BOSS头焊缝内外组合堆焊维修方法与流程

本发明涉及焊接修复技术领域，特别是涉及一种boss头焊缝内外组合堆焊维修方法。

背景技术：

目前，核电厂设备及管道系统中大量使用了形式多样的boss头焊缝结构(如图5中的boss头焊缝10所示)，其焊缝质量直接影响着电厂安全性和经济性。小管径boss头焊缝因施焊和层间清理便利性差，以及运行期间振动、腐蚀等原因，焊缝中易产生裂纹、未熔合、夹渣等预制缺陷或役致缺陷，而现场维修策略、时间窗口和返修条件各异，给核电厂boss头焊缝的维修带了极大挑战。

现有的方法是采用传统挖补返修方案对boss头焊缝中发现的缺陷进行打磨、去除或采用overlay堆焊修复方案，其中，传统挖补返修方案是在无损检验确定缺陷完全去除后实施补焊，但是传统挖补返修存在一定的局限性：1)需要完全去除原始焊缝内部缺陷，但部分场合下无法有效实施(如缺陷已贯穿且管内液体无法排空)，且返修时坡口角度较小不便于焊接实施和层间清理；2)打磨后的剩余壁厚原则上应不小于2mm，否则存在泄露、熔穿等风险；3)挖补返修后的结构存在再次失效的风险；4)boss头焊缝返修时存在较严重的主管塌陷现象；5)当失效模式以应力腐蚀开裂为主时，需要从拉应力、环境与材料三个方面进行控制，挖补返修不能有效调控接头应力腐蚀开裂敏感性等。

overlay堆焊修复方案是实现对修复部件的结构补强和应力调控，其中，结构补强方面是在待修复区域表面堆焊一定尺寸的熔敷金属(例如：不锈钢、镍基合金等高韧性、耐腐蚀的合金材料)，增大了焊缝有效的承载面积，同时，选择强韧性更好的堆焊材料较含缺陷部件可让接头具有更好的服役性能。overlay堆焊过程中，焊缝金属在冷却过程中收缩，而其附近的金属自由变形受到阻碍，造成overlay堆焊金属与母材(包括原始焊缝)纵向收缩变形不一致，母材(包括原始焊缝)的纵向收缩要小于overlay堆焊熔敷金属，因此，会在作为overlay堆焊层刚性支撑的母材(包括原始焊缝)处形成压应力。

overlay堆焊修复的主要特点及局限性：1)不挖除缺陷金属，焊缝原始缺陷依然存在；2)根据asmecodecasen-504等要求，overlay堆焊时需对深度至少为25％原始壁厚的近外表面区域进行超声检查，但受限于结构、尺寸、焊缝表面状态等原因，rcc-m规范要求对内径不大于60mm的boss头焊缝无体积检验要求，小管径boss头焊缝超声检验也无相应成熟技术和验收标准；3)薄壁且大熔敷厚度的boss头焊缝返修时存在主管塌陷现象等。

因此，在现有成熟工程实践的基础上，有必要针对boss头焊缝开发一种内外组合堆焊维修方法，解决现有技术的局限性。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有boss头焊缝缺陷处理时存在局限性的问题，提供一种boss头焊缝内外组合堆焊维修方法。

本发明提供了一种boss头焊缝内外组合堆焊维修方法，该方法包括：

对boss头焊缝外表面按照预设尺寸进行打磨去除；

固定boss头焊缝支管；

对打磨后的区域内部进行堆焊及检验；

对boss头焊缝外部表面进行堆焊及检验。

上述boss头焊缝内外组合堆焊维修方法，通过按照预设尺寸对boss头焊缝外表面进行打磨去除，从而可以降低原boss头焊缝中的缺陷尺寸；通过固定boss头焊缝支管，可以减小boss头焊缝返修时主管的塌陷变形；通过采用回火焊道工艺控制，实现不进行焊后热处理情况的堆焊组织和应力改善；内外组合堆焊对结构补强和残余应力调控的效果叠加，使得堆焊修复后的结构安全裕量更大。

