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換熱器U型管與管板角焊縫產(chǎn)生裂紋的原因分析及改進(jìn)措施

文檔作者：魏鵬曾憲華廖丹揚文檔來源：杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年09月21日
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余熱鍋爐2011．1
換熱器U 型管與管板角焊縫產(chǎn)生裂紋的
原因分析及改進(jìn)措施
杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司魏鵬 曾憲華 廖丹揚
摘要關(guān)于換熱器u型管與管板模擬件角焊縫焊后產(chǎn)生的線性裂紋缺陷，本
文對其產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，通過相關(guān)試驗和論證，驗證了原因分析的正確性。經(jīng)
過調(diào)整制造工藝，最終順利完成了產(chǎn)品的制造。
關(guān)鍵詞U型管與管板模擬件焊接缺陷原因分析復(fù)現(xiàn)性試驗
引言
模塊化高溫氣冷核反應(yīng)堆是一種安全性
好、可用于高效發(fā)電和高溫供熱的先進(jìn)核反
應(yīng)堆，它是國際核能領(lǐng)域第四代核能系統(tǒng)中
六種備選堆型之一，并且是唯一可在2020年
前實現(xiàn)商業(yè)化運行的第四代核能系統(tǒng)。它的
最重要特性是在任何事故情況下(包括喪失
所有冷卻的情況下)，不采取任何人為的和機
器的干預(yù)，反應(yīng)堆都能保持安全狀態(tài)。我國
某高校核研究院建成了世界上第一個模塊化
高溫氣冷堆實驗電站，在這一高科技領(lǐng)域，我
國已經(jīng)走在了世界前列。
模塊化高溫氣冷核反應(yīng)堆工作原理是：
用石墨做為慢化劑，用氣體氦作為冷卻劑(這
就是“氣冷”)，氦氣的溫度高達(dá)800oC左右
(這就是“高溫”)具體過程是：當(dāng)反應(yīng)堆內(nèi)的
核燃料進(jìn)行核反應(yīng)時，放出中子，速度太快的
中子經(jīng)過石墨碰撞便慢下來(因為在此堆里
只有慢中子才能與鈾燃料發(fā)生有效反應(yīng))，以
維持核反應(yīng)。核反應(yīng)時要釋放出大量的熱
量，如果不把熱量帶走，就會燒毀反應(yīng)堆，對
核電的安全影響巨大，模塊化高溫氣冷核反
應(yīng)堆用氣體(氦)流經(jīng)堆芯，把熱量帶到熱交
換器，再由另一路冷卻劑把氦氣冷卻，降溫后
的氦氣又回到堆芯繼續(xù)冷卻反應(yīng)堆，形成閉
式循環(huán)回路，達(dá)到安全使用。
本公司為某核電高溫氣冷堆的二回路系
統(tǒng)試驗裝置制造的換熱器，其管板(規(guī)格
q：044×205rma)采用的是GB標(biāo)準(zhǔn)的16Mn鍛
件，表面堆焊奧氏體不銹鋼，U型管采用的是
GB標(biāo)準(zhǔn)的OCr18NilcrI (規(guī)格q~25×3HⅡI1)，該部
件的u型管與管板的焊接質(zhì)量直接影響整個
二回路系統(tǒng)乃至整個反應(yīng)堆的正常運行。
1 事件描述
在核電產(chǎn)品設(shè)計、制造的全過程中，本公
司牢固樹立并切實貫徹“安全第一、預(yù)防為
主”的理念?！昂穗姛o小事”，這是我們對業(yè)主
的承諾也是我們對待核電產(chǎn)品的態(tài)度，為保
證本公司制造的某核電高溫氣冷堆二回路系
統(tǒng)試驗裝置換熱器的質(zhì)量，我們在該產(chǎn)品U
