王慶田， 羅 英， 蔣興鈞， 李 寧， 王尚武

（中國核動力研究設計院，四川 成都 610041）

核反應堆堆內(nèi)構件現(xiàn)場焊接質(zhì)量控制

王慶田， 羅 英， 蔣興鈞， 李 寧， 王尚武

（中國核動力研究設計院，四川 成都 610041）

文章介紹了我國目前在建的二代改進型百萬千瓦級核電廠反應堆堆內(nèi)構件現(xiàn)場焊縫的主要種類、焊接方法及設計要求，結合國內(nèi)M310堆型核電廠多次出現(xiàn)的焊穿、虛焊、焊瘤、咬邊、母材弧傷、焊點數(shù)不足等焊接質(zhì)量缺陷，分析了產(chǎn)生缺陷的原因，提出了設計優(yōu)化、工藝改進以及加強質(zhì)量監(jiān)管的處理措施，對于后續(xù)M310堆型核電廠以及“華龍一號”、EPR和AP1000為代表的三代核電廠的現(xiàn)場焊接，都具有重要的參考和借鑒意義。

核電廠；堆內(nèi)構件；現(xiàn)場焊接；質(zhì)量控制

堆內(nèi)構件是指反應堆壓力容器內(nèi)除燃料組件及其相關組件、堆芯測量、輻照樣品監(jiān)督管和隔熱套組件以外的所有堆芯支承構件和堆內(nèi)結構件，屬于核安全相關（LS）級（非承壓設備）、質(zhì)量Ⅰ級、抗震Ⅰ級部件。堆內(nèi)構件總重達130 t（M310堆型，AP1000堆型達157 t）以上，其中上部堆內(nèi)構件（含控制棒導向筒）為45 t，下部堆內(nèi)構件為87 t。堆內(nèi)構件零部件多達上萬個，焊縫13 000余處，焊點2萬余處，現(xiàn)場焊點也多達2 000多處，整個堆內(nèi)構件為一個焊接結構件。作為堆內(nèi)構件關鍵的制造難點之一，堆內(nèi)構件的焊接及其質(zhì)量一直備受重視。

由于堆內(nèi)構件焊縫數(shù)量較多，涉及的結構材料、接頭形式、焊接方法、焊后熱處理狀態(tài)、檢驗要求等存在差異，且針對現(xiàn)場焊縫，大多為鎖緊焊、防松焊和角焊縫，焊點較多，操作空間有限，接頭形式復雜，加上現(xiàn)場施工環(huán)境惡劣，粉塵較大，質(zhì)保監(jiān)察困難，較易出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題。國內(nèi)多個核電廠在焊接鎖緊帽、鎖緊墊片的時候，由于操作空間限制、焊接工藝參數(shù)選擇不合理、引弧和熄弧控制不當，導致了鎖緊墊片焊接后的熔化、卷邊，鎖緊帽焊接后的虛焊、焊穿、咬邊、焊瘤、焊縫尺寸不足、焊點數(shù)不滿足設計要求、焊點分布不均、母材弧傷等缺陷。秦山一期300 MW核電廠第4次大修期間，發(fā)現(xiàn)堆內(nèi)構件儀表套管螺母防松焊點斷裂，螺母脫落，導致指套管斷裂、燃料棒包殼管被磨穿。陽江核電站2號機組熱態(tài)功能試驗期間，儀表套管I型與小格架板相連的鎖緊帽防松焊點斷裂，2個螺栓和鎖緊帽脫落，造成蒸汽發(fā)生器、壓力容器、主管道、主泵、堆內(nèi)構件等不同部位出現(xiàn)劃傷，均造成非常嚴重的后果。因此，現(xiàn)場焊接質(zhì)量直接關系著核電廠的安全、可靠運行。

結合國內(nèi)其他核電廠堆內(nèi)構件現(xiàn)場焊接出現(xiàn)的問題，本文從焊接工藝、設計優(yōu)化、質(zhì)量監(jiān)管等角度給出處理建議，對于后續(xù)M310堆型核電廠以及包括“華龍一號”、EPR和AP1000為代表的三代核電廠堆內(nèi)構件現(xiàn)場焊接具有參考和借鑒意義。

1　設計要求

在核電廠現(xiàn)場，堆內(nèi)構件需要與壓力容器接口進行管嘴、徑向支承鍵、基礎連接板等間隙配制，同時還要進行上下部堆內(nèi)構件的對中、圍板間的間隙以及圍板與上下燃料組件定位銷之間的間隙測量、控制棒導向筒的安裝、起吊旋入件的固定等，因此，堆內(nèi)構件現(xiàn)場安裝過程中需要較多的焊接作業(yè)，如圖1所示，焊點達2 500多處。

