图8。
通过不断的改进焊接工艺，经过约10年、20多台核电机组凝汽器制造经验积累，目前中广核工程公司已将凝汽器“封口焊缝”一次焊接不合格率由11.3%降至0.03%。
4 结论
通过分析核电站凝汽器管子管板封口焊接缺陷，总结了气孔、波纹、成形不良、进深值不足等缺陷产生的原因;提出通过调整焊接参数来优化焊接工艺，建立了相对精准定量控制凝汽器管子-管板封口焊缝的进深值方法和通过增加工艺参数调节试板的方式来调整焊接参数，确保焊缝质量，为核电制造厂分析凝汽器管束封口焊缺陷原因和制定工艺改进措施提供了参考方法。
参考文献：
[1] 周绮. 阳江1 000 MW核电凝汽器特点分析[J]. 电站辅机，2009，30（3）：5-8.
[2] 梁宇，杨云，邹杰. MSR管子管板封口焊[J]. 压力容器，2009，26（9）：59-62.
[3] 唐俐. 换热器管子管板封口焊试验及应用[R]. 中西南十省区（市）焊接学会联合会第九届年会论文，2006.
[4] 李忠，杨凯利，于晓龙，等. 凝汽器泄漏问题的分析和解决方案[J]. 汽轮机技术，2007，49（2）：140-141.
[5] 王军伟，李臣，杨茂祝. 凝汽器钛管泄漏原因分析及预防措施[J]. 广东电力，2012，25（9）：114-117.
[6] 周礼军，侯志蓉，李振. 核电凝汽器钛管胀焊典型缺陷原因分析及处理[J]. 核电工程科技，2015，44（2）：91-94.
关键词：凝汽器;管子管板;封口焊;自动氩弧焊
中图分类号：TG441.7 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）11-0083-05
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.15
0 前言
核电机组凝汽器是凝汽式汽轮机系统的重要组成部分和辅机部套之一，是电力热力循环中的重要一环，对整个电厂的建设和安全、经济运行都有着决定性影响。凝汽器管束模块封口焊工艺是凝汽器制造过程中的重点、难点，同时也是对机组运行影响最大的重要工序，其因为管口数量巨大（以红沿河核电项目为例，单台机组共6个凝汽器模块，单个模块19 444个管口），对焊接质量的稳定性提出了非常高的要求。中广核工程公司前期核电项目的凝汽器封口焊发生了很多质量问题，给设备的制造及现场安装均带来了很大冲击，尤其是在核电现场进行返修难度大、工期长、返修成本居高不下。为了切实提高凝汽器封口焊质量，中广核工程公司对前期项目质量问题进行了原因分析，并对凝汽器封口焊焊接工艺进行了改进。
1 凝汽器管束封口焊结构及焊接工艺
百万千瓦级核电机组凝汽器主要利用冷却水冷凝汽轮机乏汽，其主要结构包括壳体、排汽颈、管束模块、水室等[1]，管束模块尺寸一般为16 m×4 m×5 m（长×高×宽），管板一般为钛复合板，冷却管为钛管，采用胀接+密封焊的方式连接[2]。管束的制造工艺包括穿管、胀管、胀焊等重要工序，胀焊又称封口焊，采取不填丝自动氩弧焊焊接工艺，凝汽器管束封口焊的结构示意见图1，焊接工艺重要参数见表1。
2 凝汽器封口焊焊接问题分析及工艺改进
2.1 凝汽器封口焊缺陷统计
以前期核电项目为分析对象，凝汽器管束封口焊焊缝缺陷中气孔缺陷最多，其他缺陷主要是波纹缺陷、裂纹缺陷和翻边缺陷，同时存在成型不良和胀管划痕缺陷，岭澳和红沿河项目的缺陷情况见表2、表3，典型缺陷特征见图2。在凝汽器的制造过程中，封口焊进深质量问题也是突出问题，红沿河项目的凝汽器管束封口焊进深值不合格情况见表4，封口焊进深值示意见图3。
2.2 凝汽器封口焊缺陷原因分析
2.2.1 气孔产生的缺陷原因
