郭金行

(中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 101300)

示范快堆為我國在建的四代核電。由于金屬鈉有較小的快中子慢化性能和快中子捕獲截面，液態(tài)金屬鈉熱熔大、流動性好，能夠有效提高運(yùn)行溫度并降低運(yùn)行壓力，因此快堆的冷卻劑采用金屬鈉。

示范快堆的反應(yīng)堆為一體化緊湊布置的座池式結(jié)構(gòu)，一次鈉泵和中間熱交換器等一回路設(shè)備均布置在堆容器內(nèi)，堆容器內(nèi)盛有冷卻劑鈉，有較大的熱容量。

三回路是主蒸汽系統(tǒng)[1]將蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽送至汽輪機(jī)發(fā)電，主給水系統(tǒng)是向蒸發(fā)器供應(yīng)190℃的給水，這水是來自汽輪機(jī)的冷凝器、除氧器處理過的蒸汽，與主蒸汽系統(tǒng)形成閉環(huán)。三回路主蒸汽系統(tǒng)[1]管道采用的是P91鋼材料，由于其材料的特殊性，現(xiàn)場對P91鋼的管道組裝焊接的各個階段，坡口加工、組對、焊接等施工過程中存在的缺陷都會對最終的產(chǎn)品焊縫的質(zhì)量產(chǎn)生影響。嚴(yán)重情況下，這些缺陷會危及主蒸汽系統(tǒng)管道的致密性和安全性能，如焊縫的開裂、管道的變形等。故預(yù)防組裝過程焊接缺陷最實(shí)用經(jīng)濟(jì)的方法是提前發(fā)現(xiàn)并消除存在的缺陷，而目視檢驗(yàn)技術(shù)具備原理簡單、應(yīng)用靈活及檢驗(yàn)結(jié)果直觀、真實(shí)、可靠的優(yōu)點(diǎn)，是核電站最常用的檢驗(yàn)方式。結(jié)合P91材料的化學(xué)性能、力學(xué)性能及材料特點(diǎn)，通過對組裝、焊接施工各階段目視檢驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，以達(dá)到消除直觀缺陷達(dá)到設(shè)計(jì)要求質(zhì)量指標(biāo)。

1 P91材料焊接施工特點(diǎn)

1.1 P91材料焊接特點(diǎn)

主蒸汽系統(tǒng)管道材質(zhì)為P91鋼材質(zhì)，屬高鉻合金鋼，該材質(zhì)相當(dāng)于國標(biāo)10Cr9Mo1VNb高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼，是在9Cr-1Mo的基礎(chǔ)上加入一定量的鈮(V)、釩(Nb)、氮(N)元素，采用純凈化、細(xì)晶化冶金技術(shù)，微合金化、控軋、控冷等工藝，開發(fā)出的新一代改良型高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼。從該材料的化學(xué)成分可以看出，鋼的C、S、P含量降低；從力學(xué)性能上可以看出，剛的強(qiáng)度和韌性得到改善。這種材質(zhì)焊接時淬硬、冷裂傾向較大，焊前必須預(yù)熱至200～250℃，若在不預(yù)熱條件下進(jìn)行焊接時，產(chǎn)生裂紋的幾率是100%，所以說P91合金鋼管具有較大的冷裂紋傾向。焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度及焊接熱輸入量，為獲得較好的韌性，層間溫度應(yīng)小于300℃，由于P91鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較小，焊接熱量比較集中，如層間溫度達(dá)到300～350℃，沖擊韌性會大大降低，必須采用低的焊接熱輸入量的焊接工藝施焊，才能控制層間溫度小于300℃，對于壁厚大管徑的管道盡可能選用小的焊條直徑，分道、分層進(jìn)行焊接。并且每道焊縫盡可能一次焊完，當(dāng)中斷焊接時應(yīng)重新對焊接接頭采取300～350℃、2h熱處理措施[2]；恢復(fù)焊接時，應(yīng)確保焊接接頭無裂紋后再按焊接工藝要求重新預(yù)熱、焊接。

