耿 璞，凌禮恭

（1. 中機生產(chǎn)力促進中心，北京 100044；2. 生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

2016年4月，國內(nèi)某核電廠在機組換料大修期間，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓器波動管的母管與支管管座（BOSS頭）焊縫處存在泄漏，其他核電廠經(jīng)反饋排查，也發(fā)現(xiàn)BOSS頭焊縫存在不同程度的焊接質量問題。國家核安全局于2016 年5 月至2017年9月陸續(xù)發(fā)布一系列關于國內(nèi)核電廠核級管道BOSS 頭焊縫質量問題的文件，要求各在建和運行核電廠開展同類型焊縫排查工作，采取保守措施進行處理，確保機組安全。根據(jù)各核電廠的排查結果，基于保守決策原則，國家核安全局于2017年12月再次發(fā)布《關于進一步排查處理核電廠核級管道與支管管座（BOSS 頭）焊縫缺陷問題的通知》（國核安發(fā)〔2017〕308 號），要求各核電廠全面排查處理核1 級BOSS 頭焊縫，并參照核1 級BOSS 頭焊縫處理方法，對核2級、3級BOSS頭焊縫開展排查處理工作，確保機組建造質量和運行安全。

1 BOSS頭介紹

BOSS 頭是一種特殊的管道接頭，一般稱為“支管臺或管座”。BOSS 頭是核電廠管道母管和支管補強連接的一種管件形式，其與其他管件的連接方式主要有對接焊連接、承插焊連接和螺紋連接，其接頭形式（焊縫）在結構上隨母管形狀變化成空間馬鞍形。作為核電廠工藝管線上母管與支管連接焊縫，在功能上既是承壓焊縫也是密封焊縫，BOSS 頭結構和焊縫三維示意圖如圖1所示。

核電廠的各種工藝管線，如測量管線、引流管線、疏水排氣管線等都需采用BOSS頭結構與母管連接，因此，BOSS 頭焊縫在核電廠各工藝管線上較為常見，數(shù)量較多，系統(tǒng)分布也比較廣泛，某CPR1000型核電廠的核級BOSS頭焊縫數(shù)量如圖2 所示。對于運行核電廠，核級BOSS 頭焊縫失效會導致管道內(nèi)介質的泄漏，給系統(tǒng)功能和安全功能帶來隱患，甚至可能導致運行功率降低、停堆，影響運行安全。因此，核級BOSS頭焊縫承擔著重要的安全功能，其質量直接關系著核電廠的運行安全，應引起高度重視。

圖1 BOSS頭結構和焊縫三維示意圖Fig.1 Schematic diagram of BOSS and weld structure

圖2 某CPR1000型核電廠安全重要系統(tǒng)的核級BOSS頭焊縫分布情況Fig.2 Quantitative distribution of BOSS weld in safety system of a CPR1000 nuclear power unit

1.1 BOSS頭主要結構與工藝

由于核電堆型設計和參考標準的不同，國內(nèi)各堆型機組BOSS頭結構形式也有所差異。根據(jù)制造工藝，BOSS 頭主要有兩種典型結構：一種是先焊后鉆型（SOBO型），該類型BOSS頭焊接前為實心錐形棒體，焊接完成后再鉆中間通孔，焊接熔敷金屬厚度較大；另一種是先鉆后焊型（SOBP 型），該類型BOSS 頭在焊接前完成中間通孔的施鉆，焊接熔敷金屬厚度較小。根據(jù)材質不同，BOSS 頭分為不銹鋼型和碳鋼型，不銹鋼型主要包括Z2CN18.10、Z2CND18.12N等材質，碳鋼型主要包括P280GH、A42AP 等材質。根據(jù)功能不同，BOSS 頭分為測量型、限流型、取樣型等。根據(jù)核安全級別不同，BOSS 頭的連接焊縫分為核1 級、核2 級和核3 級。目前，核電廠管道上的BOSS頭一般在管道預制廠生產(chǎn)完成。

