王 勇，石立波，劉 丹

(1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840;2.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240)

1 核電站建造中焊接質(zhì)保的要求

焊接是核電站建造中的重要技術(shù)，它是一種特殊工藝，其顯著特征就是最終產(chǎn)品不能僅通過對(duì)成品的檢查來確定產(chǎn)品的質(zhì)量。焊接接頭的形成是一個(gè)復(fù)雜的金屬熔煉過程，焊縫的性能(強(qiáng)度、韌性等)不是焊后無損檢驗(yàn)?zāi)軌驒z查的，要獲得符合設(shè)計(jì)要求的焊縫質(zhì)量需要有效地控制整個(gè)焊接全部過程的各個(gè)影響因素。

確保核安全是核電站建造過程中的第一要求，強(qiáng)制執(zhí)行的核質(zhì)保體系要求對(duì)于核電站中焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)任何人都可提出質(zhì)疑，如果生產(chǎn)者沒有提供說明其質(zhì)量合格的足夠的證明文件，都可以對(duì)產(chǎn)品的最終質(zhì)量提出疑問，進(jìn)而否定最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

2 焊接工藝中的重要變量和非重要變量

焊接工藝是決定產(chǎn)品焊接質(zhì)量的最關(guān)鍵因素。焊接工藝的取得必須進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，產(chǎn)品焊接過程中各項(xiàng)工藝參數(shù)控制必須在焊接工藝評(píng)定的覆蓋范圍內(nèi)。

AP1000先進(jìn)壓水堆核電大規(guī)模采用ASME(美國(guó) ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范，以下簡(jiǎn)稱ASME)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)二代改進(jìn)型壓水堆核電站中應(yīng)用的建造規(guī)范是RCC－M(法國(guó)壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則，以下簡(jiǎn)稱RCC－M)。ASME第Ⅸ卷為每個(gè)包含在特定工藝規(guī)程中的每個(gè)焊接方法都列出了重要變量、附加重要變量和非重要變量。如果變化一個(gè)重要變量，要求再次評(píng)定焊接工藝。焊接工藝規(guī)程中必須給出重要變量和非重要變量，當(dāng)對(duì)沖擊性能有要求時(shí)，還應(yīng)給出附加重要變量，如果附加重要變量變?yōu)橹匾兞?，其改變也要求再次評(píng)定工藝。而RCC－M S篇焊接規(guī)范是按照焊接對(duì)象的不同進(jìn)行編寫(如S3200是碳鋼和低合金鋼，S3300是奧氏體不銹鋼)，變量類型也沒有重要和非重要的區(qū)分?？梢岳斫?，RCC－M規(guī)范中有要求的都是重要變量。

ASME第Ⅸ卷(2004版)與RCC－M規(guī)范(2007版)對(duì)這些變量要求的對(duì)比，如表1所示。從對(duì)比中可以看出:RCC－M的焊接工藝評(píng)定中需要控制的重要變量(改變?cè)撟兞康挠行Х秶鷷?huì)影響工藝評(píng)定的有效性)要比ASME多。從某種意義上來說，按RCC－M進(jìn)行工藝評(píng)定對(duì)于焊接工藝的控制更為嚴(yán)格。另一方面，ASME的某些規(guī)定更為合理，例如使用線能量作為能量參數(shù)而不是電流等。

表1 焊條電弧焊(SMAW)焊接工藝變量對(duì)比分析

續(xù)表

3 ASME中焊接電流作為非重要變量對(duì)焊接質(zhì)量控制的影響

關(guān)于如何確定焊接工藝評(píng)定中焊接電流的有效范圍，在理論和實(shí)踐中一直存在爭(zhēng)議，有必要結(jié)合ASME和RCC－M的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行進(jìn)一步說明。ASME使用線能量作為能量的補(bǔ)充重要變量參數(shù)，電流是非重要變量。而RCC－M從2005版起引入了線能量控制，并仍將電流作為重要變量。

