“華龍一號”貫穿件套筒預制階段的目視檢測

后 燦,邊永豐,謝明根,李義強

(1.中國建筑第二工程局有限公司,北京 101100;2.山東瑞祥模具有限公司,濟寧 272400)

核電站鋼制安全殼貫穿件是為工藝管道、電纜穿越安全殼時,保持安全殼屏障的完整性和密封性而設置在安全殼壁上的穿墻連接部件,對核電站的安全穩定運行有著非常重要的作用,是核電站安全運行的重要保障之一。

“華龍一號”鋼襯里有176個貫穿件套筒,貫穿件套筒有φ457 mm,φ508 mm,φ610 mm,φ625 mm,φ940 mm,φ1 016 mm等規格。鋼襯里貫穿件套筒的筒段部分通過卷板機彎曲成型,水平位置對焊而成。制造過程需要進行100%目視檢測、泄漏檢測和滲透檢測,以保證貫穿件焊縫的牢固和密封。目視檢測是多道無損檢測工序中的首位工序,是重要的質量檢測控制環節。以惠州太平嶺“華龍一號”核島鋼襯里貫穿件套筒為檢測對象,介紹了預制各階段中目視檢測的重點和常見缺陷,提出相關套筒筒段縱向焊縫余高及錯邊尺寸測量方法并進行驗證,旨在確保貫穿件套筒預制過程中的目視檢測符合相關標準要求。

1 預制各階段檢測重點及常見缺陷

貫穿件套筒預制過程中,目視檢測的重點主要為表面缺陷、坡口角度、組對間隙、錯邊量、焊接接頭的寬度及余高等內容。

1.1 組對前表面缺陷

搬運和轉換工位過程中可能造成磕碰損傷;卷板機在卷制過程中。鋼板內外表面也可能出現壓痕;保存不當可能形成銹蝕凹坑;組對前坡口面通過機加工形成,加工過程中可能會出現表面不連續性、表面粗糙、邊緣毛刺等,同時也可能在坡口面上觀察到鋼板原材料的分層缺陷,這些缺陷都應在組對前清除,表面機械損傷、分層缺陷示例如圖1所示。

圖1 表面機械損傷、分層缺陷示例

1.2 組對時表面缺陷

定位焊縫表面裂紋、未熔合、氣孔缺陷示例如圖2所示,定位焊時,焊點處的未熔合、氣孔、夾渣、裂紋、咬邊等缺陷在后續焊接時,可能被埋入焊縫中,成為內部缺陷,進而降低焊接接頭的嚴密性,減小焊縫的有效截面,致使其機械強度下降,也可能造成應力集中,發展成焊縫裂紋源,因此定位焊的目視檢測應和焊縫最終檢測的要求相同。

圖2 定位焊縫表面裂紋、未熔合、氣孔缺陷示例

1.3 焊后外觀檢測

完工的焊接接頭及熱影響區域不得有裂紋、未熔合、未焊透、密集氣孔、夾雜物、咬邊、焊瘤、未焊滿等外觀缺陷;特別值得注意的是,一些可能影響后續其他無損檢測結果的外形缺陷也是不能接受的,如未圓滑過渡的棱邊、打磨溝槽、表面劃傷等,這些缺陷可能對后續的滲透檢測顯示、射線底片的評定造成干擾,都應在其他檢測之前消除。打磨溝槽外形缺陷的射線檢測底片如圖3所示[1]。

圖3 打磨溝槽外形缺陷的射線檢測底片

2 尺寸檢測

坡口角度和組對間隙尺寸應按圖紙要求嚴格控制,通常情況下可采用常規方法進行檢測,即坡口角度使用焊接檢驗尺的多用尺與主尺組合測量,組對間隙使用焊縫檢驗尺的多用尺或者塞尺直接測量。

焊縫余高過高和錯邊量超差是常見的幾何形狀偏差,可能破壞焊接接頭的連續性,又會造成局部應力集中,降低疲勞強度,影響產品的使用安全周期。近年來國內外對焊縫余高和錯邊量控制都比較關注,也制定了相應標準加以控制。貫穿件套筒預制中焊縫余高和錯邊量尺寸也有相關的要求,B.T.S.3.15 《安全殼防泄襯里和空氣閘門建造-無損檢驗》 規范中焊縫余高的允許值如表1所示,同時該標準要求e<12 mm最大允許錯邊量為e/4;e≥12 mm最大允許錯邊量為e/10+2,且最大為5 mm。