1.2 焊接接頭特點(diǎn)

主蒸汽系統(tǒng)P91鋼的管道焊接接頭主要是對接接頭，坡口一般采用V型，其間隙、鈍邊、坡口角度要求如圖1所示。

圖1 P91管道組裝要求

管道對口時一般應(yīng)做到內(nèi)壁齊平，若有錯口，其錯口量應(yīng)符合下列要求：對接單面焊的局部錯口值不應(yīng)超過管壁厚的10%[3]，且不大于1mm。焊口禁止強(qiáng)力對口，更不允許熱膨脹法對口，以防引起附加應(yīng)力。點(diǎn)固對接焊縫時必須預(yù)熱，點(diǎn)固焊時采用坡口內(nèi)側(cè)搭橋點(diǎn)固或加緊固板的方式，選用焊材與母材相同，且采用氬弧焊點(diǎn)固。由于P91鋼冷裂傾向較大，在一定條件下，容易產(chǎn)生延遲裂紋，故焊接接頭必須在焊后24h內(nèi)進(jìn)行回火處理。P91焊后狀態(tài)的組織為板條狀馬氏體，經(jīng)過回火變?yōu)榛鼗瘃R氏體，其性能較板條狀馬氏體優(yōu)越。一般而言，回火溫度為730～780℃，回火恒溫時間不少于1h，才能保證其組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體。

由于中頻感應(yīng)加熱方法可大幅度減小大徑厚壁 P91 管道焊后熱處理內(nèi)外壁溫差，有助于提高熱處理效果，本次試驗(yàn)的加熱方式選用中頻感應(yīng)加熱。經(jīng)調(diào)查，MTPC-90中頻感應(yīng)加熱器，輸出功率90KW，冷卻采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式，輸入溫度采樣2點(diǎn)及以上，可單點(diǎn)控制，具備自動編程和手動控制功能，性能穩(wěn)定，可滿足需求。

熱電偶安裝位置、安裝數(shù)量、牢固程度、精確度等，直接關(guān)系到焊件加熱的均勻性，關(guān)系到顯示、記錄溫度是否反映焊件的實(shí)際溫度，直接關(guān)系到熱處理質(zhì)量，正確安裝熱電偶是保證熱處理質(zhì)量的關(guān)鍵。試驗(yàn)采用K型熱電偶進(jìn)行控制、監(jiān)測溫度，選擇偏差較小且相近的熱電偶。焊縫中心12點(diǎn)位置熱電偶用于控制溫度[4]，其余位置的熱電偶用于監(jiān)測溫度。參照GB/T30583—2014對均溫帶的規(guī)定，監(jiān)測熱電偶布置于均溫帶邊緣。

在上述最佳加熱寬度基礎(chǔ)上，分別在管道、閥門側(cè)增加輔助加熱，輔助加熱溫度設(shè)置低于設(shè)計(jì)溫度576℃、且管道側(cè)輔助加熱溫度低于閥門側(cè)。設(shè)定管道側(cè)輔助加熱500℃、閥門側(cè)輔助加熱550℃，再次進(jìn)行熱處理模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 增加輔助加熱，試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過表1的數(shù)據(jù)顯示，焊縫位置H1、H2、H3、H4點(diǎn)的溫度值處于理想狀態(tài)。管道側(cè)外壁G1點(diǎn)溫度759℃、G4點(diǎn)溫度760，與不增加輔助加熱相比，溫度有所下降，處于要求范圍750-770℃的中間值，消除了超溫的風(fēng)險；12點(diǎn)位置內(nèi)外壁G1、G2點(diǎn)溫差4℃，6點(diǎn)位置內(nèi)外壁G4、G3點(diǎn)溫差3℃，與不增加輔熱相比，溫差減??；閥門側(cè)F1、F2、F3、F4點(diǎn)溫度均高于750℃，符合要求， 12點(diǎn)位置F1、F2點(diǎn)溫差2℃，6點(diǎn)位置F4、F3點(diǎn)溫差1℃，與不增加輔熱相比，溫差減小。