凝汽器管束封口焊发现的圆形显示基本是气孔，在各类缺陷中占比最高，虽然凝汽器胀焊已经建立了专门的清洁室，但在钛-管板焊接时，母材、氩气及污染物中的O2、N2、H2、CO2、H2O都会引起气孔，其中氢是引起气孔的主要气体。其形成机理是：熔池中溶入了大量的氫，在熔池移动、冷却、凝固过程中以氢气的形式向外逸出，一些来不及逸出的氢气将形成气孔。因钛管-板焊接前有清理、穿管和胀管等多道工序，均可能影响焊口清洁度。如在管-板胀接前，钛管与复合板管孔表面清洗不彻底，残留防锈油、灰尘等杂质，胀接后便封闭在钛管与复合板孔壁之间。钛管-板焊接时熔池中产生的氢气来不及向外逸出，形成气孔。另外空气潮湿和氩气纯度不够也是导致焊接中出现气孔的原因[3]。
2.2.2 翻边、波纹、裂纹、氧化缺陷原因分析
在凝汽器管束封口焊接过程中，翻边、波纹、裂纹、氧化、烧损等缺陷时有发生，也是封口焊典型缺陷[4-5]，主要与焊接参数不合理和焊接操作管理不足关联较大。焊接工艺参数设置不合理是导致其出现裂纹和氧化的主要原因，焊接及检验过程质量控制不严格是出现翻边和烧损的主要原因，尤其是在焊接过程中，焊接操作工容易产生视觉疲劳、操作疲劳，波纹缺陷则主要与钨极离钛管外壁表面距离过近相关[6]。
2.2.3 胀接不均匀、划痕产生的缺陷原因分析
凝汽器管束胀管数量巨大，在胀管过程中，若个别胀珠损坏，容易导致部分管板孔胀接后存在椭圆现象，造成胀接不均匀现象[6]。
凝汽器管束在胀管工序后，会使用切管机和平管机进行切管和平管，由于切管机和平管机定位芯套材质为黄铜，易划伤钛管，另外芯套直径偏小，当其在钛管内高速旋转时，易在定位芯套外与钛管间嵌入铁屑，也会划伤钛管。
2.2.4 封口焊成形不良及进深值不足原因分析
凝汽器管束封口焊进深值可理解为焊缝最小厚度。ASME标准中要求钛管封口焊缝的进深值应不小于管壁厚度。长期以来，凝汽器封口焊焊缝成形不良以及进深值不足等问题是制约封口焊质量的重要因素，经分析类似质量问题往往受焊接位置、工装机具、制造工艺等影响，特别是产品焊缝见证件进深不足将对产品焊缝造成巨大的质量风险。基于前期项目质量问题，该类型缺陷产生原因具体分析如下：
（1）焊肉分布半径偏大。
钛管-板焊缝剖面的超景深检测图片显示，钛管-板焊缝的外形整体较为饱满，圆弧状焊缝表面曲线相关未熔合点整体呈扇形。但焊缝整体位置距离管孔中心半径较大，即焊缝内圈表面离未熔合点距离较短，通常在该方向上，进深值不合格，如果能在焊肉量不变的基础上，使得整个圆周上焊肉分布向钛管中心靠拢，即焊肉相对未熔合点呈均匀分布，可增大钛管-板焊缝的进深值，见图4。钛管-板自动旋转氩弧焊接时，钨极距钛管外壁表面距离是影响这一因素的关键，钨极距钛管外壁距离偏大时，钛管-板焊缝进深值容易不合格，过近焊缝表面则出现波纹缺陷及成形不良缺陷。
（2）熔敷金属量不足。
因钛管-板焊接采用自动旋转氩弧焊自熔焊接工艺，无焊接材料填充。如果参与自熔焊接的钛金属量不足，会导致熔敷金属量不够，从而造成进深值不够及成形不良。通过观察现场作业情况，发现存在以下几种影响熔敷金属量的情况： a. 换热管端部在焊接前经过平管工序加工及去毛刺后，会使末端存在一个45°倒角，导致母材金属量不足。
b. 胀管后，钛管伸出长度不足。对现场已胀管待焊管的凝汽器壳体模块进行测量、统计，发现钛管伸出钛面的长度非常不均匀，为0.2～0.5 mm，不能满足工艺中要求的最佳值0.5 mm。
3 凝汽器封口焊工艺改进及成效
在实际生产过程中，封口焊质量缺陷具有产生频率高、随机性大、焊接质量稳定性差的特点。针对缺陷产生机理和大量参数试验，从清洁度控制、焊接进深值控制、焊接参数优化、工艺参数调节试板的应用提出工艺改进措施。
3.1 封口焊清洁度控制
（1）端管板组件装焊前检查清洁度。
端管板来料时，仔细检查管孔内的锈蚀与防锈油涂抹情况，如有锈蚀或防锈油涂抹量不足，则在端管板组件装焊前对其进行清理和补涂防锈油。
（2）端管板组件装焊时保护管孔区域清洁度。
端管板组件装焊时，先在端管板碳钢侧管束区域内表面贴一层附膜防锈纸，在防锈油作用下，防锈纸会与管板表面紧密贴合，将管孔彻底保护起来，确保无飞溅和粉尘进入管孔。