型管與管板裝配焊接前制作了模擬件，來驗
證我們的制造工藝。模擬件選用的是與換熱
器同材質(zhì)和同規(guī)格的U型管，嚴(yán)格按照我們
的換熱器制造工藝進(jìn)行u型管與管板的裝
配、機加工和焊接。結(jié)果u型管與管板角焊
縫焊后在焊縫外觀Pr檢查時發(fā)現(xiàn)有16個u
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型管管口附近的內(nèi)壁有線性裂紋(該模擬件
共有20個管口)，詳見圖1。
記錄、現(xiàn)場焊接參數(shù)記錄。都符合焊接工藝
指導(dǎo)書及焊接工藝評定的相關(guān)規(guī)定和要求。
2．3 Jm-r制造
結(jié)合該模擬件的結(jié)構(gòu)特點，其u型管穿
管后管端伸出管板表面有3mm的尺寸要求，
因U型管長度方向都存在一定的余量，因此
穿管后需要對管端多余尺寸進(jìn)行加工、去除。
實際車間采用了便攜式鏜口機對該部分u
型管端余量進(jìn)行了加工。
圖 u型P管T 發(fā)現(xiàn)苧線 性裂紋角 焊縫焊后 3?試一驗論一證
線性裂紋缺陷產(chǎn)生在u型管管端內(nèi)壁，
且在焊接后產(chǎn)生，如果發(fā)生在換熱器上面，將
嚴(yán)重威脅換熱器的質(zhì)量。我們通過對該批產(chǎn)
生線性裂紋U型管的原材料檢驗、u型管與
管板焊接過程記錄、加工制造過程等三方面
對該裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，確定原因后
對制造工藝進(jìn)行了調(diào)整，消除了產(chǎn)生缺陷的
隱患，保證了換熱器的制造質(zhì)量。
2 原因分析
該線性缺陷位于U型管管端的內(nèi)壁，是
U型管與管板角焊縫焊后PT探傷發(fā)現(xiàn)的，首
先我們要明確該缺陷是產(chǎn)生于焊接完成后還
是U型管本身就存在的，為弄清楚這個問
題，我們主要從以下三點進(jìn)行了分析。
2．】原材料
我們與u型管廠家一起查驗了該模擬
件U型管的原質(zhì)保書及入廠驗收報告，結(jié)果
顯示該批次u型管都是符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求
的。同時，u型管廠家也調(diào)查了該批u型管
在制造過程中的相關(guān)檢驗報告，報告顯示該
批次u型管的制造過程均符合相關(guān)制造標(biāo)
準(zhǔn)，且在制造過程并未產(chǎn)生任何缺陷。
2．2 焊接記錄
我們查看了該模擬件u型管與管板的
角焊縫施焊過程的焊接記錄，包括焊材領(lǐng)用
由于該u型管的原材料檢驗記錄和焊
接記錄證明，原材料和U型管與管板的焊接
都不具備產(chǎn)生線性缺陷的條件，并且該U型
管為奧氏體不銹鋼，質(zhì)地較軟且管壁較薄、直
徑較小，考慮到便攜式鏜口機的加工精度及
定位精度不高，加工過程受力不均勻，管端容
易產(chǎn)生尖銳的微小缺陷。并且目前的無損檢
測手段無法檢測該類型的缺陷，在后續(xù)模擬
件的u型管與管板角焊縫焊接過程中，u型
管受焊接熱過程的影響，導(dǎo)致了微小缺陷的
進(jìn)一步延伸，從而產(chǎn)生了明顯的線性裂紋。
為驗證該結(jié)論的正確性，我們進(jìn)行了缺
陷復(fù)現(xiàn)性試驗，重現(xiàn)模擬件u型管與管板的
裝配、機加工和焊接過程。
3．1 試樣制備
3．1．1 制備復(fù)現(xiàn)性試驗用工裝1付。
3．1．2 隨即抽取同批號的剩余u型管12根
(長度L=m0mm)作如下編號QH一1、QH一