說明增加輔助加熱，提升了閥門側(cè)的溫度，各測點(diǎn)溫度均處于750-770℃，且接頭整體溫度分布較均勻，內(nèi)外壁溫差減小。

為了降低P91鋼焊接接頭的殘余應(yīng)力，必須控制其冷卻速度小于5℃/min。焊接接頭無損檢測應(yīng)在焊后熱處理24h后進(jìn)行，包括焊后100%PT、100%RT及焊縫外表面的熱影響區(qū)和焊縫處的硬度檢測。

2 目視檢驗(yàn)的流程及準(zhǔn)備

2.1 目視檢驗(yàn)流程

根據(jù)目視檢驗(yàn)技術(shù)的規(guī)范要求，P91鋼的管道焊縫目視檢驗(yàn)工作流程包括：目視檢驗(yàn)的準(zhǔn)備、目視檢驗(yàn)的實(shí)施、目視檢驗(yàn)結(jié)果分析與反饋。目視檢驗(yàn)的流程應(yīng)符合PDCA循環(huán)的質(zhì)量控制過程，即計(jì)劃—執(zhí)行—檢查—處理。

2.2 目視檢驗(yàn)準(zhǔn)備

2.2.1 檢驗(yàn)文件的準(zhǔn)備

P91鋼的管道焊接各階段目視檢驗(yàn)的檢驗(yàn)文件主要有：檢驗(yàn)規(guī)程、工藝卡、檢驗(yàn)記錄、圖紙等。

檢驗(yàn)規(guī)程應(yīng)對受檢工件的材質(zhì)和規(guī)格尺寸以及使用的設(shè)備和器材、檢驗(yàn)工藝參數(shù)、檢測結(jié)果的評定和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)作具體的描述，至少包括以下內(nèi)容：檢測單位和設(shè)備的名稱及識別號，適用的范圍，被檢件的類型、形狀及尺寸，檢驗(yàn)設(shè)備和器材(焊接檢驗(yàn)尺、放大鏡、內(nèi)窺鏡等)，檢驗(yàn)條件(如被檢區(qū)域、表面狀態(tài)、光照度等)，檢驗(yàn)時機(jī)，檢測方法和工藝(直接目視檢驗(yàn)或間接目視檢驗(yàn))，檢驗(yàn)結(jié)果評定、記錄及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)編制、審核、批準(zhǔn)人員簽名和日期后發(fā)布。

2.2.2 檢驗(yàn)人員

目視檢驗(yàn)人員應(yīng)按符合HAF602或核安全監(jiān)管部門許可的其他考試規(guī)定，取得相應(yīng)等級的資格證書，并經(jīng)雇傭單位授權(quán)后方可從事應(yīng)從事與該資格等級相應(yīng)的檢驗(yàn)工作。目視檢驗(yàn)VT-I 級人員在II、III級人員指導(dǎo)下檢驗(yàn)，但不得出具檢驗(yàn)報(bào)告；檢驗(yàn)報(bào)告由II級或III人員編制，III級人員進(jìn)行審核/簽發(fā)檢驗(yàn)報(bào)告[5]。目視檢驗(yàn)人員應(yīng)具有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和理論知識，能夠準(zhǔn)確識別各階段目視檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的缺陷。

2.2.3 檢驗(yàn)表面的準(zhǔn)備

焊縫坡口及清根后表面應(yīng)無銹蝕、氧化皮、油漆、毛刺等影響缺陷判斷的妨礙物，焊縫表面藥皮、飛濺、銹蝕、油漆等影響缺陷判斷的妨礙物，檢驗(yàn)區(qū)域?yàn)槠驴凇⒑缚p表面及兩側(cè)各25mm寬范圍內(nèi)。