在其中一个实施例中，所述对boss头焊缝外表面按照预设尺寸进行打磨去除，包括：

对boss头焊缝进行液体渗透检验、射线检验，检验原boss头焊缝内的缺陷位置；

结合缺陷位置信息对boss头焊缝及其焊接热影响区进行整圈机加或打磨，去除原boss头焊缝中深度至少为25％原始壁厚的外表面区域；

对打磨区域中的贯穿性缺陷进行密封处理，同时对打磨区域进行修整、圆滑处理。

在其中一个实施例中，所述固定boss头焊缝支管，包括：

在boss头焊缝支管侧安装拘束装置。

在其中一个实施例中，所述对打磨后的区域内部进行堆焊及检验，包括：

对打磨后的内部待补焊区域进行目视检验和液体渗透检验；

按照预设的堆焊结构，采用机械或手工焊工艺对内部待补焊区域实施堆焊补强金属，深度允许时应至少堆焊两层。

在其中一个实施例中，所述按照预设的堆焊结构之后，该方法还包括：

采用回火焊道工艺对内部待补焊区域实施堆焊补强金属。

在其中一个实施例中，所述采用机械或手工焊工艺对内部待补焊区域实施堆焊补强金属，包括：

采用cr含量不低于28％的镍基合金焊材进行堆焊或者采用与原boss头焊缝相同的焊材对内部待补焊区域实施堆焊补强金属；

焊接过程中逐层进行目视检验和液体渗透检验，对焊接完成后的焊缝进行目视检验和液体渗透检验。

在其中一个实施例中，所述对boss头焊缝外部表面进行堆焊及检验，包括：

计算boss头焊缝堆焊最小尺寸，完成堆焊结构设计；

根据堆焊结构设计，采用机械或手工焊工艺在boss头焊缝及其相邻母材表面进行堆焊。

在其中一个实施例中，所述采用机械或手工焊工艺在boss头焊缝及其相邻母材表面进行堆焊，包括：

采用cr含量不低于28％的镍基合金焊材进行堆焊或者采用与母材成分或性能相匹配的焊材对boss头焊缝及其相邻母材表面进行堆焊。

在其中一个实施例中，所述对boss头焊缝外部表面进行堆焊及检验中的检验，包括：

对堆焊表面、每道焊缝和焊接完成后的焊缝进行目视检验和对待焊表面、焊接过程中和焊接完成后的焊缝进行液体渗透检验，此外，采用射线检验对焊接完成后的焊缝进行补充检验，或对焊接完成后的焊缝进行超声检验。

在其中一个实施例中，在对boss头焊缝外部表面进行堆焊及检验之后，该方法还包括：

在boss头堆焊焊缝充分冷却后，去除boss头焊缝支管侧的固定装置；

检查修复结构的焊接变形，确保焊接变形满足验收要求。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的boss头焊缝内外组合堆焊维修方法流程示意图；

图2为本发明一实施例提供的boss头焊缝内外组合堆焊示意图；

图3为本发明一实施例提供的对打磨后的区域内部进行堆焊的示意图；

图4为图3的另一示意图；

图5为原boss头焊缝示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

目前，核电厂设备及管道系统中大量使用了形式多样的boss头焊缝结构(如图5中的boss头焊缝10所示)，其焊缝质量直接影响着电厂安全性和经济性。小管径boss头焊缝因施焊和层间清理便利性差，以及运行期间振动、腐蚀等原因，焊缝中易产生裂纹、未熔合、夹渣等预制缺陷或役致缺陷，而现场维修策略、时间窗口和返修条件各异，给核电厂boss头焊缝的维修带了极大挑战。

现有的方法是采用传统挖补返修方案对boss头焊缝中发现的缺陷进行打磨、去除或采用overlay堆焊修复方案，其中，传统挖补返修方案是在无损检验确定缺陷完全去除后实施补焊，但是传统挖补返修存在一定的局限性：1)需要完全去除原始焊缝内部缺陷，但部分场合下无法有效实施(如缺陷已贯穿且管内液体无法排空)，且返修时坡口角度较小不便于焊接实施和层间清理；2)打磨后的剩余壁厚原则上应不小于2mm，否则存在泄露、熔穿等风险；3)挖补返修后的结构存在再次失效的风险；4)boss头焊缝返修时存在较严重的主管塌陷现象；5)当失效模式以应力腐蚀开裂为主时，需要从拉应力、环境与材料三个方面进行控制，挖补返修不能有效调控接头应力腐蚀开裂敏感性等。