1.1.1 M310機組及其改進型機組

國內(nèi)M310 機組及其改進型機組主要參考《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》（RCC-M（2000+2002補遺））設計建造[1]，管道用BOSS頭主要由國內(nèi)設計單位根據(jù)RCC-M 規(guī)范要求，結合各工藝管線布置和特點自主設計。根據(jù)RCC-M規(guī)范，有核安全功能的小于或等于2 inch（1 inch=2.54 cm）小尺寸支管連接，按照RCC-M規(guī)范中“B3643 支管連接”和“C3643 支管連接”進行設計，對應的BOSS 頭焊縫類型屬于RCC-M規(guī)范S篇“附錄SIII支管形式——推薦用于管道的焊接接頭”的圖W2.9b形式（如圖3所示），坡口角度為15°～35°。在國內(nèi)核電廠的設計和工程實踐中，坡口角度一般為25°，對應的焊縫結構主要有兩種：一種是全焊透焊縫，如圖4（a）所示；另一種是部分焊透焊縫，如圖4（b）所示。焊接工藝采用鎢極氬弧焊+手工電弧焊（GTAW+SMAW）或鎢極氬弧焊（GTAW），制造過程中的無損檢驗方法和驗收準則參考“S7700 產(chǎn)品焊縫的無損檢測”的規(guī)定：對待焊表面、根部焊道和完工焊縫執(zhí)行液體滲透檢驗。

圖3 RCC-M（2000+2002補遺）規(guī)范S篇附錄SIII的小尺寸支管Fig.3 Small branch in annex SIII of RCC-M(2000 edition and 2002 addendum)

圖4 國內(nèi)M310機組及其改進型機組BOSS頭焊縫結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of BOSS and weld of domestic M310 nuclear power plant

1.1.2 其他類型核電機組

除了M310機組及其改進型機組，國內(nèi)其他壓水堆核電機組還包括歐洲先進壓水堆（EPR）、非能動先進壓水堆（AP1000）和水—水高能反應堆（WWER）。

國內(nèi)EPR 機組主要參考RCC-M（2007 版）規(guī)范設計建造[2]，其BOSS 頭結構在設計標準、結構形式、制造工藝上與M310 機組差別不大，只是在設備的安全功能分級定義上與M310機組有所不同，包括F1A級、F1B級和F2級3個安全功能分級。

國內(nèi)AP1000 機組主要參考美國ASME 核電規(guī)范與標準《核設施部件建造規(guī)則》（ASME BPVC-III（1998+2000增補））設計建造[3]，根據(jù)系統(tǒng)管道的不同布置特點，其管座類BOSS頭焊縫采用了WELDOLET（焊接支管臺）、SOCKOLET （承插支管臺）、NIPOLET （短管支管臺）、FLATOLET （平底型焊接支管臺）、SWEEPOLET（鑲入式支管臺）5 種結構形式（見表1），其中以WELDOLET、SOCKOLET結構形式為主，焊接工藝大部分采用GTAW，少部分采用GTAW+SMAW，坡口角度為37.5°、45°或50°，AP1000 機組核1、2、3 級BOSS 頭焊縫在設計上分別屬于BPVC-III 中NB4244/NC4244/ND4244 規(guī)定的“用全焊透角焊縫的接管、支管和管道的連接”，制造階段的無損檢驗方法分別參考NB5240/NC5240/ND5240中全焊透角接焊縫的檢驗要求。NB5240 的規(guī)定為：名義直徑超過4 inch（10.16 cm）時，應采用超聲或射線方法，以及用液體滲透或磁粉方法進行檢測；名義直徑等于或小于4 inch（10.16 cm）時，應進行磁粉或液體滲透方法檢測。NC5240 的規(guī)定為：名義直徑大于4 inch（10.16 cm）應進行射線檢測；名義直徑等于或小于4 inch（10.16 cm）時，應采用磁粉或液體滲透檢測。ND5240的規(guī)定為：名義直徑大于2 inch（5.08 cm）時，應使用磁粉、液體滲透或射線照相中的任何一種方法進行檢測。

表1 國內(nèi)AP1000機組BOSS頭焊縫結構示意圖Table 1 Schematic diagram of BOSS and weld of domestic AP1000 nuclear power plant