2.2.4 檢驗(yàn)設(shè)備器材的準(zhǔn)備

目視檢驗(yàn)中所用到的器材有放大鏡、焊接檢驗(yàn)尺、鋼直尺、鋼卷尺、間隙尺、強(qiáng)光手電筒等，計(jì)量器具應(yīng)按要求進(jìn)行周期性檢定并具有相應(yīng)的書面報(bào)告或記錄，檢定合格并在有效期內(nèi)。

3 目視檢驗(yàn)的實(shí)施

P91鋼的管道組裝焊接的目視檢驗(yàn)，根據(jù)檢驗(yàn)階段不同，可以分為管道本體目視檢驗(yàn)、組裝目視檢驗(yàn)、焊接目視檢驗(yàn)、熱處理后目視檢驗(yàn)。

3.1 檢驗(yàn)方法

P91鋼的管道組裝焊接目視檢驗(yàn)方法為直接目視檢驗(yàn)，即用肉眼直接觀察被檢件表面或利用反光鏡、放大鏡等改善觀察的角度或視角。直接目視檢驗(yàn)要求人眼距離被檢件表面不超過610mm，所成視角不小于30°，并能夠分辨出分辨率為18%的中性灰卡上一條0.8mm寬的黑線。

3.2 管道本體目視檢驗(yàn)

P91鋼的管道本體目視檢驗(yàn)就是檢查其外觀質(zhì)量、尺寸測量，該階段的檢驗(yàn)一般在管道入場驗(yàn)收階段進(jìn)行。檢驗(yàn)前應(yīng)建立目視檢驗(yàn)清單，逐一核對標(biāo)識標(biāo)記，以防誤檢漏檢。由于管道入場前要經(jīng)包裝、運(yùn)輸及裝卸車，在此過程中通常會造成磕碰損傷，不僅造成油漆面破損，還會造成金屬材料的機(jī)械損傷。檢驗(yàn)時須將損傷部位、深度、長度或面積進(jìn)行測量記錄。

3.3 組裝目視檢驗(yàn)

組裝前應(yīng)先對坡口角度、清潔度進(jìn)行目視檢驗(yàn)，并檢驗(yàn)坡口表面有無機(jī)械損傷，必要時對損傷部位進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)后應(yīng)再次進(jìn)行目視檢驗(yàn)。

定位焊縫完成后的目視檢驗(yàn)，應(yīng)對裝配間隙、錯變量、定位焊縫質(zhì)量進(jìn)行測量和檢驗(yàn)。重點(diǎn)檢查定位焊縫是否存在裂紋，必要時借助6倍以下放大鏡進(jìn)行觀察。需要注意的是裝配間隙的測量，應(yīng)配備專用的間隙測量尺，由于管道板厚較厚，完成完成組裝后的焊縫裝配間隙是無法用焊接檢驗(yàn)尺的多用尺檢驗(yàn)的。

3.4 焊接目視檢驗(yàn)

由于P91鋼管道焊接時，熔池鐵水粘度大，流動性差，要求焊接規(guī)范小，因而焊接過程容易出現(xiàn)夾渣、弧坑裂紋等焊接缺陷。為避免焊接缺陷產(chǎn)生及保證焊接接頭的綜合機(jī)械性能，必須采用多層多道、小規(guī)范進(jìn)行焊接，每層厚度盡量減薄，焊肉的厚度不宜超過所用焊條直接，焊條擺幅不超過焊條直徑的3倍，每層焊道必須清理干凈，尤其注意清理接頭及焊道兩側(cè)。由于根部或?qū)娱g打磨較為光滑，輔助人工照明時由于照射角度不當(dāng)會造成強(qiáng)烈的炫光，影響目視檢驗(yàn)效果。

3.5 焊后目視檢驗(yàn)