overlay堆焊修复方案是实现对修复部件的结构补强和应力调控，其中，结构补强方面是在待修复区域表面堆焊一定尺寸的熔敷金属(例如：不锈钢、镍基合金等高韧性、耐腐蚀的合金材料)，增大了焊缝有效的承载面积，同时，选择强韧性更好的堆焊材料较含缺陷部件可让接头具有更好的服役性能。overlay堆焊过程中，焊缝金属在冷却过程中收缩，而其附近的金属自由变形受到阻碍，造成overlay堆焊金属与母材(包括原始焊缝)纵向收缩变形不一致，母材(包括原始焊缝)的纵向收缩要小于overlay堆焊熔敷金属，因此，会在作为overlay堆焊层刚性支撑的母材(包括原始焊缝)处形成压应力。

overlay堆焊修复的主要特点及局限性：1)不挖除缺陷金属，焊缝原始缺陷依然存在；2)根据asmecodecasen-504等要求，overlay堆焊时需对深度至少为25％原始壁厚的近外表面区域进行超声检查，但受限于结构、尺寸、焊缝表面状态等原因，rcc-m规范要求对内径不大于60mm的boss头焊缝无体积检验要求，小管径boss头焊缝超声检验也无相应成熟技术和验收标准；3)薄壁且大熔敷厚度的boss头焊缝返修时存在主管塌陷现象等。

因此，在现有成熟工程实践的基础上，有必要针对boss头焊缝开发一种内外组合堆焊维修方法，解决现有技术的局限性。

如图2所示，10为原始的boss头焊缝，该焊缝质量直接影响着电厂安全性和经济性。小管径boss头焊缝因施焊和层间清理便利性差，以及运行期间振动、腐蚀等原因，焊缝中易产生裂纹、未熔合、夹渣等预制缺陷或役致缺陷，而现场维修策略、时间窗口和返修条件各异，给核电厂boss头焊缝的维修带了极大挑战。

为了解决上述问题，如图1所示，本发明一实施例中，提供了一种boss头焊缝内外组合堆焊维修方法，该方法包括：

步骤110，对boss头焊缝外表面按照预设尺寸进行打磨去除；

步骤120，固定boss头焊缝支管；

步骤130，对打磨后的区域内部进行堆焊及检验；

步骤140，对boss头焊缝外部表面进行堆焊及检验。

具体地，上述步骤110包括：首先对boss头焊缝进行液体渗透检验、射线检验等操作，确定缺陷位置，为近表面打磨实施提供缺陷信息；

然后如图2中的左侧所示，对原boss头焊缝及其焊接热影响区进行整圈机加或打磨，去除原boss头焊缝中深度至少为25％原始壁厚的近外表面区域，去除或减小近表面尺寸大于1.5mm的缺陷，管壁允许时，挖槽区域深度应大于3mm；

最后对打磨区域中的贯穿性缺陷(如有)进行密封处理，减小缺陷尺寸，对打磨区域进行修整、圆滑，便于无损检验和堆焊实施。

步骤120包括：在boss头焊缝支管侧安装特定的拘束装置，该拘束装置可选用固定架或夹具；

然后根据设计方案，采用拘束装置对boss头焊缝支管侧进行刚性固定，或施加一定量的反向拉伸力；同时，该拘束装置应不影响焊接及无损检验的实施。

步骤130包括：首先对打磨后的待补焊区域进行目视检验和液体渗透检验，确定满足验收要求；

然后按照设计的堆焊结构，采用机械或手工钨极氩弧焊工艺在挖槽区域内实施堆焊补强金属，深度允许时应至少堆焊2层。为细化晶粒并改善组织性能可采用回火焊道工艺，施焊时焊道搭接量为40％～70％，具体地，如图4并结合如图3中的(a)所示，在待补焊区域内使用较小热输入焊第一层13，然后如图3中的(b)所示，去除第一层13不规则的少量熔敷金属，最后如图3中的(c)所示，焊第二层14，利第二层焊道的热循环对第一层焊道在母材上形成的粗晶区进行回火，然后继续填充焊缝直到得到合适的余高，焊接完后的内部堆焊补强焊缝如图2中的11所示，同时控制堆焊时的道间温度，焊接热输入逐层增大；

