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    論文|核級閥門閥體密封面鐵基合金堆焊工藝
    2021-7-29 08:41 中國泵閥制造網 作者:佚名 點擊:2265
    【中國泵閥制造網 行業論文】摘要:分析了核級手動閥門閥體密封面堆焊鐵基合金時出現質量問題的原因,介紹了改變堆焊工藝參數和評估工藝穩定性后提出的閥門堆焊層質量控制措施。關鍵詞:核電站用閥; 閥門; 閥體; 密封面; 堆焊; 鐵基合金; 質量控制1 概述AP1000 是第三代壓水堆核電技術,為降低機組運行后的輻射水平,對含鈷材料嚴..

    摘要:

    分析了核級手動閥門閥體密封面堆焊鐵基合金時出現質量問題的原因,介紹了改變堆焊工藝參數和評估工藝穩定性后提出的閥門堆焊層質量控制措施。

    關鍵詞:核電站用閥; 閥門; 閥體; 密封面; 堆焊; 鐵基合金; 質量控制

    1 概述

    AP1000 是第三代壓水堆核電技術,為降低機組運行后的輻射水平,對含鈷材料嚴格限制[1] 。因此,用于 AP1000 的小口徑手動閥門閥體密封面加硬層堆焊選用鐵基合金。

    2 分析

    2.1

    堆焊

    閥體(圖 1)材料為 F304 不銹鋼,公稱尺寸≤50mm,待焊表面尺寸較小,屬于典型的深孔堆焊。在焊接過程中母材表面對保護氣體托持作用較差,容易造成焊層得不到充分的保護。根據閥體結構特點,選用手工鎢極氬弧焊方式堆焊。焊材根據低鈷要求,選用美標材料 SFA -5. 21ErFeCr - A5 鐵基焊絲。焊前,將機加工后的待堆焊面進行液體滲透檢測,確認無任何缺陷后在密封面上采用手工氬孤焊堆焊 2 層(表 1)鐵基合金。焊后將堆焊層加工平整,并確保密封面厚度為 2 ~3 mm。

    2.2

    檢測

    堆焊后,對經機加工的密封面進行液體滲透檢查,發現密封面出現裂紋等缺陷(圖 2)。為了查找原因并驗證焊接工藝的合理性,對閥體堆焊部位進行了分解取樣檢查(圖 3)。全球閥門網famens.com

    采用熒光光譜分析熔敷金屬化學成分,其結果符合要求。對密封面線切割取樣并打磨拋光,用王水腐蝕制成金相試樣。金相顯微照片(圖 4)顯示,熔敷金屬和熱影響區融合良好,組織均勻致密,無裂紋,但在堆焊層中存在黑色孔洞,孔洞多為圓形的焊接氣孔。對閥體密封面進行應力分析,測量點沿基體向熔合區選取(圖 5,表 2)。從數值分析可知,由母材沿堆焊層方向,應力逐漸增大,應力最大值 147. 6MPa。焊接熱輸入、焊縫的冷卻速率以及待焊母材的拘束程度是產生較大殘余應力主要原因。

    2.3

    改進

    通過分析,閥體密封面堆焊層硬質合金裂紋是由堆焊層內部孔洞和過大的殘余應力所致。因為堆焊層位置的殘余應力比較高,長時間存放或者在受到外力的情況下,閥門堆焊層孔洞周圍會形成應力集中,進而導致硬質合金沿著孔洞產生裂紋,并逐漸擴展,最后形成裂紋。

    為了避免堆焊層中氣孔的形成和降低堆焊過程引起的殘余應力,增加了閥體焊前預熱、焊后保溫以及焊后熱處理工序。合理的預熱措施使閥體受熱膨脹,減小密封面深孔堆焊的拉應力。預熱與焊后熱處理加速了氫的擴散和應力的去除,確保了焊縫的冷卻速率形成較小的溫度梯度。同時對工裝設備進行了改進,使得堆焊時能形成良好的氣體保護,避免堆焊時產生過多的氣孔。全球閥門網famens.com

    經過對再次堆焊的閥體密封面解剖檢查,孔洞直徑成幾何數量級降低,殘余應力的峰值得到改善,產品密封面的一次堆焊成功率 >92 %,證明了經過改進的鐵基合金加硬層堆焊工藝穩定可靠、合理有效。

