核電站建造中焊接工藝非重要變量的控制

王 勇，石立波，劉 丹

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

1 核電站建造中焊接質保的要求

焊接是核電站建造中的重要技術，它是一種特殊工藝，其顯著特征就是最終產品不能僅通過對成品的檢查來確定產品的質量。焊接接頭的形成是一個復雜的金屬熔煉過程，焊縫的性能(強度、韌性等)不是焊后無損檢驗能夠檢查的，要獲得符合設計要求的焊縫質量需要有效地控制整個焊接全部過程的各個影響因素。

確保核安全是核電站建造過程中的第一要求，強制執行的核質保體系要求對于核電站中焊接結構的生產任何人都可提出質疑，如果生產者沒有提供說明其質量合格的足夠的證明文件，都可以對產品的最終質量提出疑問，進而否定最終產品的質量。

2 焊接工藝中的重要變量和非重要變量

焊接工藝是決定產品焊接質量的最關鍵因素。焊接工藝的取得必須進行焊接工藝評定，產品焊接過程中各項工藝參數控制必須在焊接工藝評定的覆蓋范圍內。

AP1000先進壓水堆核電大規模采用ASME(美國 ASME鍋爐及壓力容器規范，以下簡稱ASME)標準，國內二代改進型壓水堆核電站中應用的建造規范是RCC－M(法國壓水堆核島機械設備設計和建造規則，以下簡稱RCC－M)。ASME第Ⅸ卷為每個包含在特定工藝規程中的每個焊接方法都列出了重要變量、附加重要變量和非重要變量。如果變化一個重要變量，要求再次評定焊接工藝。焊接工藝規程中必須給出重要變量和非重要變量，當對沖擊性能有要求時，還應給出附加重要變量，如果附加重要變量變為重要變量，其改變也要求再次評定工藝。而RCC－M S篇焊接規范是按照焊接對象的不同進行編寫(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分?？梢岳斫猓琑CC－M規范中有要求的都是重要變量。

ASME第Ⅸ卷(2004版)與RCC－M規范(2007版)對這些變量要求的對比，如表1所示。從對比中可以看出:RCC－M的焊接工藝評定中需要控制的重要變量(改變該變量的有效范圍會影響工藝評定的有效性)要比ASME多。從某種意義上來說，按RCC－M進行工藝評定對于焊接工藝的控制更為嚴格。另一方面，ASME的某些規定更為合理，例如使用線能量作為能量參數而不是電流等。

表1 焊條電弧焊(SMAW)焊接工藝變量對比分析

續表

3 ASME中焊接電流作為非重要變量對焊接質量控制的影響

關于如何確定焊接工藝評定中焊接電流的有效范圍，在理論和實踐中一直存在爭議，有必要結合ASME和RCC－M的相關規定進行進一步說明。ASME使用線能量作為能量的補充重要變量參數，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規范帶有很強的堆型特性，其焊接工藝評定規范反映了法國在進行其堆型建造中的實踐。根據法國核電建設實踐，其規范中確定對于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定指導書中規定的電流范圍內選取電流值進行工藝評定，合格后則該電流范圍為有效覆蓋范圍。焊接工藝評定指導書中規定的電流范圍如何確定，法國AREVA專家答復是來自先前的試驗，并且對于SMAW(焊條電弧焊)來說，主要依據是焊材評定的結果。

ASME將電流作為非重要變量時，焊接工藝評定的電流有效范圍是根據預WPS(焊接工藝規程，簡稱WPS)的規定而定，焊接工藝評定試驗只需要一個驗證電流，焊接工藝評定報告就可以確定預WPS中的所有電流;但對于有沖擊性能要求時，焊接工藝評定報告最高電流不能超過焊接試驗記錄的最高值。

對ASME而言，預WPS的數據是如何來的，ASME專家的答復是在預WPS的確定前廠家已做了大量的試驗，有試驗數據支持。此外，從ASME第Ⅸ卷認可的標準焊接工藝規程(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，其確定的依據也是大量PQR(焊接工藝評定，以下簡稱PQR)的結果。在AWS D1.1/D1.1M:2008中免除評定的WPS要求中對于電流規定:在填充金屬制造商推薦的操作范圍內。

兩個規范在不考慮焊接線能量時，控制焊接電流范圍的方法是一致的，均基于前期大量試驗的結果。從大趨勢而言，ASME中的焊接線能量是重要變量，ASME會更加實用，更加靈活。比如對于同一種母材來說，同種規格的焊材，焊條電弧焊(原手工焊)的電流如果是120 A，自動焊的電流就可以達到400～500 A。這里就有焊接速度和穩定性的不同，有的焊工技術熟練，可以大電流，高速度，有的焊工就只能用小電流。國內常常追究焊接工藝評定的預WPS的數據是抄來的，但國內大量的焊接文獻中數據都是經過多次的試驗驗證的，直接拿來用又有何不可呢。而眾多的有識之士都在呼吁一般性焊接工藝評定報告的公用性，減少資源的浪費。

