核电站冷凝器管板密封焊的缺陷在线修复

夏军，黄定涛，冯兴旺

中广核核电运营有限公司 广东深圳 518023

1 序言

冷凝器属于表面式热交换器的一种，是核电站二回路凝结水系统中的重要设备。汽轮机内作过功的蒸汽进入冷凝器，冷却水（海水）在钛管内流动，蒸汽在钛管的外表面受冷却凝结成水后进入循环水系统。冷凝器作为冷却二回路水的关键设备，对于保证一回路持续冷却、确保堆芯安全具有重要的意义。

钛管和管板密封焊作为核电站二回路循环水和海水冷却水的密封边界，由于焊缝的原始制造缺陷、异物的磨损、系统内介质的冲刷和腐蚀等原因，可能导致管板密封焊缝局部泄漏，进而导致密封屏障失效。如果不进行修复，海水进入核电站二回路后将影响二回路设备可用性和冷凝器的真空度，破坏核电站的安全运行。因此，必须对存在缺陷的管板密封焊缝进行修复，恢复其密封边界的完整性[1]。

2 焊缝缺陷的检查与成因分析

2.1 冷凝管板结构分析

钛的平衡电位很低，从热力学角度而言是非常活泼、腐蚀倾向很大的金属。但由于其和氧有很大的亲和力，在空气或者含有氧的介质中，会在表面生成一层致密的、强附着力的、具有较大惰性的氧化膜，并且即便受到机械磨损后，也会很快地重新生成以保护基体不受氧化侵蚀。因此，在氧化性或者弱还原性的环境中，钛表现出强烈的钝化倾向。在315℃以下的介质温度中，钛材始终保持着耐腐蚀性能，又由于其导热系数小以及耐热性能好等特点，是发电厂凝汽器冷凝管较好的选择材料[2]。

某核电厂冷凝器选用钛管作为换热管材料，采用膨胀-密封焊方式制作的冷凝器管板结构如图1所示。

图1 冷凝器管板密封焊结构

首先，通过机械方式将管束和管板进行强度胀接，之后通过焊接的方式将管板和管束进行密封，形成冷凝器密封的一道屏障。在进行焊接前，先进行胀管的优点[3]：一方面，由于冷却管的管壁较薄，如果不进行胀管或者胀管不足，冷凝管和管板之间会出现间隙，焊接时就可能出现烧穿或者未熔合等焊接缺陷；另一方面，由于钛材具有较高的化学活性，使其对焊缝以及焊材表面的污物十分敏感，因此，焊接时需要在背面进行氩气保护。但凝汽器受结构限制，无法从管板里进行充氩保护。因此采用先胀后焊，胀管后就能消除管与管板孔之间的间隙，从而避免焊缝背面的氧化或合金烧损。

其次，必须保证机头定芯棒插入管子内防止管子移动。在设备运行过程中胀接部分主要受振动和循环载荷，而焊缝部分主要起密封作用[4]。

由于核电站冷凝管板的重要性，需要定期对其进行缺陷检查以保证其功能完整性。在设备检修过程中，冷凝器管板密封焊的缺陷可通过目视检查、液体渗透检测、泄漏性试验及压力试验等进行检查确认。可以通过渗透检测的方式发现密封焊表面的缺陷，如果存在缺陷则可以通过焊接的方式及时对其进行修复，以恢复其完整性要求。

2.2 缺陷及成因分析

某核电站大修期间对进口水室凝汽器管板部分传热管（钛管）管口密封焊缝进行目视检查和渗透检测，发现冷凝器管板焊缝有腐蚀迹象、磨损和线性显示，如图2～图5所示。从图中可看到明显的腐蚀现象，主要集中在焊缝处。部分磨损严重的区域，管口全周均被磨损，熔合线不明显甚至消失；通过PT检测，有的区域出现了明显的线性显示，管板损伤严重。

图2 密封焊腐蚀

图3 密封焊磨损情况

图4 线性显示一

图5 线性显示二

诸多原因都会导致凝汽器发生破损泄漏，如结构设计存在泄漏隐患、换热管振动设计不符合设计标准，或管子与管板存在质量问题。另外，在制造安装阶段，管孔是否倒角，安装时的划伤、磕碰，以及管端胀接、焊接质量等均会影响凝汽器的焊接质量。补水等附加流体进入凝汽器的水质不达标也会造成凝汽器的泄漏隐患。

综合分析该凝汽器的磨损程度与分布，焊接工艺以及运行环境，分析其泄漏与磨损更有可能是由运行期间海水生物腐蚀、贝壳划伤、沙子冲蚀等造成的。由于电站处于海湾边，海水泥沙含量大、流速快，当海水所携带的颗粒状泥沙冲击冷凝管板时，以及其他物品冲击管板，最终造成其磨损与腐蚀。