圖1　堆內(nèi)構件現(xiàn)場焊縫示意圖Fig.1　Schematic of field welds of reactor vessel internals

1.1原材料要求

按焊接接頭類型分，現(xiàn)場焊接接頭類型共有13種，涉及的母材包括Z2CN19-10（控氮）奧氏體不銹鋼（相當于304LN）和Inconel600（Inconel690）鎳基合金。采用的焊接方法均為手工TIG焊，焊材分別為ER308L和ERNiCr3（ERNiCrFe7）。母材和焊材的化學成分要求見表1，力學性能要求見表2。為了降低一回路的放射性劑量，應嚴格控制Co的含量。此外，還應嚴格限制硼、鋁、鈦、銅、硅等雜質(zhì)元素含量。

表1　母材和焊材化學成分要求T able 1　Chemical requirements of base metal and filler materials

表2　母材和焊材的力學性能要求T able 2　Mechanical requirements of base metal and filler materials

1.2焊接工藝評定要求

按照ASME規(guī)范、RCC-M規(guī)范以及設計要求，在現(xiàn)場焊接之前，應進行焊接工藝評定以驗證焊接工藝的正確與否。由于現(xiàn)場焊接接頭型式較多，需要進行多套焊接工藝評定才能覆蓋全部的焊接接頭。堆內(nèi)構件現(xiàn)場安裝所涉及的13種焊接接頭類型包括角接接頭焊縫和防松焊焊縫，應分別制定焊接工藝評定。為了全面考核現(xiàn)場焊接工藝的合理性，設計增加了對接接頭試板的評定要求，以考核焊接接頭的拉伸、彎曲、沖擊等力學性能、耐晶間腐蝕性能、δ鐵素體含量測定、金相組織等。

鑒于堆內(nèi)構件在運行和調(diào)試期間多次出現(xiàn)螺栓緊固件事故，因此對于螺栓鎖緊焊專門制定了防松焊焊接工藝評定。防松焊工藝評定，綜合考慮到現(xiàn)場焊接所涉及的奧氏體不銹鋼和鎳基合金母材以及相應的焊接材料、鎖緊焊焊接接頭尺寸與形式、焊接位置與方向、焊接方法與工藝參數(shù)等，制定了4種類型、3種不同焊接位置（水平位置、豎直位置、斜45°）和方向、施焊不同道數(shù)、不同起弧和熄弧點焊接順序的共14個焊接接頭形式的焊接工藝評定（見圖2），焊接后應進行目視和尺寸檢查、δ鐵素體含量測定以及宏觀和微觀金像檢驗。對裂紋、夾鎢、凹坑、表面氣孔、螺栓頭熔化、焊縫金屬和鎖緊桿結合處的咬邊等缺陷均不允許存在，且要求焊縫金屬的寬度必須大于或等于鎖緊桿的直徑，未焊滿的情況也是不可接受的（見圖3）。

圖2　螺栓鎖緊桿焊接順序Fig.2　Welding subsequence of locking bar

1.3無損檢驗要求

為了保證現(xiàn)場焊縫的質(zhì)量，焊后應檢查現(xiàn)場焊縫的焊接質(zhì)量，包括焊縫的目視檢驗、尺寸檢查、液體滲透檢驗。目視檢查主要檢查焊點數(shù)是否滿足設計要求、是否存在虛焊、焊穿、咬邊、焊瘤、母材弧傷、未熔合、裂紋、凹坑、表面氣孔等缺陷以及焊點分布是否均勻等。液體滲透檢查主要針對焊縫尺寸較大的焊縫，如能力吸收器的組裝焊縫、能量吸收器與基礎連接板的焊縫、起吊旋入件止動塊與法蘭焊縫、頂部流量管嘴與法蘭焊縫等。對于鎖緊帽、鎖緊桿、鎖緊銷焊縫，由于清除滲透劑、顯影劑較為困難，可免做液體滲透檢驗。對于液體滲透檢驗發(fā)現(xiàn)的裂紋以及尺寸大于2 mm的缺陷，均為不合格。