國內(nèi)WWER 機組主要參考俄羅斯標準《核動力裝置的設備、管道的設置及安全運行規(guī)范》（ПНАЭТ-7-008-89）[4]、《核動力裝置的設備和管道焊接和堆焊的基本規(guī)則》（ПНАЭТ-7-008-89）[5]和《核動力裝置的設備和管道焊接接頭和堆焊的檢驗規(guī)程》（ПНАЭТ-7-010-89）[6]設計建造，其BOSS 頭焊接工藝采用GTAW，坡口角度為50°±3°，結構形式如圖5所示。制造階段的無損檢驗方法主要依據(jù)ПНАЭГ-7-010-89中“9.11 檢查的范圍”的規(guī)定：對于內(nèi)徑小于15 mm的焊縫實施逐層目視檢驗；對于內(nèi)徑大于15 mm的焊縫實施規(guī)定比例的射線檢驗抽檢。

圖5 國內(nèi)WWER機組BOSS頭焊縫結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of BOSS and weld of domestic WWER nuclear power plant

國內(nèi)AP1000機組和WWER機組分別參考美國和俄羅斯標準進行設計建造，其BOSS頭也由國外設計單位按照本國標準規(guī)范進行設計。與M310 機組相比，AP1000 機組和WWER 機組的BOSS 頭焊接坡口角度較大，結構設計相對合理，便于焊接操作，且在設計制造階段的標準規(guī)范中包含表面檢驗和體積檢驗的要求，因此，該類BOSS頭焊接質量問題較少。

1.2 BOSS頭焊縫在役檢查要求

對于M310機組及其改進型機組，根據(jù)《核電廠核島機械設備在役檢查規(guī)則》（RSE-M 1997+2000補遺）附錄3.1的要求，BOSS頭焊縫屬于管嘴焊縫，在機組大修期間對規(guī)定范圍內(nèi)的管嘴焊縫實施液體滲透檢驗或目視檢驗[7]。

對于AP1000 機組，根據(jù)ASME 核電規(guī)范與標準《核電廠部件在役檢查規(guī)則》（ASME BPVC-XI（1998+2000 增補））中“IWB-2500檢測和壓力試驗要求”“IWC-2500 檢測和壓力試驗要求”和“IWD-2500 檢測和壓力試驗要求”，在機組大修期間對規(guī)定范圍內(nèi)的管道連接件焊縫實施表面檢驗[8]。

對于WWER 機組，其在役檢查要求是根據(jù)ПНАЭГ-7-010-89 制訂的，對支管焊接接頭的檢驗方法主要是目視檢驗或液體滲透檢驗。

2 焊接質量問題原因分析

根據(jù)國內(nèi)核電廠BOSS 頭焊縫質量的排查結果和原因分析，其出現(xiàn)泄漏的主要原因是由于焊縫中存在未熔合、超標氣孔或夾渣等焊接缺陷，在管道焊縫服役后，經(jīng)歷多次機組壓力平臺變化或管道振動產(chǎn)生循環(huán)載荷，應力變化或振動疲勞使缺陷擴展導致焊縫泄漏。根據(jù)對不同類型機組BOSS頭焊縫缺陷率的調(diào)研結果，某M310 機組核2 級和3 級BOSS 頭焊縫缺陷率為55%，某AP1000 機組和WWER 機組核2 級和3級BOSS頭焊縫缺陷率分別為6%和8%，M310機組的BOSS 頭焊縫缺陷率明顯高于AP1000 和WWER機組。針對BOSS頭焊縫質量問題以及不同機組類型缺陷率的明顯差異，結合各類型機組的設計規(guī)范，本文從結構設計、焊接工藝、人員技能與責任心、無損檢驗、在役檢查等方面對焊接缺陷產(chǎn)生的原因進行了分析。

2.1 結構設計

從1.1 節(jié)可以看出，國內(nèi)M310 機組的BOSS頭坡口角度一般設計為25°，而AP1000 機組的坡口角度為37.5°、45°和50°，WWER 機組的坡口角度為50°。與其他機組相比，M310 機組的BOSS頭焊縫坡口角度偏小，雖然滿足RCC-M規(guī)范要求，但坡口角度偏小不利于焊接和層間清理，使焊接過程中熔渣無法充分熔化，導致產(chǎn)生夾渣，焊絲擺動受限導致容易產(chǎn)生側壁未熔合缺陷。