3 修复方案

3.1 缺陷的清除

密封焊缺陷首先需要采用机械打磨的方法进行清除，这是由于已经萌生的裂纹将会作为应力集中点，在外力的作用下会发生裂纹扩展现象而进一步损伤材料。因此，必须将已经出现宏观裂纹的地方清除掉。

为确定裂纹的位置与大小，首先进行液体渗透检测。根据渗透显示，针对缺陷较小的部位可以进行轻微的打磨，若能彻底去除缺陷且焊缝外观成形和尺寸检查满足验收技术要求的，经过技术评价可不进行补焊处理。对于轻微打磨后无法彻底去除缺陷的，或缺陷打磨后焊缝外观成形和尺寸检查不符合技术规范要求，此时应对缺陷区域进行补焊修复。打磨过程中尽量避免出现过热区，宜选用无氯铝基无铁材料制成的电磨头，或选用不锈钢材料制成的钢丝刷。

3.2 补焊修复

冷凝器密封焊缺陷的修复方案应综合考虑缺陷的尺寸和性质类型等因素，主要有焊接修复和安装堵头两种方式。安装堵头是依据管束的尺寸加工合适的堵头，利用焊接方法将堵头与管板焊缝熔合在一起，利用金属熔合达到一定的连接强度和密封性能。为确保堵头焊接的质量，堵头材质应选择与换热管管束同牌号的材质进行加工，被堵管的管板端部密封焊需要进行焊前打磨和清理，使之圆整清洁，堵头与管束有良好的装配。修复方法简单实用，可保证设备密封性能的完整性，但因缺陷管束的介质流通通道被堵死将会导致冷凝器损失一定的热交换效率。综合考虑，本次修复将不采用安装堵头的方式。

焊接修复是冷凝器密封焊缺陷修复的另一个主要方法，其通过对缺陷部位直接打磨处理后进行补焊修复。对于管束本身已发生破损的情况，此方法并不适用。本次检修的冷凝管并未发生管束破损的情况，仅出现了磨损与腐蚀情况，为了不影响冷凝器的冷却作用并综合考虑破损情况，因此决定在进行机械打磨后，采用补焊的方式进行修复。

但由于钛及钛合金在焊接过程中，液态熔滴具有强烈的吸收氢、氧及氮的能力，在250℃时钛开始吸收氢，400℃时开始吸收氧以及600℃时开始吸收氮[5，6]，且随着温度的升高，其吸收这些气体的能力也随之明显提升。这些气体被吸收后，会与钛发生反应，这将导致焊接接头的脆化，降低焊接强度，影响焊接质量，导致设备的使用性能降低。因此，对于钛材的焊接，需要在焊接过程中进行熔池保护，防止受到氧和氮的污染以确保补焊的成功。此外，由于钛材具有熔点高、热容量大及导热性能差的特点，在焊接热循环的作用下，容易出现焊缝和焊接热影响区中晶粒长大的现象，这也将导致焊接接头的塑性和韧性下降。因此，需要采用较小的焊接热输入，以减小焊缝热影响区的脆性，提高焊接接头的性能。

4 补焊修复的操作

4.1 焊前准备

进行补焊修复前，需要进行无损检测以确定缺陷的数量、尺寸和相对位置，并需要对缺陷部位进行标记便于现场准确的核实缺陷。打磨消除缺陷后，待补焊部位还应修磨到表面平整和圆滑过渡。如果缺陷较多、连续分布且面积较大时，需要采用机械加工方法将原始焊缝先进行整体打磨，并在打磨之后进行表面渗透检测，确定缺陷消除后再进行补焊修复，确保待补焊进行前，试样不存在初始裂纹。

由于管板和管束在制造过程中常采用先胀后焊的工艺，在施焊前先进行胀管，同时管道紧贴于内壁，导致缝隙中残留的污渍清理困难。缝隙中残留的油污、杂质和水分会严重影响焊接质量，焊缝中产生气孔的倾向与待焊部位的清洁度有很大关系，因此待焊部位表面及边缘的油污、锈渍、水、氧化膜及其他杂质应在焊前彻底清洁并保持干燥，必要时可采用火焰或热风枪等加热设备对待修复管板焊缝及临近区域进行烘烤以确保待焊接部位的干燥。