为增强结构的抗应力腐蚀能力，堆焊采用cr含量不低于28％的镍基合金焊材，如原boss头焊缝不存在明显的应力腐蚀开裂(scc)现象，也可采用与原boss头焊缝相同的焊材。

内部堆焊前、中和后应逐道目视检验和逐层液体渗透检验，满足验收要求，此熔敷金属构成boss头堆焊补强焊缝的第一部分，实现堆焊前超声检验的豁免。

应当指出，根据需要，也可在管道内表面进行局部挖槽然后堆焊补强焊缝。

步骤140包括：假设boss头焊缝内部的缺陷已100％贯穿原始壁厚(实际上挖槽区域中的boss头堆焊补强焊缝的第一部分已通过检验无贯穿性缺陷，故本保守设计的安全裕量更高)，开展外部堆焊结构设计(包括堆焊厚度、堆焊长度、堆焊坡度、焊道布置等)：

其中外部堆焊结构设计可依据asmecodecasen-504及asme第xi卷非强制性附录q等相应要求获得boss头堆焊最小计算尺寸，同时根据力学分析和结构强度设计校核验证堆焊尺寸。

采用机械钨极氩弧焊工艺在boss头焊缝及其邻近母材表面进行堆焊(如图2中的外部堆焊补强焊缝12)(对于机械焊设备不可达或者形状限制区域，可采用手工钨极氩弧焊方式)，堆焊焊道的布置应满足焊接工艺规程的要求，并通过产前模拟试验验证，推荐采用顺序焊方式的实施(可进行必要的局部堆焊)，堆焊尺寸满足设计方案要求。

当失效模式以应力腐蚀开裂为主时，选用cr含量不低于28％的镍基合金焊材进行堆焊，当失效模式为非应力腐蚀导致的其他类缺陷时，主要从结构补强及应力改善角度进行选材，可选用与母材成分或性能相匹配的焊材。

待焊表面、每道焊缝和焊接完成后应进行目视检验；待焊表面、焊接过程中至少每三层(条件允许时，可逐层)和焊接完成后应进行液体渗透检验；采用射线检验进行补充检验；条件允许时对堆焊完工焊缝进行超声检验；此熔敷金属构成boss头堆焊补强焊缝的第二部分。

采用上述技术方案，通过打磨去除深度至少为25％原始壁厚的近外表面区域的原焊缝及邻近金属，降低原boss头焊缝中的缺陷尺寸，通过强化凹槽内部堆焊的质量控制和逐层目视和液体渗透检验可保证该区域无超标缺陷，有利于避免表面杂质影响堆焊质量和堆焊过程中的泄漏现象，并能够实现在不实施asmecodecasen-504要求的堆焊前超声检验的情况下保证堆焊修复的安全性，建立后续检查的基准。如图3所示，boss头堆焊补强焊缝的第一部分完成后，焊缝中的实际缺陷深度不会超过原始壁厚的75％，而堆焊结构设计假设缺陷已100％贯穿原始壁厚，设计的堆焊尺寸较实际状态更保守，内部堆焊同样能促进boss头焊缝内部残余压应力的形成，内外组合堆焊对结构补强和残余应力调控的效果叠加，使得堆焊修复后的结构安全裕量更大。通过对支管侧实施拘束固定或反向拉伸，可减小boss头焊缝返修时主管的塌陷变形，焊接时拘束装置产生的焊接拉力可促进堆接后残余压应力的形成。内外组合堆焊焊缝实现了boss头焊缝的结构强化，支管侧受拘束条件下施焊可改善原焊缝内部残余压应力的状态及分布，抑制裂纹的萌生和扩展，保障boss头焊缝全寿期安全运行。针对应力腐蚀敏感结构，通过堆焊焊材的选材优化，采用抗应力腐蚀材料进行内外部堆焊补强金属，可实现修复后接头抗应力腐蚀能力的提升。该方法使得核电厂因boss头维修而停运的时间大幅缩短，降低了维修成本，提高了维修效率，可广泛应用于支管焊缝、管道焊缝等维修。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。