圖3　螺栓鎖緊桿焊接尺寸驗收準則Fig.3　Acceptance criterion for welding dimension of locking bar

2　現(xiàn)場焊接難點

2.1焊點多，現(xiàn)場施工環(huán)境不佳

堆內(nèi)構件現(xiàn)場焊縫共涉及13種焊接接頭，2 500多處焊點，很多都是防松點焊。由于操作空間非常有限，空間狹窄到焊槍不能自由移動，再加上接頭形式復雜，通風不暢，粉塵較大，施工環(huán)境非常惡劣。由于堆內(nèi)構件的安裝區(qū)域為Ⅰ級工作區(qū)，焊工必須穿著特制的白色連體工作服進入施焊區(qū)域，遇到南方夏天酷熱天氣，嚴重干擾焊工的正常施焊。

國內(nèi)多個核電廠在焊接鎖緊帽、鎖緊墊片時，由于操作空間限制、焊接工藝參數(shù)選擇不合理、引弧和熄弧控制不當，導致了鎖緊墊片焊接后的熔化、卷邊，鎖緊帽焊接后出現(xiàn)虛焊、焊穿、咬邊、焊瘤、焊縫尺寸不足、焊點數(shù)不滿足設計要求、焊點分布不均、母材弧傷等缺陷。如某核電廠進行上部堆內(nèi)構件控制棒導向筒M22鎖緊帽焊接后檢查發(fā)現(xiàn)，61組導向筒組件，焊接質(zhì)量嚴重不合格的有33組，見表3。秦山一期300 MW核電廠第4次大修期間，發(fā)現(xiàn)堆內(nèi)構件儀表套管螺母防松焊點斷裂，螺母脫落，導致指套管斷裂、燃料棒包殼管被磨穿。陽江核電站2號機組熱態(tài)功能試驗期間，儀表套管I型與小格架板相連的鎖緊帽防松焊點斷裂，2個螺栓和鎖緊帽脫落，造成蒸汽發(fā)生器、壓力容器、主管道、主泵、堆內(nèi)構件等不同部位出現(xiàn)劃傷，均造成非常嚴重的后果。

2.2結構復雜、焊接難度大

堆內(nèi)構件的現(xiàn)場焊接，除了數(shù)量較多的鎖緊帽焊接外，焊接難度較大的包括上部堆內(nèi)構件熱電偶柱組件的焊接、能量吸收器的組裝焊接等。溫度測量組件的焊接難點主要是結構復雜，定位銷與墊圈、卡塊與支撐架、管接頭與鎖緊片等的焊接較為復雜，且熱電偶導管現(xiàn)場的實際布置及走向較復雜（4根熱電偶柱、40根熱電偶導管）。另外一個焊接難點在于能量吸收器的組裝焊接，見圖4。其難點在于：

1）能量吸收器導向柱的尺寸需要現(xiàn)場加工配制：現(xiàn)場修配時，機加工面為導向柱的底部表面，導向柱的長度L按下列計算式確定：

式中，H——堆芯支承板下表面至基礎連接板上能量吸收器沉槽底部距離；G——導向柱下端面到外套筒下端面的距離。為了保證H值測量的準確性，需要用鉛垂線進行基礎連接板對中。

2）精度與功能要求：能量吸收器焊接后，要求基礎連接板的斜端面與壓力容器內(nèi)表面的冷態(tài)距離為，且要求能量吸收器焊接后，不能有大的變形，否則中子通量測量導管無法插入到能量吸收器內(nèi)部，實現(xiàn)中子通量測量導管的自由進出。

3）焊接：能量吸收器的現(xiàn)場焊接難度在于焊縫尺寸較大，且要圓周環(huán)焊，4個能量吸收器與基礎連接板組裝焊接后，還要與小格架板進行組裝，導向柱外徑為φ（99.99±0.05）mm，小格架板上的孔徑為φ10000.076mm，應嚴格控制焊接變形，否則將會產(chǎn)生較大的焊接殘余應力。

表3　焊接缺陷T able 3　Welding defect

2.3質(zhì)保監(jiān)察

現(xiàn)場質(zhì)保監(jiān)察不到位，也是出現(xiàn)焊接缺陷一個不容忽視的重要原因。由于現(xiàn)場施工環(huán)境惡劣、施焊周期較長，現(xiàn)場監(jiān)察一般是開始焊接時大家較為重視，監(jiān)察較為嚴格，而隨著焊接施工周期的延長，后期的監(jiān)察往往流于形式，轉(zhuǎn)變?yōu)閷附佑涗浀膶彶椋陀^上焊工也會產(chǎn)生松懈心理，施焊記錄也不按照要求，焊接后立即填寫，往往后期補齊，造成焊接質(zhì)量隱患。