表1 B.T.S.3.15規范中焊縫余高允許值 mm

目前,焊縫余高和錯邊量的常規目視檢測方法是使用HJC40型通用焊接檢驗尺測量相關尺寸,HJC40型通用焊接檢驗尺結構及實物如圖4所示。該檢驗尺是為平板焊縫設計的,其測量套筒卷制縱焊縫尺寸時,即使沒有余高,受套筒結構影響,測量也會存在偏差,在套筒外表面測量余高時,測量值將小于實際值,反之在內表面測量余高時,測量值將大于實際值,而且筒徑越小誤差越大,可能造成誤判漏判。因此,用該類型焊接檢驗尺測量貫穿件套筒縱向焊縫余高時,必須對測量結果進行修正才能準確判定余高是否滿足表1中的規定。同理,由于筒段焊縫兩側母材存在一定的曲率,使用通用的焊接檢驗尺和直板尺測量錯邊量時,誤差較大,甚至無法測量。

圖4 HJC40型焊接檢驗尺結構及實物示意

2.1 筒段縱向焊縫余高測量

2.1.1 套筒內側縱向焊縫余高測量修正

以HJC40型焊接檢驗尺主尺端面AB為測量基準,在高度尺的配合下進行測量,讀出的測量值會大于實際值,其差值為Δ內,套筒內側縱向焊縫余高測量示意如圖5 所示。

圖5 套筒內側縱向焊縫余高測量示意

圖5中套筒內側縱向焊縫實際余高HE=HH/cosθ,由于傾斜角θ很小,所以HE≈HH/=h;內側焊縫余高測量值h/=FH;當無錯邊余高為0時,檢驗尺讀數Δ內=H/F,則有

Δ內=H/F=CD=OC-OD

=(OB2-BC2)1/2-(H/O2-H/D2)1/2

=(r2-82)1/2-(r2-232)1/2

(1)

式中:r為套筒內半徑;Δ內為套筒內側縱向焊縫余高修正值;h′為焊接檢驗尺測量值。

所以修正后的實際筒段內側縱焊縫余高值h=h′-Δ內。

2.1.2 套筒外側縱向焊縫余高測量修正

HJC40型焊接檢驗尺主尺端面AB與套筒外側表面相切,保證主尺中心線對準圓心,以此為基準,在高度尺的配合下進行測量,讀出的測量值會小于實際值,其差值為Δ外,套筒外側縱向焊縫余高測量示意如圖6所示。

圖6 套筒外側縱向焊縫余高測量示意

圖6中套筒外側縱向焊縫實際余高HE=HH′cosθ,由于傾斜角θ很小,所以HE≈HH′=h;外側焊縫余高測量值h′=FH;當無錯邊余高為0時,檢驗尺讀數Δ外=H′F,則有[2]

Δ外=H′F=CD=OC-OD

=R-(H′O2-H′D2)1/2

=R-(R2-232)1/2

(2)

式中:R為套筒外半徑;Δ外為套筒外側縱向焊縫余高修正值;h′為焊接檢驗尺測量值。

所以修正后的筒段外側縱焊縫余高值h=h′+Δ外。

2.1.3 套筒縱向焊縫余高測量試驗

為了驗證套筒縱向焊縫余高理論公式的準確性,選一個外徑為457 mm,壁厚為16 mm,圓度較好的套筒作為試驗對象,套筒內、外側縱向焊縫余高測量現場如圖7所示。

圖7 套筒內、外側縱向焊縫余高測量現場

由式(1)可得套筒內側焊縫余高修正值Δ內=(212.52-82)1/2-(212.52-232)1/2=1.10 mm。選取一處測量點,在套筒內側通過HJC40型焊接檢驗尺量出縱向焊縫余高測量值h′=4 mm。故修正后內側焊縫實際余高h=h′-Δ內=2.90 mm。