此外，由于凝汽器的钛管管板焊接作业是在冷凝器的水室内施工，有触电、窒息等工业安全风险，因此需要在地面铺设胶皮进行绝缘处理。焊工需要全程携带测氧表，使用安全电压，并且现场需要有一定的通风措施。为了保证焊接质量，现场需要足够亮度的照明，而且风的流速和流向不能影响焊接，建议采用压缩空气管对着容器壁进行吹扫，一方面保证容器内氧含量充足，另一方面不会产生较大气流而影响焊接实施。

针对钛材在高温液态熔滴状态下，容易出现吸氢、吸氧、吸氮导致形成气孔，从而影响焊接接头强度的情况，需要对焊接部位采用氩气保护，其中需要注意以下三点：

1）焊接的保护气体纯度要求：氩气的纯度应≥99.99%。

2）修复前应彻底清除待焊件表面氧化皮、油污、杂质、水分等。

3）焊接过程中应对熔池施以良好的气体保护，并且控制好氩气的流量，防止产生紊流现象。

综合考虑冷凝器管板管束密封焊的结构，以及现场焊接的实用性、高效性、便捷性，专门设计制作了一个针对钛管板焊接修复的氩气保护专用工具，如图6所示。通过保护罩在钛管板表面形成氩气保护气氛，氩气从铜管口进入保护罩，在铜管上钻大量孔，促进氩气的释放，采用这种专用的保护罩，氩气进入分布管后进入保护罩，多孔铜管可以起到氩气筛和分布的作用，使氩气流动更平稳，对焊接熔池的保护效果更好。利用该装置提供稳定的氩气环境并屏蔽空气，确保了焊接在低氮、氧、氢的环境下进行，保证了焊接质量。

图6 管板密封焊焊接专用氩气保护罩

4.2 焊接实施要点

为有效控制焊接变形和焊接温度，焊接过程中可采用对称跳焊的方法，一般采用“之”字形跳焊法。焊接时焊枪位置的设置，钨棒与焊缝之间的尺寸控制是焊接质量好坏的关键，应严格按工艺规程的要求实施。为了确保现场焊接施工质量，针对核电站凝汽器钛管板焊接的施工特点制定以下几点要求：

1）具有焊接资质的焊工进行焊接作业，并在施焊前，进行与实际条件相同的模拟焊接练习。

2）钛管板待焊接区域在打磨后应露出金属光泽，并用丙酮或无水酒精进行清洗去污。

3）焊机需处于良好状态并检测其电弧电压、焊接电流等关键参数。

4）钨极应使用专用钨极打磨机进行打磨，钨极尖端处应磨出钝边。

5）焊接时从11点起弧，顺时针旋转焊接一周后在12点位置时开始衰减，在3点位置收弧，如图7所示。

分段进行焊接时，要严格进行控温，待焊缝表面温度冷却至工艺规程要求温度后才可进行下一段的焊接，避免局部焊接热输入量的不断累积，导致焊缝在冷却过程中产生角变形，影响焊缝成形和尺寸。同时避免钛管板管束胀接区在高温热传导下由于残余应力不断释放，而影响管板密封效果和钛管束的拉脱强度。

焊接过程中焊丝与焊件间应尽量保持小的夹角，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀地送入熔池，不得将焊丝端部移出氩气保护区。焊接时，应注意焊枪的摆动幅度和频率不宜太大，以免影响氩气的保护。断弧及焊接收尾时，要继续通氩进行保护，直到热影响区金属冷却到350℃以下时方可移开氩气保护罩。

焊接过程中使用管板密封焊焊接专用氩气保护罩对熔池进行氩气保护，氩气从进气孔进入分布管后进入保护罩，多孔管主要起气筛和分布的作用，使氩气流动更平稳，焊接保护效果较好，焊道呈银白色或金黄色。现场修复焊接现场如图8所示。

图7 焊接起弧和收弧位置

图8 修复现场

4.3 修复效果

在焊接修复完成后，目视检查结果显示焊接接头表面不存在裂纹、气孔、夹渣、咬边等缺陷，同时管板孔的边缘不存在任何形式的未熔合、焊偏和翻边等缺陷。液体渗透检测表明熔敷金属表面不存在任何尺寸的显示，管孔边缘和热影响区不存在任何形式的缺陷显示。

该密封焊缺陷修复技术已成功应用于多个核电站的冷凝器管板密封焊缺陷的在线修复，维修后经多年的运行和监测，使用正常，未出现破损等现象。

5 结束语

冷凝器管板密封焊修复工作主要通过合理选择修复方案，加强工艺保证措施，严格控制焊接参数，并采取严格的质量保证措施包括查漏策略、模拟试验、清洁和干燥的控制、熔敷质量的控制和形变的控制，能够有效地确保核电厂再生热交换器管板密封焊缺陷修复质量，并对后续类似工作开展提供重要参考依据，有较强的实际应用价值。