RCC－M規(guī)范帶有很強(qiáng)的堆型特性，其焊接工藝評(píng)定規(guī)范反映了法國(guó)在進(jìn)行其堆型建造中的實(shí)踐。根據(jù)法國(guó)核電建設(shè)實(shí)踐，其規(guī)范中確定對(duì)于SMAW方法除低合金鋼需要控制線能量外，其他需要在焊接工藝評(píng)定指導(dǎo)書中規(guī)定的電流范圍內(nèi)選取電流值進(jìn)行工藝評(píng)定，合格后則該電流范圍為有效覆蓋范圍。焊接工藝評(píng)定指導(dǎo)書中規(guī)定的電流范圍如何確定，法國(guó)AREVA專家答復(fù)是來自先前的試驗(yàn)，并且對(duì)于SMAW(焊條電弧焊)來說，主要依據(jù)是焊材評(píng)定的結(jié)果。

ASME將電流作為非重要變量時(shí)，焊接工藝評(píng)定的電流有效范圍是根據(jù)預(yù)WPS(焊接工藝規(guī)程，簡(jiǎn)稱WPS)的規(guī)定而定，焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)只需要一個(gè)驗(yàn)證電流，焊接工藝評(píng)定報(bào)告就可以確定預(yù)WPS中的所有電流;但對(duì)于有沖擊性能要求時(shí)，焊接工藝評(píng)定報(bào)告最高電流不能超過焊接試驗(yàn)記錄的最高值。

對(duì)ASME而言，預(yù)WPS的數(shù)據(jù)是如何來的，ASME專家的答復(fù)是在預(yù)WPS的確定前廠家已做了大量的試驗(yàn)，有試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。此外，從ASME第Ⅸ卷認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝規(guī)程(SWPS)ANS/AWS B2.1－1－026－94可看出，其焊接電流與焊條直徑適用的范圍基本一致，其確定的依據(jù)也是大量PQR(焊接工藝評(píng)定，以下簡(jiǎn)稱PQR)的結(jié)果。在AWS D1.1/D1.1M:2008中免除評(píng)定的WPS要求中對(duì)于電流規(guī)定:在填充金屬制造商推薦的操作范圍內(nèi)。

兩個(gè)規(guī)范在不考慮焊接線能量時(shí)，控制焊接電流范圍的方法是一致的，均基于前期大量試驗(yàn)的結(jié)果。從大趨勢(shì)而言，ASME中的焊接線能量是重要變量，ASME會(huì)更加實(shí)用，更加靈活。比如對(duì)于同一種母材來說，同種規(guī)格的焊材，焊條電弧焊(原手工焊)的電流如果是120 A，自動(dòng)焊的電流就可以達(dá)到400～500 A。這里就有焊接速度和穩(wěn)定性的不同，有的焊工技術(shù)熟練，可以大電流，高速度，有的焊工就只能用小電流。國(guó)內(nèi)常常追究焊接工藝評(píng)定的預(yù)WPS的數(shù)據(jù)是抄來的，但國(guó)內(nèi)大量的焊接文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)都是經(jīng)過多次的試驗(yàn)驗(yàn)證的，直接拿來用又有何不可呢。而眾多的有識(shí)之士都在呼吁一般性焊接工藝評(píng)定報(bào)告的公用性，減少資源的浪費(fèi)。

在今后核電站建造中，由于核電站特殊的焊接質(zhì)保要求，且國(guó)內(nèi)的一些廠家的質(zhì)保體系還不完善，焊工本身的素質(zhì)等問題，對(duì)于電流這類的變量還是要作為重要變量加以控制為好。

