魏連峰，王 群

（1.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041；2.秦山核電有限公司工程管理部，浙江 海鹽 341300）

方家山核電工程不銹鋼覆面安裝主要應(yīng)用于反應(yīng)堆廠房內(nèi)的堆腔水池、換料水池、-3.5 m標(biāo)高的集水坑，燃料廠房內(nèi)的燃料轉(zhuǎn)運(yùn)艙、乏燃料儲(chǔ)存水池、容器準(zhǔn)備井和容器裝載井，以及核輔助廠房的集水坑等部位。

作為核燃料及廢料運(yùn)輸、存儲(chǔ)的場所及核燃料和廢料的放射性屏障，不銹鋼覆面的安全等級(jí)為2級(jí)，質(zhì)保等級(jí)為QA1級(jí)，其安裝質(zhì)量的重要性不言而喻。水池一旦泄漏，將存在放射性物質(zhì)外泄的重大風(fēng)險(xiǎn)；另外水池一旦泄漏，泄漏點(diǎn)的定位檢驗(yàn)及焊接修復(fù)存在較高的技術(shù)難度，目前國內(nèi)尚沒有形成成熟的不銹鋼覆面泄漏定位檢測技術(shù)及水下焊接技術(shù)。

眾多水池失效案例表明泄漏事故大多直接或間接與建造期間原始缺陷相關(guān)。因此核電建設(shè)不銹鋼覆面施工質(zhì)量的保證有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 不銹鋼覆面的結(jié)構(gòu)

不銹鋼覆面的施工首先是一定間距的不銹鋼角塊用膨脹螺栓固定在混凝土上，或在土建施工階段將不銹鋼錨固件預(yù)埋在混凝土中，再用一定間距的縱橫不銹鋼襯墊型鋼或鋼結(jié)構(gòu)框架焊接在角塊上，最后將不銹鋼板焊接于襯墊型鋼或?qū)Ｓ娩摻Y(jié)構(gòu)之上而組成的，不銹鋼板與襯墊型鋼的連接方式如圖1所示，與專用鋼結(jié)構(gòu)的連接方式如圖2所示。

2 不銹鋼焊接的主要問題及防治措施

核電工程基本上都采用奧氏體不銹鋼作為覆面材料，由于奧氏體不銹鋼含有較高的鉻,可形成致密的氧化膜,所以具有良好的耐蝕性。當(dāng)含Cr18%,含Ni8%時(shí),即可獲得單一的奧氏體組織,故奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性、塑性、高溫性能和焊接性能。但在不同工況條件下,奧氏體不銹鋼焊接接頭往往面臨著一些特殊的問題,易造成包括晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、刀蝕、焊接熱裂紋、α相脆變等施工缺陷。

2.1 焊接接頭的腐蝕性分析

（1）焊接接頭的晶間腐蝕

晶間腐蝕是奧氏體不銹鋼最主要的腐蝕問題之一，一旦產(chǎn)生晶間腐蝕，嚴(yán)重時(shí)其強(qiáng)度幾乎喪失，施加一定應(yīng)力就會(huì)產(chǎn)生沿晶斷裂。導(dǎo)致奧氏體不銹鋼焊接接頭發(fā)生晶間腐蝕的原因主要是由于碳化鉻析出引起的。奧氏體不銹鋼在500～800 ℃溫度區(qū)間進(jìn)行敏化處理時(shí)，過飽和固溶的碳向晶粒間界擴(kuò)散比鉻的擴(kuò)散速度較快，在晶界附近與鉻結(jié)合成(Cr,Fe)23C6的碳化物，并在晶界沉淀析出，形成了晶粒邊界附近的貧鉻現(xiàn)象，當(dāng)該區(qū)域的鉻含量降低到鈍化所需的極限含量（W(Cr）12.5%）以下時(shí)，就會(huì)加速該區(qū)域的腐蝕，形成晶間腐蝕。熱影響區(qū)敏化溫度區(qū)的晶間腐蝕發(fā)生在熱影響區(qū)中加熱峰值溫度在600～1000 ℃范圍的區(qū)域，產(chǎn)生晶間腐蝕的原因仍是奧氏體晶界析出碳化鉻所致。

減少和防止晶間腐蝕的主要防治措施包括：①采取小規(guī)范（小電流、大焊速）、多道焊等工藝措施；②盡量降低母材、焊材中碳元素的含量，采用C含量小于0.03%的焊材；③使焊縫由單一的奧氏體相改變?yōu)閵W氏體加鐵素體雙相，Cr在鐵素體中擴(kuò)散速度比在奧氏體中快，因此，鉻在鐵素體中較快地?cái)U(kuò)散到晶界，減輕了奧氏體晶界貧鉻現(xiàn)象；④在鋼材和焊接材料中加入Ti、Nb等與碳的親和力比鉻強(qiáng)的元素，能夠與碳結(jié)合成穩(wěn)定的化合物，從而避免在奧氏體晶界造成貧鉻。