圖4　能量吸收器的組裝焊接示意圖Fig.4　Schematic of assembly and welding of energy absorber

3　改進措施

3.1設計改進措施

現(xiàn)場鎖緊帽防松點焊較容易出現(xiàn)問題，除了現(xiàn)場施工環(huán)境不佳、空間狹窄的客觀因素外，鎖緊帽的設計也可以進一步優(yōu)化。目前設計的鎖緊帽杯底厚度為2 mm，焊縫的尺寸為1.6 mm，焊接時較容易出現(xiàn)問題。設計上，適當增加鎖緊帽杯底厚度，引弧、收弧等相對較為方便，可有效避免咬邊、焊穿等缺陷的發(fā)生。

能量吸收器的組裝焊接最容易出現(xiàn)的問題是焊接收縮導致的整個尺寸公差不滿足設計要求、焊接操作不當導致的焊接殘余應力過大對設備運行帶來的風險、焊接變形對后續(xù)組裝以及設備功能的影響。目前，設計對能量吸收器現(xiàn)場組裝焊接僅要求焊縫尺寸以及焊接后接觸良好等，對焊接變形、焊接殘余應力、組對間隙等沒有規(guī)定，若現(xiàn)場焊接施工不當，存在著安全隱患。設計上，增加能量吸收器與基礎連接板焊接前的組對間隙要求。焊接前，能將吸收器外套筒與基礎連接板的組對間隙保持在（0.5～0.8）mm左右，并增加4組能量吸收器和基礎連接板焊接后與小格架板400 ℃的整體尺寸穩(wěn)定化處理，以降低焊接殘余應力與變形，并保證焊接后的尺寸滿足設計要求。

現(xiàn)場防松點焊涉及的鎖緊帽達600多個，為了驗證鎖緊帽現(xiàn)場焊接質(zhì)量的一致性，并保證與由焊接工藝評定所確定的焊接工藝相一致，設計上應在鎖緊帽焊接之前、焊接過程中以及焊接結束時分別增加焊接見證件，確保鎖緊帽的焊接質(zhì)量滿足設計要求。

3.2焊接工藝措施

針對現(xiàn)場焊接出現(xiàn)的咬邊、焊穿、焊瘤、虛焊、氣孔、焊接變形等缺陷，應分別采取恰當?shù)暮附庸に嚧胧?-3］。

咬邊是焊接過程中由于熔敷金屬未完全覆蓋在木材的已熔化部分，在焊趾處產(chǎn)生的地域木材表面的溝或是由于焊接電弧把焊件邊緣熔化后，沒有得到熔化金屬的補充所留下的缺口。一般是焊接電流過大、焊接速度太慢、焊接電弧過長或焊接位置選擇不佳、焊材角度不正確導致的。應縮短焊接電弧、調(diào)整焊絲的傾斜角度。

焊穿是在焊縫上形成的穿透性孔洞，可能導致熔化金屬向下流漏，使焊縫的連續(xù)性和致密性受到破壞。造成焊穿的原因，可能是焊接電流過大、焊接速度過慢、接頭組隊間隙太大、鈍邊過小等引起的。應嚴格控制焊接電流、焊接速度和接頭間隙，必要時縮短電弧進行快速焊。

焊瘤是在焊接過程中，熔化金屬流溢到焊縫以外未熔化的母材金屬上，在焊縫邊緣上形成的與母材未熔合的堆積物。一般是焊接電流偏大、焊接速度太慢或電弧在焊縫處停留時間太長、施焊操作不當引起的，應選擇合適的焊接工藝參數(shù)、提高焊接操作技能。

氣孔是焊后殘留在焊縫中的孔穴，產(chǎn)生的原因一般是待焊表面的油、水、銹及污物等未清理干凈；保護氣體流量小、純度低；焊接操作不當；環(huán)境濕度大等。應選用適當?shù)暮附庸に噮?shù)，控制焊接電流；提高保護氣體的純度，調(diào)整氣體流量；確保待焊表面清理干凈；采取去潮措施，改善焊接環(huán)境。

