楊青云，劉先文

（中電投電力工程有限公司 煙臺分公司，山東 煙臺 265116）

0 前言

AP1000型主管道母材為316LN低碳控氮奧氏體不銹鋼鍛件，設(shè)計運行溫度343℃，設(shè)計壓力17.13 MPa，是輸送反應(yīng)堆堆芯冷卻劑的大動脈、核反應(yīng)堆壓力邊界之一。主管道焊接施工是核島施工的關(guān)鍵路徑，直接影響堆內(nèi)構(gòu)件的安裝和冷試。主管道焊接施工采用窄間隙鎢極自動氬弧焊。自動焊焊縫外形美觀，無損檢測性能穩(wěn)定，但若焊接過程控制不當，焊接缺陷成片或鏈狀出現(xiàn)，給施工質(zhì)量和周期帶來較大的影響。主管道焊接工藝經(jīng)過焊接工藝試驗、焊接工藝評定，已經(jīng)優(yōu)化了焊接工藝參數(shù)，獲得的熔敷金屬具有優(yōu)良的無損檢測性能和理化性能。

AP1000型主管道是ASME BPVC-Ⅲ的一級部件（見圖1），為保證無損檢測結(jié)果的一次合格率，在滿足ASME BPVC-Ⅲ相關(guān)規(guī)定的基礎(chǔ)上，根據(jù)焊接過程能力、焊接工藝特點和缺陷產(chǎn)生的冶金原理，對主管道焊接過程中涉及的焊縫的外觀檢查、液體滲透與射線檢測的檢測要求進行優(yōu)化控制[1-2]。

圖1 AP1000型主管道平面布置

在焊接施工過程中有三次無損檢測，分別為熔敷金屬厚度為15 mm、50%厚度、最終焊縫。檢測方法為目視檢測、液體滲透檢測和射線檢測。無損檢測結(jié)論一次合格，有利于保證熔敷金屬及母材的性能、提高勞動生產(chǎn)效率[3]。

1 6σ管理的特征

6σ管理法是一種統(tǒng)計評估法，核心是追求零缺陷生產(chǎn)，防范產(chǎn)品責任風險，降低成本，提高生產(chǎn)率和市場占有率，提高顧客滿意度。6σ管理將重點對產(chǎn)生缺陷的根本原因進行控制，靠工藝過程的優(yōu)化保證質(zhì)量，嚴格進行最終產(chǎn)品的檢驗[4]。

作為持續(xù)性的質(zhì)量改進方法，6σ管理具有如下特征：對顧客需求的高度關(guān)注；重視統(tǒng)計數(shù)據(jù)；改善業(yè)務(wù)流程；積極開展主動改進型管理；倡導無界限合作。

2 窄間隙鎢極氬弧自動焊工藝的優(yōu)勢

窄間隙鎢極氬弧自動焊工藝具有焊材用量少、焊接參數(shù)容易控制、施工作業(yè)周期短、質(zhì)量穩(wěn)定、焊接作業(yè)人員勞動強度低、環(huán)境潔凈等優(yōu)勢與特點。

AP1000型核電站單臺機組有12道焊縫，母材規(guī)格見表1。

表1 主冷卻劑管道基本參數(shù)

以主管道熱段的焊縫為例，焊接過程參數(shù)為：主冷卻劑管道熱段焊接內(nèi)徑792.5 mm，焊接厚度約80 mm；焊絲型號為ER316L，規(guī)格為φ1.0 mm，熔敷金屬平均每層按2 mm厚度計算，焊接層數(shù)約40層；單個焊縫的焊道數(shù)量約70個；焊接速率約為75 mm/min。

3 焊接工藝過程控制

主管道母材為TP316LN，壓力容器、蒸汽發(fā)生器接管口安全端材料為F316LN，主泵接管口材料為CF8A，均為鍛件，具有優(yōu)異的焊接性能。壓力容器、蒸汽發(fā)生器接管口與主泵接管口端的坡口已經(jīng)在制造廠加工完畢。主管道兩端的坡口在現(xiàn)場進行加工，具有適配性，對焊口組對內(nèi)錯邊、組對間隙的控制具有優(yōu)勢。