（2）焊接接頭的應(yīng)力腐蝕

不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂是危害性最大的腐蝕行為，開裂時(shí)沒有任何變形，事故往往是突發(fā)性的，后果嚴(yán)重。不銹鋼在使用條件下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的影響因素很多，包括鋼的成分、組織和狀態(tài)、介質(zhì)的種類、溫度、濃度、應(yīng)力性質(zhì)、大小及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。

減少和防止應(yīng)力腐蝕的措施主要有：①避免強(qiáng)力組裝、機(jī)械撞傷和電弧燒傷，減小冷作變形和應(yīng)力；②嚴(yán)格控制介質(zhì)與環(huán)境中的雜質(zhì)（特別是氯化物、氟化物等）；③合理選材（母材、焊材）：避免晶粒粗化及硬化的馬氏體組織；④焊縫成形良好，不產(chǎn)生任何應(yīng)力集中（如咬邊等）；⑤合理安排焊接順序，降低應(yīng)力；⑥防腐處理：涂層、襯里或陰極保護(hù)等位置添加緩蝕劑。

2.2 焊接接頭的熱裂紋敏感性分析

奧氏體不銹鋼的熱裂紋主要是結(jié)晶裂紋，是在焊縫金屬液態(tài)金屬凝固過程中產(chǎn)生的，此時(shí)熔點(diǎn)共晶存在一次晶，主要是樹枝晶之間。其產(chǎn)生原因主要有以下3個(gè)方面：① S、P、C等與Ni形成低熔點(diǎn)共晶（如NiS+Ni的熔點(diǎn)為644 ℃），弱化晶界強(qiáng)度；② 奧氏體不銹鋼液相線與固相線距離大，結(jié)晶時(shí)間長，枝晶方向性強(qiáng)，易產(chǎn)生雜質(zhì)元素的偏析；③鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生應(yīng)力。

防治焊接熱裂紋的主要措施包括：①嚴(yán)格控制母材和焊材有害雜質(zhì)硫、磷的含量；②焊縫中產(chǎn)生有5%左右鐵素體的雙相組織，打亂奧氏體柱狀晶的方向；③工藝上的措施：采用堿性焊條、小規(guī)范（小電流、快速焊），防止產(chǎn)生熱裂紋。

2.3 焊接接頭的鐵素體含量的控制

奧氏體鋼焊縫金屬中鐵素體含量的多少，不僅關(guān)系到α(σ）相脆變的生成和熱強(qiáng)性，還直接影響著接頭的抗熱裂性。工件經(jīng)受一定時(shí)間高溫加熱后，會(huì)析出σ脆性相，加熱時(shí)間越長，高溫停留時(shí)間越長，析出越多，將嚴(yán)重影響接頭的力學(xué)性能。從抗熱裂性出發(fā)，要求焊縫金屬內(nèi)含有一定量的鐵素體，但從α相脆變和熱強(qiáng)性來考慮，要求鐵素體含量越低越好。因此，對(duì)于高溫強(qiáng)度要求較高的焊接接頭，必須嚴(yán)格控制鐵素體含量，在某些場合下，必須采用奧氏體的焊縫金屬。

3 不銹鋼覆面焊接施工技術(shù)控制要點(diǎn)

3.1 焊接工藝及操作規(guī)范

（1）焊接方法

鎢極氬弧焊（TIG）熱量相對(duì)集中，熱影響區(qū)小，晶粒長大傾向小，且在氬氣的保護(hù)下，焊接質(zhì)量穩(wěn)定；另外施焊時(shí)宜采用直流正接，電弧熱量約70%產(chǎn)生于工件,30%產(chǎn)生在鎢極,焊道窄而深,有很好的熔透性。因此方家山工程不銹鋼覆面的安裝采用了全氬弧焊的方法施焊，僅部分埋件采用了焊條電弧焊。

采用焊條電弧焊（SMAW）時(shí)，打底層宜運(yùn)用“一點(diǎn)(或兩點(diǎn))擊穿斷弧焊的操作手法”?！皵嗷『浮鳖愃朴跓o基值電流的脈沖焊法。平均熱輸入量小，熔池凝固快，減少過熱區(qū)域和晶粒長大傾向。

（2）焊接規(guī)范參數(shù)