2.2 焊接工藝

焊接過程中焊縫層間清理不徹底是BOSS 頭焊縫產(chǎn)生夾渣缺陷的直接原因。從1.1節(jié)可以看出，M310 機組的BOSS 頭焊接采用GTAW+SMAW 或GTAW，AP1000 和WWER 機組主要采用GTAW。GTAW 工藝是采用焊絲進行BOSS 透焊縫的定位、打底和填充，焊接過程中背面充氬保護，不容易產(chǎn)生夾渣；而GTAW+SMAW 工藝是采用焊絲氬弧打底，氬弧焊接打底過程中充氬保護，再使用焊條電弧填充及蓋面，該過程容易產(chǎn)生夾渣、氣孔和未熔合等焊接缺陷。同時由于BOSS頭支管處于水平、垂直、傾斜等不同方向，焊接時可能涉及平焊、橫焊、立焊、仰焊等不同位置，焊縫成形為空間馬鞍形，焊接過程和焊接位置的復雜性也導致容易產(chǎn)生焊接缺陷。

2.3 人員技能與責任心

焊工經(jīng)驗不足以及焊接過程中質量管理和過程監(jiān)督弱化是BOSS頭焊縫產(chǎn)生缺陷的人為原因。由于手工焊對焊工的技能水平依賴程度較高，因此，焊工技能和責任心在BOSS頭焊接中尤為重要。BOSS 頭焊縫復雜的焊接過程容易使焊工對焊接操作不準確，采取措施針對性不強，從而導致焊接缺陷的產(chǎn)生。

2.4 無損檢驗

BOSS 頭焊縫無損檢驗方法與可能的焊接缺陷的要求不匹配是BOSS頭焊縫缺陷漏檢的間接原因。從1.1 節(jié)可以看出，按照RCC-M 規(guī)范進行設計的M310 機組的BOSS 頭焊縫，機組建造階段的質量檢驗方法主要是目視檢驗或液體滲透檢驗，沒有體積檢驗的要求。由于液體滲透檢驗適合檢測表面開口缺陷，無法檢測出焊縫內(nèi)部的埋藏缺陷，而目前BOSS頭焊縫缺陷的主要類型為未熔合、超標夾渣或氣孔，均為埋藏缺陷，現(xiàn)行的BOSS頭焊縫無損檢驗方法與實際存在的主要缺陷類型不匹配，檢測方法存在局限性。

而AP1000和WWER機組不僅要求液體滲透檢驗，也有逐層目視檢驗或一定比例的射線檢驗要求，表面檢驗與體積檢驗相結合，能最大限度地保證安裝質量。

2.5 在役檢查

從1.2 節(jié)可以看出，不論是RSE-M、ASME BPVC-XI 或ПНАЭГ-7-010-89 的要求，還是目前國內(nèi)機組的在役檢查大綱的規(guī)定，機組運行后的在役檢查期間，BOSS 頭焊縫的質量檢驗方法主要是液體滲透檢驗或目視檢驗，無法檢測出焊縫內(nèi)部埋藏缺陷。因此，如果在機組建造安裝階段存在內(nèi)部埋藏缺陷，在役檢查也無法有效檢出，導致機組存在“帶傷運行”的風險。

3 提高BOSS頭焊縫質量的建議

由于BOSS 頭焊縫質量對機組安全運行的重要性，根據(jù)國家核安全局的要求，國內(nèi)核電廠利用換料大修或停堆窗口采用射線檢驗方法對核級BOSS頭焊縫進行了全面的排查，對存在質量問題的BOSS頭焊縫進行了返修處理，采取的處理措施主要有打磨后補焊、整體更換、自動焊堆焊、設計評估等。

為了提高BOSS 頭焊縫質量，減少焊接缺陷的產(chǎn)生，及時發(fā)現(xiàn)可能的缺陷，本文結合BOSS頭焊縫質量問題的原因分析，從設計與焊接、人員技能與責任心、無損檢驗、在役檢查等方面提出如下建議。

3.1 設計與焊接

BOSS 頭焊縫缺陷比例較高與坡口角度設計偏小有關，因此，可以考慮從設計上適當增大焊接坡口角度并固化相關設計參數(shù)，以便于焊工操作、焊道成形和焊渣清理。根據(jù)對國內(nèi)AP1000和WWER機組的調(diào)研以及同類型機組的優(yōu)化改進實踐，建議坡口角度適當優(yōu)化為45°。