因P91鋼管道焊后必須進(jìn)行熱處理，故熱處理前后須要對焊縫分別進(jìn)行目視檢驗(yàn)，對熱處理過后可能出現(xiàn)的過燒、變形和開裂應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行目視檢驗(yàn)。熱處理后管道焊縫余高及表面狀態(tài)均應(yīng)符合以下要求：

1)焊縫余高≤3mm(平焊位置不大于2mm)，余高差≤2mm，焊縫表面不允許有深度大于1mm的尖銳凹槽，且不允許低于母材表面；焊縫每側(cè)增寬<2mm[5]；2)焊縫邊緣應(yīng)圓滑過渡到母材，表面不允許有未熔合、氣孔、夾渣等缺陷；焊縫根部不允許有未焊透情況，咬邊深度<0.5mm；3)熱處理過程由于降溫速度過快，易出現(xiàn)表面氣孔；檢查過程中發(fā)現(xiàn)疑似氣孔的特征，然后經(jīng)進(jìn)一步打磨、使用放大鏡觀察，確定為表面氣孔(Φ3.0mm×2個)。

4 目視檢驗(yàn)結(jié)果的分析和反饋

4.1 炫光的影響

炫光是由于物體表面強(qiáng)烈的反光在人眼中產(chǎn)生大量的散射光，如在P91鋼管坡口表面、清根后的表面目視檢驗(yàn)時，都會產(chǎn)生炫光，使人員無法看清檢驗(yàn)表面，會造成表面上細(xì)小的缺陷如氣孔、裂紋等無法檢出，造成漏檢。通過光線是可逆的原理，可以通過調(diào)整光的入射角度或改變?nèi)搜鄣挠^察位置，改變光的反射方向消除炫光；也可以通過炫光的原理降低光源的亮度來消除炫光，防止因炫光造成漏檢。

4.2 焊接檢驗(yàn)尺的影響

焊接檢驗(yàn)尺是焊縫目視檢驗(yàn)的重要測量工具，如使用不當(dāng)會嚴(yán)重影響檢驗(yàn)結(jié)果的判定。在焊縫咬邊深度、余高的測量時，應(yīng)能正確使用。

焊縫咬邊深度測量：先把咬邊深度尺對準(zhǔn)零位緊固螺絲，把三點(diǎn)測量面接觸在處于檢測位置的同一截面處(不要放在焊縫處)，由于封頭各截面的弧面曲率是不一致的，再鎖緊高度尺，咬邊深度尺松開，將尺放于測量處，活動咬邊深度尺，其示值即為咬邊深度。

焊縫余高尺寸測量：先把咬邊深度尺對準(zhǔn)零位緊固螺絲，將焊接檢驗(yàn)尺放于測量處，活動高度尺，其示值即為焊縫余高高度。

4.3 檢驗(yàn)結(jié)果的分析

對目視檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)缺陷的不同類型分析其產(chǎn)生的根本原因，制定切實(shí)可行的糾正措施，防止此類缺陷再次發(fā)生。根據(jù)統(tǒng)計(jì)不同缺陷的數(shù)據(jù)，分析影響施工質(zhì)量的主要因素，改進(jìn)施工工藝或流程，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量，高效完成施工的目的。

5 結(jié)語

綜上所述，主蒸汽系統(tǒng)P91管道焊接的目視檢驗(yàn)，通過不同階段的目視檢、完整的檢驗(yàn)流程、嚴(yán)格的程序執(zhí)行和適當(dāng)?shù)臋z驗(yàn)方法，即最大限度的消除缺陷對組裝焊接質(zhì)量的影響，又達(dá)到了檢驗(yàn)要求的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)型和檢驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠的目的。通過主蒸汽系統(tǒng)P91管道焊接各階段目視檢驗(yàn)的應(yīng)用與分析，同時為施工工藝的改進(jìn)、產(chǎn)品質(zhì)量的提升，施工進(jìn)度的高效提供了必要的依據(jù)，也為后續(xù)同類施工活動提供借鑒。