眾所周知，為了更好地改善焊接接頭的抗熱裂紋和耐腐蝕性能，不銹鋼的焊接工藝評(píng)定及焊接，易采用小規(guī)范進(jìn)行，即小電流、大焊速、小電壓（短弧焊，利于提高電弧穩(wěn)定性）。另外，層間溫度是影響不銹鋼焊接質(zhì)量的另一重要因素，為了預(yù)防焊接熱裂紋的產(chǎn)生和熱影響區(qū)的晶粒長大以及碳化物析出，保證焊接接頭的塑性、韌性及耐蝕性，在焊接過程中必須控制道間溫度。通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證和協(xié)調(diào)管理，方家山工程不銹鋼覆面安裝時(shí)，層間溫度要求控制在60 ℃以下（可用手觸摸），有效提高不銹鋼覆面焊接質(zhì)量，表面感觀良好，焊縫多數(shù)呈現(xiàn)淡黃色。

（3）規(guī)范焊工操作

焊接施工應(yīng)重視并做好技術(shù)交底，方家山工程不銹鋼覆面安裝過程中還要求監(jiān)理對(duì)技術(shù)交底實(shí)施選擇性的旁站監(jiān)督。焊接過程中嚴(yán)格要求焊工實(shí)施快速焊接，同時(shí)注意焊絲續(xù)絲角度和手法，采用較小的焊接熱輸入；嚴(yán)格禁止在母材表面任何疏忽性的打火,燒傷母材。

3.2 采取有效焊接變形應(yīng)力的控制措施

由于覆面不銹鋼板較薄，為了更好地控制焊接變形，方家山工程不銹鋼覆面施工過程中采取了一系列防止變形及應(yīng)力的控制措施：①同一水池施焊時(shí)最好具有合適數(shù)量的焊工同時(shí)對(duì)稱施焊，并且采用分段退焊,分段長度不超過500mm,冷卻后再繼續(xù)施焊；②受接頭形式限制和影響，打底焊時(shí)易產(chǎn)生紊流，可適當(dāng)采用較大的氣流量、較小的電流和焊速度；③同一面墻體所有填充焊完成后再進(jìn)行蓋面焊接；④底板焊接時(shí),原則上先焊短縫，后焊長縫；焊縫的打底、填充采用從中間向兩邊分段退焊；⑤在焊接時(shí),相鄰焊縫同時(shí)進(jìn)行,并且相鄰焊縫的施工順序應(yīng)保證協(xié)調(diào)一致；⑥可適當(dāng)采用錘擊等方式，在焊縫處產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，改善焊縫的應(yīng)力狀態(tài)。

3.3 嚴(yán)格做好施工過程的清潔度控制

環(huán)境清潔度、焊材與母材的清潔度是影響不銹鋼覆面安裝質(zhì)量的又一重要因素，方家山核電工程不銹鋼覆面施工前，采用專項(xiàng)檢查、設(shè)置專項(xiàng)控制點(diǎn)等方式督促施工方嚴(yán)格做好環(huán)境清潔度控制；另外在安裝過程中，主要采取了以下控制措施：①督促總承包單位做好施工的協(xié)調(diào)管理,避免鋼覆面的安裝和土建的交叉施工；②在不銹鋼水池襯里板安裝前,應(yīng)對(duì)整個(gè)水池的環(huán)境進(jìn)行徹底的清掃,保證空氣質(zhì)量；③用鋁基砂輪片仔細(xì)打磨底肋表面的焊縫區(qū)域,去除表面的氧化層及雜物,直至露出金屬光澤；④襯里板在車間切割下料后,將切割邊的毛刺清理干凈,保證坡口的平直、光滑；⑤鋼覆面專用工具專項(xiàng)專用，鋼刷必須只能用不銹鋼（M）；在預(yù)制、運(yùn)輸過程中,加強(qiáng)對(duì)不銹鋼板的保護(hù),防止鐵素體、灰塵及其他雜物造成的污染；⑥覆面板在組對(duì)前,用不起毛的純棉白布蘸丙酮擦拭底肋表面及襯里板組對(duì)坡口附近；⑦焊接前，對(duì)焊絲也應(yīng)用丙酮用不起毛的純棉白布蘸丙酮擦拭。

3.4 優(yōu)化工序保證安裝精度

不銹鋼水池內(nèi)部某些埋件、支撐件安裝精度要求極高（位置公差僅有2 mm，如抗震拉桿埋件、換料機(jī)構(gòu)支架埋件等），因此安裝時(shí)需對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)認(rèn)真研究，對(duì)加工和安裝工序合理優(yōu)化，以盡量減小由變形及零部件安裝累計(jì)偏差等造成的驗(yàn)收尺寸超差。在其他很多電廠，此類埋件安裝過程中，出現(xiàn)了各種各樣的缺陷，需要實(shí)施拆除重新裝配，重復(fù)焊接對(duì)埋件材料產(chǎn)生了較壞影響，開啟不符合項(xiàng)；甚至有些電廠實(shí)施多次拆裝才得以滿足公差要求。