焊接材料滿足ASME第Ⅱ卷C篇SFA-5.9及ASME第Ⅲ卷NB分卷的有關(guān)規(guī)定，并需經(jīng)過現(xiàn)場驗收合格。焊材對硫、磷等雜質(zhì)元素的含量應(yīng)嚴格控制上限值。

焊接設(shè)備應(yīng)標定合格。焊接操作工按HAF603取得相應(yīng)的資格項目證。

液體滲透檢測的滲透材料中有害元素硫的含量應(yīng)低于10-4，氟和氯總含量應(yīng)低于10-4。打磨用砂輪材料應(yīng)是碳化硅或者氧化鋁材料。

根據(jù)合格焊接工藝評定報告編制焊接工藝技術(shù)規(guī)程（WPS），WPS中的焊接線能量不能超過焊接工藝評定報告中焊道的最高線能量。

打底焊接時由于坡口較深，氬氣保護效果是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。焊縫背面采用氬氣室進行保護，正面的氬氣流量應(yīng)滿足WPS的要求，以保證氬氣保護效果與電弧的穩(wěn)定性。針對焊縫組對過程中可能產(chǎn)生內(nèi)錯邊的現(xiàn)象，在正式焊接前應(yīng)進行焊接工藝試驗，掌握錯邊狀態(tài)下的焊接技術(shù)要求。打底焊接可能產(chǎn)生未焊透、內(nèi)部凹陷等缺陷，應(yīng)隨焊接位置的變化調(diào)整焊接參數(shù)，如電流大小、脈沖寬度、電弧電壓、焊接速度等。為規(guī)范調(diào)整焊接電參數(shù)，可將焊縫分為8個區(qū)段（見圖2），每個區(qū)段內(nèi)的電參數(shù)保持一致；不同區(qū)段之間的電參數(shù)可保持一致，也可進行適當?shù)恼{(diào)整。打底焊接完成后，應(yīng)及時進行第二層焊道的焊接，避免焊縫因冷收縮出現(xiàn)裂紋。第二層焊道焊接時，應(yīng)避免再次擊穿焊縫熔敷金屬，導致焊縫背面成形不良。

填充焊接是焊接施工過程的主要工序，應(yīng)保證熔敷金屬與母材、熔敷金屬焊道之間的熔合性。填充焊接過程的持續(xù)時間長，為避免設(shè)備故障和人員疲勞，應(yīng)及時檢查并保養(yǎng)焊接設(shè)備，焊接操作人員保持良好的工作狀態(tài)與積極性。焊接過程中嚴格控制道間溫度。

圖2 焊縫分段示意

蓋面焊接時要排列分布好焊道，保證焊縫的外觀質(zhì)量；熔敷金屬應(yīng)覆蓋兩側(cè)母材，避免咬邊等缺陷的產(chǎn)生；焊接施工完畢后，對焊縫表面進行打磨拋光處理。

在焊接主管道RPV一側(cè)焊口時，對SG/RCP側(cè)進行焊接變形的監(jiān)控；當出現(xiàn)焊接變形的趨勢時，可通過焊接參數(shù)或焊道施焊順序進行調(diào)整，如圖3所示；在焊接SG側(cè)熱段焊口時，對熱段的直管段進行監(jiān)控。

在焊縫熔敷金屬厚度達到約15 mm時，進行第一次內(nèi)外表面的外觀檢查、液體滲透檢測和射線檢測。焊縫熔敷金屬厚度約為50%厚度時，進行第二次外觀檢查、液體滲透檢測和射線檢測。當焊縫100%焊接完成，并打磨修整后，對焊縫內(nèi)外表面以及焊縫兩側(cè)母材至少15 mm范圍內(nèi)進行外觀檢查、液體滲透檢測和射線檢測。

通過對每一個焊道的精心組織焊接施工，宏觀上控制焊接變形，微觀上有效地控制缺陷的產(chǎn)生和缺陷的最大尺寸，為主管道焊接無損檢測一次合格率達到100%提供了基礎(chǔ)條件。

圖3 焊接順序

4 焊縫外觀檢查

4.1 焊縫表面外觀檢查規(guī)范

焊縫內(nèi)外表面外觀檢查規(guī)范要求焊縫內(nèi)表面余高不超過4 mm，外表面余高不超過6 mm。當焊縫的最終厚度滿足ASME BPVC-Ⅲ的NB-3000要求時，單面焊對接環(huán)焊縫在根部一側(cè)的凹陷是允許的。