為了防止現(xiàn)場焊接缺陷的產(chǎn)生，焊接之前應進行焊接工藝評定，并選擇合適的焊接工藝參數(shù)，盡可能選擇較小的焊接線能量進行施焊。焊接工藝評定試板的焊接，應選擇允許的最大的焊接線能量焊接，產(chǎn)品焊接時，盡可能選擇較小的焊接線能量施焊。由于現(xiàn)場焊縫尺寸多介于1～2 mm，尺寸較小，應選擇較小的焊材尺寸，由直徑φ0.8 mm、φ1.2 mm的焊絲代替φ1.6 mm的焊絲。焊接前，用丙酮清晰待焊表面，擦出異物。焊工施焊時，盡可能選擇恰當?shù)氖┖肝恢?，正確操作，必要時，進行有限空間的焊接工藝評定。對于能量吸收器的焊接，為了降低焊接變形，應實時改變焊接起弧點，采取合理的焊接順序，對稱焊接，以降低焊接殘余應力與變形。

3.3改善現(xiàn)場施工環(huán)境、加強質(zhì)保監(jiān)察

現(xiàn)場海洋氣候的潮濕環(huán)境、安全殼內(nèi)的粉塵污染等，是現(xiàn)場施工的一大特點。施焊前，應確保操作環(huán)境的通風，采用烘干機、除濕機控制環(huán)境濕度，并確保待焊表面無水、氧化皮、銹跡、油污等。炎熱環(huán)境下，應對焊工提供充足的防暑降溫用品，選擇優(yōu)秀的焊工進行施焊。

加強現(xiàn)場質(zhì)保監(jiān)察，并貫穿焊接施工的整個過程。嚴格按照焊接工藝施工卡的要求進行焊接，詳細、如實、實時地記錄各種焊接工藝參數(shù)，杜絕事后補齊的現(xiàn)象發(fā)生。

4　結束語

核電產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，與核電站的安全運行息息相關。反應堆堆內(nèi)構件現(xiàn)場焊涉及13種焊接接頭，2 500多處焊點。多接頭、多焊點的特點，加上現(xiàn)場施工環(huán)境、空間有限等限制，很容易出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題。本文針對現(xiàn)場焊接的特點，提出了如下措施：

1） 設計改進：改進鎖緊帽的結構設計、增加能量吸收器和基礎連接板焊接后的尺寸穩(wěn)定化處理、增加焊接見證件等；

2） 焊接工藝改進：較小的焊接線能量、更小尺寸的焊材、待焊表面的清潔、合理的焊接起弧點和焊接順序等；

3） 改善現(xiàn)場施工環(huán)境、加強質(zhì)保監(jiān)察等措施：包括現(xiàn)場的清潔度控制、必要的除濕措施、嚴格的質(zhì)量管理、有效的質(zhì)保監(jiān)察等。

［1］ 李亞江. 焊接組織性能與質(zhì)量控制［M］. 北京：化學工業(yè)出版社，2005.300-305.（LI Ya-jiang. Properties and Quality Control of Welding Microstructure ［M］. Beijing： Chemical Industry Press， 2005.300-305. ）

［2］ 趙弈斌. 壓力容器焊接結構工程分析［M］. 北京：化學工業(yè)出版社，2005.86-90.（Z H A O Y ibin. Analysis for the Pressure Vessel Welding Structure［M］. Beijing： Chemical Industry Press，2005.86-90. ）

［3］ 王慶田，李燕，李娜，等. 反應堆堆內(nèi)構件儀表套管焊接變形的控制［J］. 核動力工程， 2012， 33（4）： 67-71.（WANG Qing-tian， LI Yan， LI Na， et. al. Welding Deformation Control for the Instrument Thimble of Reactor Internals［J］. Nuclear Power Engineering 2012， 33（4）：67-71. ）

On-site Welding Quality Control for Reactor Internals in Nuclear Power Plant

WANG Qing-tian， LUO Ying， JIANG Xing-jun， LI Ning， WANG Shang-wu
（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute of China， Chengdu of Sichuan Prov. 610041， China）

The paper introduces the structure characteristics and design requirements of 1000 MWe second generation plus nuclear power plant which are now massively constructed. Drawing weld defect on site which includes burning through， cold weld， weld beading，undercut， arc damaging and lack of weld， the paper analyses the causes of weld defects and puts forward optimized design， welding procedure improvement and monitoring of quality control. The key measures put forward by this paper can be served as reference for the welding on site for reactor internals to nuclear power plant， such as ACP1000， EPR and AP1000 and so on.

NPP； reactor vessel internals； welding on site； quality control

TL353 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）02-0138-07

TL353

A

1674-1617（2016）02-0138-07

2016-02-28

王慶田（1982—），男，高級工程師，現(xiàn)從事核反應堆堆內(nèi)構件的焊接、材料、無損檢驗和輻射防護等方面的工作。