    3 質量控制

    3.1

    焊前檢查

    根據金相分析,堆焊時母材中的 S、P 等雜質會過渡到堆焊層中,而且在奧氏體基體上堆焊鐵基合金,兩種材料的熱導率和線膨脹系數不一樣,造成焊接難度較大。因此應嚴格控制母材的 S、P 等雜質含量,以降低熱裂紋傾向。堆焊前對待焊區域母材的檢查,應保證焊材與母材不受污染,尤其是檢查待焊面和焊絲的清潔度。液體滲透檢查后,滲透劑和顯像劑應去除干凈,避免產生氣孔。

    3.2

    預熱檢查

    焊前預熱能夠減緩焊后的冷卻速度,有利于焊層金屬中擴散氫的逸出,避免產生氫致裂紋。同時也可以減少堆焊區及熱影響區的淬硬程度,提高焊接接頭的抗裂性。預熱還可以降低焊接應力,減少焊接區域被焊工件之間的溫度梯度,有利于避免產生焊接裂紋。所以,焊前應檢查工件表面是否有足夠的預熱溫度,加熱方式是否達到均勻受熱。工件預熱出爐時盡可能采用接觸式溫度測量儀進行待堆焊表面的溫度測量,保證焊工在溫度范圍內施焊,保證堆焊質量。全球閥門網famens.com

    3.3

    焊接過程檢查

    根據分析,影響鐵基合金堆焊層硬度的因素主要包括堆焊方法、稀釋率、堆焊層厚度和母材材質等,其中硬度和堆焊過程中稀釋率( 主要是指含鐵量) 有著密切的關系。所以,堆焊時盡可能采用小電流、短弧焊、快速、多層多道焊接,弧長應保持不變。檢查重點在控制其最低層間溫度和各層間焊接交接處,確保母材與熔敷金屬之間及熔敷金屬的各層、道之間熔合和焊透,無氣孔和夾渣等缺陷。加強溫度測量頻次,注意溫度變化范圍,降低焊接溫度場的變化幅度及焊接應力,防止焊接裂紋的產生傾向。檢查焊接速度,避免局部過熱產生較大拉伸應力,降低合金元素的燒損,降低稀釋率,避免奧氏體柱狀晶粗大及雜質的偏析。堆焊時,應沿密封面圓周方向逐層堆焊,確保熔敷金屬厚度均勻,不能有高、低不平的現象,還應檢查焊接順序,以減小焊接變形。

    3.4

    熱處理檢查

    焊后保證工件溫度及時進行熱處理,可以加快焊縫及熱影響區中氫的逸出量,減少組織內氫的殘留,避免堆焊層的收縮率快于閥體的收縮率,防止堆焊層與母材內拉應力的產生,降低冷裂紋傾向。焊后熱處理可以改善堆焊層的金相組織,提高焊接接頭的塑性和韌性,從而改善堆焊層的綜合力學性能。為此,對熱處理爐的穩定性檢查、熱電偶的測量位置、焊后熱處理的及時性需要高度關注。

    3.5

    無損檢查

    無損檢測是對堆焊性能質量的最好檢測手段,焊后可以根據 ASME Ⅸ的要求,對堆焊層進行液體滲透檢測。無損檢測要在焊后 48 h 后進行,防止堆焊應力得到充分釋放,確保堆焊密封面沒有裂紋等缺陷的發生。

    4 結語

    AP1000 三代核電系統對閥門及其部件的質量要求較高[2] 。核級閥門的密封面堆焊工藝即有明顯的焊接特點,又有堆焊的特性,所以對焊接工藝和參數選擇提出了較高要求。通過對奧氏體不銹鋼基體上堆焊鐵基合金的研究,控制了產生裂紋的各種工藝因素,在確保熔敷效率的前提下,保證了堆焊質量,為系統安全穩定運行創造了條件。

    作者簡介:

    三門核電有限公司

    劉世輝,吳廣坤,郭 鵬,馬俊勢

    參考文獻

    [1] 魏宏璞. 核電閥門閥體密封面無鈷鐵基合金粉末激光熔覆

    [J].蘇州大學學報(工科版),2010,30(4):1.

    [2] 林誠格,郁祖盛. 非能動安全先進核電廠 AP1000[M].北京:

    原子能出版社,2008:27.

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