由式(2)可得套筒外側焊縫余高修正值Δ外=228.5-(228.52-232)1/2=1.16 mm 。在內側選取測量點對應的套筒外側位置,通過HJC40型焊接檢驗尺量出縱向焊縫余高測量值h′=1 mm。故修正后外側焊縫實際余高h=h′+Δ外=2.16 mm。

為了實際工作中方便,筆者列出幾種常見預制規格的貫穿件套筒內、外側縱向焊縫余高修正值Δ(見表2)。

表2 幾種規格的貫穿件套筒內、外側焊縫余高修正值Δmm

筆者對測量點進行切割,然后對焊縫截面進行宏觀金相腐蝕,測量得出套筒內側實際余高h=2.84 mm,外側實際余高h=2.12 mm。套筒內、外側縱向焊縫余高宏觀金相顯示如圖8所示。

圖8 套筒內、外側縱向焊縫余高宏觀金相顯示

同理,分別對常見規格的貫穿件套筒加工余量的縱向焊縫余高測量點進行取樣,通過金相腐蝕試驗進行驗證,其結果如表3所示。

表3 幾種規格的貫穿件套筒內、外側焊縫余高測試值與金相腐蝕驗證值對比 mm

可見,采用上述修正方法得到的縱向焊縫余高測試值與金相腐蝕驗證值基本一致,此方法用于測量套筒內、外側縱向焊縫余高是可行的。

上述理論計算都是基于套筒圓度較好的前提下,當套筒圓度較差或者焊縫附近存在較大棱角時,修正值Δ可以在筒體上,直接使用HJC40型焊接檢驗尺測出,但是必須注意套筒外側測量時,應保持主尺端面中點與切點重合,若中點與切點偏離,將引起更大誤差。

2.2 錯邊量測量

套筒筒段存在一定的曲率,使用通用焊接檢驗尺和直板尺測量錯邊量較困難。在測量之前,需要加工輔助測量的試板,通過配合使用可快速測出。

在套筒外側測量錯邊量時,輔助測量試板的內圓弧半徑為被檢套筒的外半徑R,試板內側母材切割有一個同圓心的槽;在套筒內側測量時,輔助測量試板的外圓弧半徑為被檢套筒的內半徑r,試板外側母材切割有一個同圓心的槽[3]。槽深應高于被檢焊縫余高,寬度大于焊縫寬度加兩側各15 mm,輔助試板兩側端面至槽距離相同,且要保持平整一致,輔助測量試板結構及其實物如圖9所示。

圖9 輔助測量試板結構及其實物

在套筒外側測量錯邊量時,首先目測錯邊最嚴重的位置,再將輔助測量試板的圓弧槽中心線與縱向焊縫中心線對齊,使用鋼板尺分別測出焊縫兩側熱影響區至槽的距離,兩邊測得高度之差即為焊縫該處的錯邊量,套筒外側縱向焊縫錯邊量測量原理及現場如圖10所示。

圖10 套筒外側縱向焊縫錯邊量測量原理及現場

筆者測量了外徑為457 mm的貫穿件套筒縱向焊縫兩邊熱影響區至槽的距離,其結果分別為11 mm和7 mm,所以錯邊量為4.0 mm。

為了驗證此方法的可行性,在測量位置選取試樣進行宏觀金相腐蝕,外側顯示的錯邊量為3.90 mm,內側顯示的錯邊量為3.92 mm(見圖11),結果與上述測量計算值基本一致,證明此方法適用。

圖11 套筒內外側縱向焊縫錯邊量的宏觀金相顯示

3 結語

(1) 貫穿件套筒預制中,組對定位焊焊縫外觀缺陷的檢測不能忽視,其可能影響產品整體焊縫質量和使用壽命,并影響后續其他無損檢測結果的判定。

(2) 采用HJC40型通用焊接檢驗尺測量貫穿件套筒內、外側縱向焊縫余高時,需要進行修正才能得到實際的余高值。圓度較好的預制套筒,縱向焊縫余高修正值可以通過表2直接得到,也可通過式(1)和式(2) 計算得到。

(3) 對于幾種常用規格的套筒,可提前加工一些輔助測量試板,方便快速測量出套筒縱向焊縫錯邊量。該方法也可以用于相似管段等部件焊縫尺寸的測量,便于目視檢測人員能夠準確判斷出相關焊縫尺寸是否滿足相關標準要求。