方家山工程不銹鋼水池埋件主要采用了車間組裝—機(jī)械加工—整體安裝的方法實(shí)施安裝，即先將構(gòu)件在車間進(jìn)行焊裝，焊裝時(shí)適當(dāng)考慮采用構(gòu)件預(yù)變形和預(yù)留加工余量；然后根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸及安裝公差的要求，采用機(jī)加工的方法對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加工；最后再向一次預(yù)埋板上焊接。此種方法有效避免了焊裝累積誤差的不良影響，一次安裝成功。

3.5 加強(qiáng)無損檢測控制

無損檢測對(duì)于保證不銹鋼覆面施工質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，因此，施工前應(yīng)重視對(duì)無損檢測人員資質(zhì)、經(jīng)驗(yàn)、責(zé)任心等嚴(yán)格要求和審查；施工中，對(duì)特殊位置、特殊焊縫無法進(jìn)行RT的部位，認(rèn)真進(jìn)行PT、LT復(fù)檢；另外，方家山核電工程還引入了無損檢測專業(yè)化公司的第三方獨(dú)立驗(yàn)證，以更好地保證不銹鋼覆面施工質(zhì)量。

3.6 重視不銹鋼板的保護(hù)及處理

為了對(duì)不銹鋼板實(shí)施有效保護(hù)，出廠前鋼板表面均貼附保護(hù)膜，現(xiàn)場組對(duì)焊接前，需對(duì)坡口兩側(cè)保護(hù)膜實(shí)施切除；操作者一般使用小刀對(duì)保護(hù)膜實(shí)施切割，然后揭除。保護(hù)膜切割時(shí)，會(huì)對(duì)不銹鋼表面的鈍化膜產(chǎn)生不同程度劃傷，在長期運(yùn)行考驗(yàn)下，特別是水池偏離水質(zhì)狀態(tài)下，會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕缺陷。另外，施工中交叉施工以及一些無意的碰撞都有可能造成類似的狀況和缺陷。方家山核電工程不銹鋼覆面安裝期間要求對(duì)劃傷部位進(jìn)行標(biāo)示或記錄，水池整體施壓前，將保護(hù)膜揭除后，對(duì)劃傷及碰傷部位實(shí)施補(bǔ)充酸洗鈍化。

4 不銹鋼覆面施工監(jiān)督與管理

焊接、材料、吊裝是核電工程安裝質(zhì)量控制的三大重點(diǎn)，其中焊接質(zhì)量的過程控制尤為重要。不銹鋼覆面施工是一項(xiàng)焊接技術(shù)密集型的施工活動(dòng)，且常會(huì)因焊接缺陷產(chǎn)生泄漏，需高度重視。在該物項(xiàng)開工前期，組織施工方和監(jiān)督方開展了“不銹鋼覆面經(jīng)驗(yàn)反饋交流暨專項(xiàng)檢查活動(dòng)”，并開設(shè)了“不銹鋼覆面施工技術(shù)管理”專題講座，將國內(nèi)核電廠外不銹鋼水池失效的典型案例進(jìn)行介紹和分析，對(duì)奧氏體不銹鋼焊接特點(diǎn)及易出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，然后對(duì)方家山不銹鋼覆面施工及質(zhì)量監(jiān)督管理進(jìn)行了研討；同時(shí)提出了“強(qiáng)化焊工技能培訓(xùn)和練習(xí)，通過焊接試驗(yàn)優(yōu)化焊接參數(shù)，嚴(yán)格控制層間溫度（60 ℃以下），高度重視施工環(huán)境清潔度，監(jiān)理適時(shí)旁站監(jiān)督，增加第三方無損檢驗(yàn)”等要求。在后續(xù)施工過程中，對(duì)鋼覆面施工活動(dòng)實(shí)施重點(diǎn)監(jiān)控，使施工單位各級(jí)人員都深刻認(rèn)識(shí)到做好該項(xiàng)施工活動(dòng)的意義，并自覺加強(qiáng)不銹鋼覆面的投入和施工探索。目前，堆腔、換料水池池壁已安裝完畢，從監(jiān)督檢查的結(jié)果看，不銹鋼覆面焊接施工控制達(dá)到了很好的效果，無損檢驗(yàn)一次合格率達(dá)到100%。

5 結(jié)論

1）核電不銹鋼覆面容易出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，給核安全造成威脅，維修成本較高，需在建造期間嚴(yán)格控制，提高安裝質(zhì)量。

2）工藝及操作規(guī)范、變形、清潔度、物項(xiàng)保護(hù)等是影響不銹鋼覆面安裝及焊接施工質(zhì)量的重要因素。

3）通過重要施工環(huán)節(jié)的有效控制，方家山核電工程不銹鋼覆面安裝有效解決了國內(nèi)其他核電站的重大難題和質(zhì)量問題，取得了無損檢測一次合格率100%的效果。

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