4 非重要變量對(duì)焊接質(zhì)量的影響

從表1中看出，有些在ASME規(guī)范中要求的非重要變量，對(duì)于RCC－M規(guī)范而言是重要變量，而對(duì)于一些表中沒有列出的因素都可以認(rèn)為是非重要變量。對(duì)非重要變量，一般情況下不考核，但對(duì)于重要部件，由于大家對(duì)焊接規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)在工程中運(yùn)用及理解不同，當(dāng)有關(guān)人員提出疑議時(shí)，根據(jù)核電站焊接質(zhì)保的特點(diǎn)，制造單位做了一些額外的試驗(yàn)，從而驗(yàn)證了非重要變量的影響。

4.1 焊接層數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響

方家山核電1號(hào)島鋼襯里內(nèi)環(huán)板套筒連接著底板與鋼筋，鋼筋采用進(jìn)口的GEWI鋼筋，是鋼襯里的重要部件(見圖1)。在焊接過程中，監(jiān)理人員發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品焊接的層數(shù)與焊接工藝評(píng)定的層數(shù)不一樣，焊接工藝評(píng)定的層數(shù)為13～14層，而產(chǎn)品焊接的層數(shù)為7～8層，主要原因是:焊接工藝評(píng)定時(shí)，施工單位為獲得良好的評(píng)定結(jié)果，選用小電流，因此層數(shù)多;而產(chǎn)品焊接時(shí)，工人為了追求效率，采用大電流，因此層數(shù)少。由于監(jiān)理的質(zhì)疑得不到完美的答復(fù)，最終管理方、監(jiān)理、設(shè)計(jì)方開會(huì)決定對(duì)內(nèi)環(huán)板套筒的焊接做一個(gè)額外的整體拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果是斷裂在母材上，從而證明了焊縫的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求(見圖2)。

圖1 GEWI鋼筋

圖2 母材斷裂

海南昌江核電1號(hào)島環(huán)吊導(dǎo)軌安裝中，也出現(xiàn)產(chǎn)品焊接層數(shù)與焊接工藝評(píng)定層數(shù)不一樣的類似問題。因?yàn)楫a(chǎn)品是對(duì)接焊縫，最終管理方、監(jiān)理、設(shè)計(jì)方開會(huì)決定補(bǔ)做一個(gè)見證件并進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，最終結(jié)果是焊接工藝評(píng)定的抗拉強(qiáng)度為570 MPa，產(chǎn)品見證件的抗拉強(qiáng)度為560 MPa，雖然有所下降，但大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度520 MPa的要求，兩者區(qū)別不大。

4.2 焊接順序?qū)附淤|(zhì)量的影響

方家山核電反應(yīng)堆廠房環(huán)形吊車鋼牛腿(以下簡(jiǎn)稱“牛腿”)位于安全殼第11段鋼襯里上，每個(gè)牛腿由厚度為 δ=20 mm、25 mm、30 mm、50 mm、60 mm的20HR鋼板和直徑為25 mm、32 mm、40 mm的Ⅲ級(jí)螺紋鋼筋焊接而成，36個(gè)牛腿結(jié)構(gòu)完全相同。牛腿是反應(yīng)堆廠房的重要部件，在安裝過程中，施工單位要上報(bào)施工方案。其中一個(gè)接頭形式如圖3所示，根據(jù)焊接工藝評(píng)定、焊接工藝卡、施工方案的要求，此接頭的焊接是先焊一面的1道焊縫，再焊另一面的第2道焊縫，然后依次兩面交替焊接。但在實(shí)際產(chǎn)品焊接時(shí)，這個(gè)焊口基本上是在整個(gè)構(gòu)件快完成時(shí)才焊，由于焊完一面后，如果保證焊工的焊接位置與可達(dá)，牛腿構(gòu)件必須翻轉(zhuǎn)180°，單個(gè)牛腿重 2.472 5 t，翻轉(zhuǎn)困難，因此焊工是焊完一面的全部焊縫，再翻轉(zhuǎn)180°焊完另一面的全部焊縫，這樣與焊接工藝評(píng)定、焊接工藝卡、施工方案的要求產(chǎn)生了差異。最終由管理方、監(jiān)理、設(shè)計(jì)方開會(huì)決定做一個(gè)見證件對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示:按照焊接工藝評(píng)定順序完成的該部位的見證件抗拉強(qiáng)度為590 MPa，而按照實(shí)際產(chǎn)品焊接順序的產(chǎn)品見證件抗拉強(qiáng)度為540 MPa，都大于設(shè)計(jì)520 MPa的強(qiáng)度要求。最終同意了施工單位的實(shí)際產(chǎn)品焊接順序。對(duì)于大的厚件產(chǎn)品而言，焊接順序的改變會(huì)在一定范圍內(nèi)影響力學(xué)性能。因此在國(guó)標(biāo)GB 50661－2011鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范中明確規(guī)定:“對(duì)接接頭、T型接頭和十字接頭，在工件放置條件允許或易于翻轉(zhuǎn)的情況下，宜雙面對(duì)稱焊接(第7.11.2 條)。”