（3）端管板组件装焊后，管孔区域补涂防锈油。
端管板装焊完成后，先用管道压缩气体吹干净碳钢层表面与管孔内壁表面的灰尘与杂质，仔细清洗后，在整个管孔区域内仔细涂覆防锈油，杜绝留下盲区，见图5。
（4）采用“随擦随穿、随擦随胀、随擦随焊”的方式，保证管束区域清洁度。
清洁度对钛管-板焊接质量的影响极大，無论是前工序穿管工序、胀管工序和焊接前，均需清理干净杂质。验收时以用白布擦拭20个以上待焊管孔不变黑为清洁度合格依据，有效保证焊前清洁度。
（5）封口焊焊接预热后，采用电吹风热风对待焊管口进行吹扫，有效去除水汽、灰尘及其他杂质，从而消除原高压管道气吹扫带来的水、油等污染风险。
3.2 焊缝成形及进深值控制措施
（1）控制钨极旋转半径。
对于厚度0.7 mm钛管，焊接时应严格控制钨极旋转半径，使钨极距钛管外表面距离为0～0.1 mm。为精确控制钨极与钛管外表面距离，根据钨极距中心线的角度和钨极尖角度，焊接过程中增加塞尺进行测量，如图6所示。
（2）优化胀管后的平管工序。
对凝汽器壳体后行胀接的一侧管，适当增加钛管胀接后的伸长量，胀管后的平管工序使得钛管末端伸出钛面0.6～0.7 mm，并检查末端伸出余量，从而保证保留足够的母材金属，如图7所示。
（3）改善设备工装。
针对切管和平管设备，将定位芯套材质由黄铜改为尼龙，使其即使与钛管接触也不会划伤钛管，增大芯套直径至略小于钛管内径，使铁屑不易嵌入定位芯套与钛管之间的空隙;增加防转动装置，使除切刀系统外的其他部件不会转动划伤钛管。
3.3 焊接工艺参数优化
在原焊接工艺上，适当提高电流起始值，延长送气时间，保护气体纯度由原来的99%提高到99.999%，优化后的焊接参数见表5。
3.4 增加工艺参数调节试板
在凝汽器封口焊过程中，发现焊接缺陷后控制方法不当也是导致焊接缺陷重复出现的重要原因。经观察，在实际焊接作业过程中，当偶尔出现单个缺陷时，操作人员并不是立即停下检查焊枪，而是作好记号后继续施焊。只有当连续出现缺陷时，才会停下来调整焊枪，然后在产品试板上施焊，以检查焊枪参数调整效果。因此，在原有焊接见证件的基础上增加工艺参数调节试板，以提高产品试板焊缝一次合格率。具体要求为在产品焊接过程中一旦出现异常，立即停止焊接操作并调整焊枪位置及参数，在工艺参数调节试板和产品试板施焊合格后才能继续在产品上施焊。该方法优化了焊接过程的工艺流程，减少了非正常因素引起的产品焊接缺陷，改进前后焊缝质量控制对比见图8。
通过不断的改进焊接工艺，经过约10年、20多台核电机组凝汽器制造经验积累，目前中广核工程公司已将凝汽器“封口焊缝”一次焊接不合格率由11.3%降至0.03%。
4 结论
通过分析核电站凝汽器管子管板封口焊接缺陷，总结了气孔、波纹、成形不良、进深值不足等缺陷产生的原因;提出通过调整焊接参数来优化焊接工艺，建立了相对精准定量控制凝汽器管子-管板封口焊缝的进深值方法和通过增加工艺参数调节试板的方式来调整焊接参数，确保焊缝质量，为核电制造厂分析凝汽器管束封口焊缺陷原因和制定工艺改进措施提供了参考方法。
参考文献：
[1] 周绮. 阳江1 000 MW核电凝汽器特点分析[J]. 电站辅机，2009，30（3）：5-8.
[2] 梁宇，杨云，邹杰. MSR管子管板封口焊[J]. 压力容器，2009，26（9）：59-62.
[3] 唐俐. 换热器管子管板封口焊试验及应用[R]. 中西南十省区（市）焊接学会联合会第九届年会论文，2006.
[4] 李忠，杨凯利，于晓龙，等. 凝汽器泄漏问题的分析和解决方案[J]. 汽轮机技术，2007，49（2）：140-141.
[5] 王军伟，李臣，杨茂祝. 凝汽器钛管泄漏原因分析及预防措施[J]. 广东电力，2012，25（9）：114-117.
[6] 周礼军，侯志蓉，李振. 核电凝汽器钛管胀焊典型缺陷原因分析及处理[J]. 核电工程科技，2015，44（2）：91-94.