2、QH一3、QH一4、QH一5、QH一6、QH一7、QH
一8、QrI一9、QH一10、QH一11、QH一12，準(zhǔn)備
管板試樣2塊。
3．1．3 對12根u型管進(jìn)行RT檢測，對U
型管管端的內(nèi)壁及外壁進(jìn)行PT檢測，檢測結(jié)
果全部合格，見圖2。
3．1．4 分組進(jìn)行u型管與管板的焊接質(zhì)量
檢測，從12根無損檢測合格的U型管取出
QH～1—4定為A組，QH一5～8定為B組。
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陷，見圖6。
圖6 QH—B(焊前)PT無缺陷
3．3．4 對QH一5、QH一6、QH一7、QH一8與
試樣塊進(jìn)行焊接。選用與模擬件焊接相同批
次的焊材，同一個焊工采用同樣的焊接參數(shù)，
在同一個場地進(jìn)行焊接。
3．3．5 焊后對QH—B試樣PT探傷結(jié)果未
發(fā)現(xiàn)U型管管端及內(nèi)壁存在任何缺陷，見圖
7n
圖7 QH—B(焊后)fyr無缺陷
3．3．6 結(jié)論：B組試驗的u型管與管板焊接
后U型管管端及內(nèi)壁和外部未產(chǎn)生任何缺
陷。
3．4 復(fù)現(xiàn)性試驗結(jié)論
由以上A組和B組試驗結(jié)論可以證實
我們關(guān)于某換熱器模擬件的U型管與管板
焊后U型管管端內(nèi)壁產(chǎn)生線性裂紋的原因
分析是準(zhǔn)確的。即由于U型管與管板裝配
后端頭多余尺寸加工時使用的是便攜式鏜
口，造成加工過程受力不均勻，從而導(dǎo)致u
型管在加工過程中管端已經(jīng)產(chǎn)生了尖銳的微
小缺陷，在后續(xù)u型管與管板角焊縫焊接過
程中，U型管受焊接熱過程的影響，使微小缺
陷進(jìn)一步延伸，最終導(dǎo)致U型管管端內(nèi)壁產(chǎn)
生了明顯的線性裂紋缺陷。
4 處理方案
針對以上A組和B組的復(fù)現(xiàn)性試驗原
因分析，我們對于此問題制定的最終處理方
案如下：對換熱器的制造工藝進(jìn)行了更改，取
消了對U型管管端余量采用便攜式鏜口機
加工的工藝，改成采用鏜床進(jìn)行機加工。
5 結(jié)論
由于u型管為奧氏體不銹鋼，質(zhì)地較
軟、管子較薄。u型管與管板裝配后管端頭
多余尺寸采用便攜式鏜口機加工容易導(dǎo)致u
型管在加工過程中產(chǎn)生尖銳的微小缺陷，在
后續(xù)U型管與管板角焊縫焊接過程中受熱
過程影響容易導(dǎo)致了缺陷的進(jìn)一步延伸，產(chǎn)
生明顯的線性裂紋缺陷。在本公司為某核電
高溫氣冷堆的二回路系統(tǒng)試驗裝置制造換熱
器的生產(chǎn)過程中我們調(diào)整了制造工藝，并且
對管壁較薄、直徑較小的不銹鋼管，特別是u
型管取消采用了便攜式鏜口機對其管端進(jìn)行
的加工。
參考文獻(xiàn)
(1]焊接手冊．第一卷．中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會
編．
[2]GB151—1999《管殼式換熱器》．
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裂原因分析》．
(3]何家勝．《u型管開裂失效分析》．《壓力容器》
2O07．5．
【4)錢頌文．《換熱器設(shè)計手冊》[M]．北京化學(xué)工業(yè)
出版社．2OO2．
(5]張文鉞，周振豐．《焊接冶金學(xué)》(上下冊)[M]．北
京：機械工業(yè)出版社，1995．
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