4.3 焊接熱影響區(qū)對(duì)焊接質(zhì)量的影響

圖3 牛腿的接頭形式

由于焊接熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力、晶體結(jié)構(gòu)不明確，對(duì)焊縫最終質(zhì)量的影響也不明確。一般認(rèn)為多次在同一部位施焊導(dǎo)致母材熱影響區(qū)的熱應(yīng)變脆化，對(duì)結(jié)構(gòu)安全有不利影響;對(duì)于奧氏體不銹鋼增加了在敏化溫度區(qū)的停留時(shí)間，對(duì)晶間腐蝕產(chǎn)生不利影響。一般情況下，在熱影響區(qū)進(jìn)行補(bǔ)焊或返修時(shí)，應(yīng)先做補(bǔ)焊工藝評(píng)定。在無補(bǔ)焊工藝評(píng)定的情況下，設(shè)備建造中遇到焊縫返修時(shí)，焊縫返修前需先采用機(jī)械方法將焊縫熱影響區(qū)清除干凈，再進(jìn)行焊接。但實(shí)際的焊接生產(chǎn)中總是有一些焊接熱影響區(qū)去除不干凈或無法去除的情況。這就需要具體情況具體分析，對(duì)于大厚度構(gòu)件和不銹鋼構(gòu)件來說應(yīng)慎重考慮。

福清1、2號(hào)核電站項(xiàng)目中燃料格架(該設(shè)備材質(zhì)為不銹鋼)的制造過程中，因工人操作失誤，需割去一部分已焊部件，但由于尺寸要求，再次焊接時(shí)不可避免的在熱影響區(qū)上焊接。由于時(shí)間緊，補(bǔ)焊工藝評(píng)定來不及做，設(shè)計(jì)給出意見，需要同時(shí)做一個(gè)見證件，試驗(yàn)包括力學(xué)性能和晶間腐蝕試驗(yàn)。最終試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，該設(shè)備通過驗(yàn)收。

5 結(jié)論

焊接是核設(shè)備和核電站的建造過程中一個(gè)重要的建造技術(shù)，焊接的質(zhì)量控制涉及到產(chǎn)品最終質(zhì)量和安全，作為一種特種工藝，規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不一定囊括了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的全部情況，對(duì)于焊接工藝中的非重要變量的控制，一般情況下是可以不予考慮的，但對(duì)于重要構(gòu)件如果超出了各類人員特別是設(shè)計(jì)人員的控制范圍，通常情況下，可以要求生產(chǎn)單位在相同條件下做見證件，以見證件試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來說明產(chǎn)品的質(zhì)量。

［1］RCC－M壓水堆核島機(jī)械設(shè)備制造與設(shè)計(jì)規(guī)范 第Ⅳ卷 S篇《焊接》，2007版［S］.

［2］ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅸ卷《焊接和釬焊評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，2004 版［S］.

［3］GB 50661 －2011，鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范［S］.