4.2 焊縫外觀檢查規(guī)范優(yōu)化

焊縫內(nèi)外表面在打磨拋光后，表面應(yīng)不低于母材表面，光潔度可確定為小于等于6.3 μm。

5 焊縫液體滲透檢測

5.1 焊縫液體滲透驗收規(guī)范

主管焊縫的液體滲透檢測的驗收結(jié)果中不允許尺寸大于5 mm的圓形顯示，對于主要尺寸大于1.5 mm的相關(guān)顯示均應(yīng)記錄。

5.2 表面圓形缺陷

焊縫表面圓形缺陷應(yīng)與射線檢測結(jié)果要求的最大尺寸保持一致。若是氣孔、夾渣等缺陷，可根據(jù)外觀檢測要求進行打磨拋光處理或補焊。

5.3 熱裂紋

不銹鋼焊接可能產(chǎn)生的熱裂紋可以通過降低焊接材料中的硫、磷等元素百分比，降低FeS、Fe2P和Fe3P等低熔點雜質(zhì)的含量。低熔點雜質(zhì)硫化鐵（FeS）可以通過焊接過程中的冶金反應(yīng)降低含量。

FeS的冶金反應(yīng)：FeS+Mn=MnS+Fe，生成的硫化錳形成表面熔渣。

在液體滲透檢測過程中，應(yīng)特別關(guān)注線性顯示。必要時可進行打磨拋光后，再次進行液體滲透檢測，進行顯示的性質(zhì)確認。

6 焊縫射線檢測

6.1 常規(guī)焊接缺陷

（1）圓形顯示。射線照相上最大長度不大于寬度3倍的顯示定義為圓形顯示。這些顯示可以是圓形、橢圓形或不規(guī)則形狀，也可能帶有尾巴。圓形顯示可來自焊縫中的各種因素，如氣孔、夾渣或夾鎢等。

（2）鏈狀的圓形顯示。當兩個外側(cè)圓形顯示的平行于焊縫的中心連線上有四個及以上的圓形顯示時，應(yīng)認為是鏈狀圓形顯示。

（3）氣孔分為氮氣孔、氫氣孔、CO氣孔三種類型。AP1000型核電站主管道焊接采用鎢極氬弧自動焊。由于氬氣保護效果不良而產(chǎn)生的氮氣孔的概率比較小，可能在立焊位置出現(xiàn)的概率大一些；氮氣孔外觀顯示為密集性氣孔。主管道母材為奧氏體不銹鋼，對于溶解于母材或焊絲中的氣體元素聚集、焊絲或母材上的油污等受熱分解所釋放出的氣體而產(chǎn)生氫氣孔的敏感性不大；氫氣孔的外形顯示為螺釘型。鎢極氬弧焊的熱能主要集中在焊絲上，熔敷金屬的冶金反應(yīng)性的作用主要在于預防有益合金元素的燒損，因此產(chǎn)生CO氣孔的可能性很??；CO氣孔外形顯示為條蟲狀。

（4）夾渣是焊后殘留在焊縫中的熔渣。夾渣的形狀有圓形、橢圓形和不規(guī)則形狀，存在于焊縫與母材坡口側(cè)壁交接處，或存在于焊道與焊道之間。夾渣可以是單個顆粒狀分布，也可以是長條狀或鏈狀連續(xù)分布。

（5）夾鎢是指在焊縫金屬凝固過程中殘留的來自鎢極的顆粒。主要原因是鎢極承載電流的能力較差，過大的焊接電流可引起鎢極熔化脫落，進入熔池內(nèi)，成為熔敷金屬的夾鎢污染。夾鎢在射線檢測底片上的影像是亮點。

（6）未熔合是焊接過程中，在焊縫金屬與母材之間或焊層（道）金屬之間未能完全熔化形成原子間結(jié)合而留下的縫隙。有側(cè)壁未熔合、層間未熔合和焊縫根部未熔合三種形式。

（7）未焊透是焊接時接頭根部未完全熔透的現(xiàn)象。單面焊時，熔池達不到坡口鈍邊的根部為根部未焊透。

6.2 射線檢測范圍

焊縫的射線檢測應(yīng)包括焊縫及其13 mm范圍內(nèi)相鄰的母材。

6.3 驗收規(guī)范要求

射線檢測驗收規(guī)范為在不允許存在長度大于19 mm的條形顯示；圓形顯示與相鄰顯示間隔至少25 mm的單個顯示，尺寸小于等于10 mm；焊縫內(nèi)部焊根的狀態(tài)在射線照相所示的黑度不是突變時是可以接受的。