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

4 非重要變量對焊接質量的影響

從表1中看出，有些在ASME規范中要求的非重要變量，對于RCC－M規范而言是重要變量，而對于一些表中沒有列出的因素都可以認為是非重要變量。對非重要變量，一般情況下不考核，但對于重要部件，由于大家對焊接規范、標準在工程中運用及理解不同，當有關人員提出疑議時，根據核電站焊接質保的特點，制造單位做了一些額外的試驗，從而驗證了非重要變量的影響。

4.1 焊接層數對焊接質量的影響

方家山核電1號島鋼襯里內環板套筒連接著底板與鋼筋，鋼筋采用進口的GEWI鋼筋，是鋼襯里的重要部件(見圖1)。在焊接過程中，監理人員發現，產品焊接的層數與焊接工藝評定的層數不一樣，焊接工藝評定的層數為13～14層，而產品焊接的層數為7～8層，主要原因是:焊接工藝評定時，施工單位為獲得良好的評定結果，選用小電流，因此層數多;而產品焊接時，工人為了追求效率，采用大電流，因此層數少。由于監理的質疑得不到完美的答復，最終管理方、監理、設計方開會決定對內環板套筒的焊接做一個額外的整體拉伸試驗。試驗結果是斷裂在母材上，從而證明了焊縫的強度滿足設計要求(見圖2)。

圖1 GEWI鋼筋

圖2 母材斷裂

海南昌江核電1號島環吊導軌安裝中，也出現產品焊接層數與焊接工藝評定層數不一樣的類似問題。因為產品是對接焊縫，最終管理方、監理、設計方開會決定補做一個見證件并進行力學性能試驗，最終結果是焊接工藝評定的抗拉強度為570 MPa，產品見證件的抗拉強度為560 MPa，雖然有所下降，但大于設計強度520 MPa的要求，兩者區別不大。

4.2 焊接順序對焊接質量的影響

方家山核電反應堆廠房環形吊車鋼牛腿(以下簡稱“牛腿”)位于安全殼第11段鋼襯里上，每個牛腿由厚度為 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級螺紋鋼筋焊接而成，36個牛腿結構完全相同。牛腿是反應堆廠房的重要部件，在安裝過程中，施工單位要上報施工方案。其中一個接頭形式如圖3所示，根據焊接工藝評定、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。但在實際產品焊接時，這個焊口基本上是在整個構件快完成時才焊，由于焊完一面后，如果保證焊工的焊接位置與可達，牛腿構件必須翻轉180°，單個牛腿重 2.472 5 t，翻轉困難，因此焊工是焊完一面的全部焊縫，再翻轉180°焊完另一面的全部焊縫，這樣與焊接工藝評定、焊接工藝卡、施工方案的要求產生了差異。最終由管理方、監理、設計方開會決定做一個見證件對比試驗。試驗結果顯示:按照焊接工藝評定順序完成的該部位的見證件抗拉強度為590 MPa，而按照實際產品焊接順序的產品見證件抗拉強度為540 MPa，都大于設計520 MPa的強度要求。最終同意了施工單位的實際產品焊接順序。對于大的厚件產品而言，焊接順序的改變會在一定范圍內影響力學性能。因此在國標GB 50661－2011鋼結構焊接規范中明確規定:“對接接頭、T型接頭和十字接頭，在工件放置條件允許或易于翻轉的情況下，宜雙面對稱焊接(第7.11.2 條)?！?/p>

4.3 焊接熱影響區對焊接質量的影響

圖3 牛腿的接頭形式

由于焊接熱影響區的殘余應力、晶體結構不明確，對焊縫最終質量的影響也不明確。一般認為多次在同一部位施焊導致母材熱影響區的熱應變脆化，對結構安全有不利影響;對于奧氏體不銹鋼增加了在敏化溫度區的停留時間，對晶間腐蝕產生不利影響。一般情況下，在熱影響區進行補焊或返修時，應先做補焊工藝評定。在無補焊工藝評定的情況下，設備建造中遇到焊縫返修時，焊縫返修前需先采用機械方法將焊縫熱影響區清除干凈，再進行焊接。但實際的焊接生產中總是有一些焊接熱影響區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，對于大厚度構件和不銹鋼構件來說應慎重考慮。

福清1、2號核電站項目中燃料格架(該設備材質為不銹鋼)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，再次焊接時不可避免的在熱影響區上焊接。由于時間緊，補焊工藝評定來不及做，設計給出意見，需要同時做一個見證件，試驗包括力學性能和晶間腐蝕試驗。最終試驗結果滿足設計要求，該設備通過驗收。

5 結論

焊接是核設備和核電站的建造過程中一個重要的建造技術，焊接的質量控制涉及到產品最終質量和安全，作為一種特種工藝，規范和標準不一定囊括了現場生產的全部情況，對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，但對于重要構件如果超出了各類人員特別是設計人員的控制范圍，通常情況下，可以要求生產單位在相同條件下做見證件，以見證件試驗的數據來說明產品的質量。

［1］RCC－M壓水堆核島機械設備制造與設計規范 第Ⅳ卷 S篇《焊接》，2007版［S］.

［2］ASME鍋爐及壓力容器規范第Ⅸ卷《焊接和釬焊評定標準》，2004 版［S］.

［3］GB 50661 －2011，鋼結構焊接規范［S］.