目前，BOSS 頭焊縫主要采用氬電聯(lián)焊的焊接工藝，無法避免夾渣的產(chǎn)生，因此，可以結合現(xiàn)場實際情況，研究采用全氬焊接工藝，同時，在焊接過程中加強管道和支管的清潔度檢驗，避免夾渣的產(chǎn)生；嚴格控制焊接層間和道間溫度，加強對焊縫打底層和層間的質量檢驗（如打底層和焊接過程中每3 層增加液體滲透檢驗），從而提高焊接質量。

3.2 人員技能與責任心

在BOSS 頭焊接過程中，焊工技能是基礎，責任心是保障。因此，應加強對焊工的核安全文化教育，培養(yǎng)其養(yǎng)成良好的工作習慣和質疑的工作態(tài)度，持續(xù)提升核安全文化素養(yǎng)，同時，加強制造廠預制階段和現(xiàn)場焊接過程中的過程管理和質量監(jiān)督，避免人為原因導致焊接缺陷的產(chǎn)生。

3.3 無損檢驗

由于目前BOSS 頭焊縫在安裝完工之后只執(zhí)行液體滲透檢驗，并未進行體積檢驗，因此，無法有效發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部缺陷。在BOSS頭焊縫的返修和后續(xù)焊接過程中，建議加強焊接過程中或焊后的無損檢驗，如每3層焊接后增加液體滲透檢驗，或焊后采用體積檢驗方法，避免缺陷漏檢。

值得討論的是，BOSS 頭焊縫結構復雜，母管與支管尺寸相差過大，難以實施100%有效的射線檢驗，且底片黑度差異和幾何不清晰度差異較大，不滿足相關核電規(guī)范的要求，存在缺陷漏檢、缺陷放大、缺陷誤判的可能性，因此，無法使用標準檢驗工藝實施射線檢驗[9,10]。目前各核電廠在質量排查和返修處理后主要采用垂直于主管軸線方向（0°和180°）的非標準工藝實施射線檢驗，根據(jù)檢驗結果判斷缺陷信息。非標準工藝射線檢驗方法如圖6所示。

圖6 非標準工藝射線檢驗透照工藝示意圖Fig.6 Schematic diagram of radiographic inspection of non-standard process

相控陣超聲檢驗技術聲束靈活可控，可以對檢測對象進行多角度、多方位的掃查，有效降低缺陷漏檢率，提高檢測可靠性。目前，已有相關核電廠在役檢查單位研究利用相控陣超聲檢驗技術對BOSS 頭焊縫進行檢驗，研究表明，該方法可以用于缺陷的定位，但由于在核電領域缺乏適用的缺陷驗收標準，因此，距離實際應用仍需進一步驗證并制定適用的驗收準則[11]。

3.4 在役檢查

目前，各核電廠的在役檢查大綱對BOSS頭焊縫主要采用目視檢驗或液體滲透檢驗。對于核安全重要系統(tǒng)的BOSS 頭，由于其承擔著重要的安全功能，建議對此類BOSS 頭焊縫適當優(yōu)化在役檢查的檢驗方法或提高頻度，如在役檢查期間增加體積檢驗方法，或兩次完整大修之間的在役檢查期間增加目視檢驗或液體滲透檢驗的頻度。

4 結論

BOSS 頭管座結構是核電廠管道與支管連接的常見形式，BOSS 頭焊縫承擔著重要的核安全功能，其質量直接關系著核電廠的建造質量和運行安全。BOSS 頭焊縫在設計和標準上的差異主要表現(xiàn)為焊縫坡口角度大小、是否執(zhí)行體積檢驗、在役檢查的方法和頻度等。BOSS 頭焊縫主要焊接缺陷是未熔合、超標夾渣和氣孔。由于BOSS頭焊縫的特殊結構，國內(nèi)核電廠主要采用非標準工藝射線檢驗方法對其質量進行排查。大角度坡口設計、全氬焊接工藝、提升焊工技能和責任心、適當采用體積檢驗方法等措施有助于提高BOSS頭焊接質量。運行階段適當加強在役檢查的檢驗方法和頻度是保障其焊縫質量和運行可靠性的重要手段。