6.4 單個圓形缺陷的控制

單個圓形缺陷可由過程能力分析進行優(yōu)化確定。通過標準差σ來確定出現(xiàn)概率最大的單個圓形缺陷，并通過焊接工藝進行過程控制。

過程能力的高低用標準差σ來衡量。σ越小，過程能力越高，穩(wěn)定性越高，生產(chǎn)制造能力越強。在6σ范圍內(nèi)，質(zhì)量一次合格率大于等于99.73%，如圖4所示。

式中 Cp為過程能力指數(shù)，反映產(chǎn)品的控制范圍滿足顧客要求的程度（Cp的選擇見表2）；T為技術(shù)要求，即技術(shù)規(guī)范的幅度；σ為過程能力，即過程特性值的總體標準差。

圖4 正態(tài)分布

表2 過程能力等級

單個圓形缺陷允許尺寸為10 mm，即T=10 mm；按焊接過程能力充分，選擇Cp=1.33；σ=T/(6*Cp)=10/(6×1.33)=1.25 mm。

依據(jù)圖4，可能出現(xiàn)的單個圓形缺陷的最大尺寸 3σ=3.75 mm≈4 mm。

按單個圓形缺陷尺寸小于等于1.25 mm進行焊接工藝試驗，明確小于等于4 mm為實際焊接作業(yè)中單個圓形缺陷的目標值。即在主管道焊接施工過程中，可按單個圓形缺陷尺寸小于等于4 mm的目標值進行主管道焊接工藝過程的控制和管理。

6.5 長度大于19 mm的任何單個條形顯示的控制

條形顯示可能是夾渣或CO氣孔缺陷。鎢極氬弧自動焊工藝中，熔渣的產(chǎn)生量有限。在母材和焊材中，焊絲含碳量小于等于0.030%、母材含碳量小于等于0.02%，焊接過程中生成的少量CO。由于CO的強還原性，通過冶金反應(yīng)生成CO2氣體逸出，形成條形氣孔的能力弱。

條形顯示產(chǎn)生的冶金反應(yīng)過程：

水或氧化錳等氧化物分解形成游離的氧離子

由于熔敷金屬冷卻速度過快，CO來不及反應(yīng)逸出而形成條狀氣孔。

形成表面熔渣。

可根據(jù)射線檢測中對單個圓形缺陷的控制目標進行優(yōu)化，對尺寸大于4mm的單個條形顯示在焊接工藝過程中進行控制。

6.6 焊縫根部黑度控制

焊縫內(nèi)表面應(yīng)執(zhí)行焊縫外觀檢查標準，以保證焊縫內(nèi)部焊根在射線照相所示的黑度不是突變的。

7 結(jié)論

在AP1000型核電站主管道焊接施工過程中，提倡焊接工藝過程控制與無損檢測結(jié)果并重。通過6σ管理過程能力分析與焊接工藝過程控制，將單個圓形與條狀缺陷的控制尺寸目標值優(yōu)化為小于等于4 mm。在確保主管道無損檢測技術(shù)規(guī)范驗收標準的基礎(chǔ)上，將焊接缺欠的過程控制目標值進行優(yōu)化，作為焊接施工作業(yè)過程的控制指標，以獲得無損檢測性能優(yōu)異的熔敷金屬，避免因焊縫超標缺陷而返修，保證主管道熔敷金屬的理化性能與抗腐蝕性能。

[1]核設(shè)施部件建造規(guī)則（第1冊）.ASME核電規(guī)范與標準BPVC-Ⅲ[S].上海：上?？茖W技術(shù)文獻出版社，2004.

[2]核設(shè)施部件建造規(guī)則（第1冊附錄）.ASME核電規(guī)范與標準BPVC-Ⅲ[S].上海：上海科學技術(shù)文獻出版社，2004.

[3]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[4]中國設(shè)備監(jiān)理協(xié)會.設(shè)備工程監(jiān)理技術(shù)與方法[M].北京：中國人事出版社，2010.