6σ管理在AP1000型核電站主管道焊縫無損檢測中的應用

楊青云，劉先文

（中電投電力工程有限公司 煙臺分公司，山東 煙臺 265116）

0 前言

AP1000型主管道母材為316LN低碳控氮奧氏體不銹鋼鍛件，設計運行溫度343℃，設計壓力17.13 MPa，是輸送反應堆堆芯冷卻劑的大動脈、核反應堆壓力邊界之一。主管道焊接施工是核島施工的關鍵路徑，直接影響堆內構件的安裝和冷試。主管道焊接施工采用窄間隙鎢極自動氬弧焊。自動焊焊縫外形美觀，無損檢測性能穩定，但若焊接過程控制不當，焊接缺陷成片或鏈狀出現，給施工質量和周期帶來較大的影響。主管道焊接工藝經過焊接工藝試驗、焊接工藝評定，已經優化了焊接工藝參數，獲得的熔敷金屬具有優良的無損檢測性能和理化性能。

AP1000型主管道是ASME BPVC-Ⅲ的一級部件（見圖1），為保證無損檢測結果的一次合格率，在滿足ASME BPVC-Ⅲ相關規定的基礎上，根據焊接過程能力、焊接工藝特點和缺陷產生的冶金原理，對主管道焊接過程中涉及的焊縫的外觀檢查、液體滲透與射線檢測的檢測要求進行優化控制[1-2]。

圖1 AP1000型主管道平面布置

在焊接施工過程中有三次無損檢測，分別為熔敷金屬厚度為15 mm、50%厚度、最終焊縫。檢測方法為目視檢測、液體滲透檢測和射線檢測。無損檢測結論一次合格，有利于保證熔敷金屬及母材的性能、提高勞動生產效率[3]。

1 6σ管理的特征

6σ管理法是一種統計評估法，核心是追求零缺陷生產，防范產品責任風險，降低成本，提高生產率和市場占有率，提高顧客滿意度。6σ管理將重點對產生缺陷的根本原因進行控制，靠工藝過程的優化保證質量，嚴格進行最終產品的檢驗[4]。

作為持續性的質量改進方法，6σ管理具有如下特征：對顧客需求的高度關注；重視統計數據；改善業務流程；積極開展主動改進型管理；倡導無界限合作。

2 窄間隙鎢極氬弧自動焊工藝的優勢

窄間隙鎢極氬弧自動焊工藝具有焊材用量少、焊接參數容易控制、施工作業周期短、質量穩定、焊接作業人員勞動強度低、環境潔凈等優勢與特點。

AP1000型核電站單臺機組有12道焊縫，母材規格見表1。

表1 主冷卻劑管道基本參數

以主管道熱段的焊縫為例，焊接過程參數為：主冷卻劑管道熱段焊接內徑792.5 mm，焊接厚度約80 mm；焊絲型號為ER316L，規格為φ1.0 mm，熔敷金屬平均每層按2 mm厚度計算，焊接層數約40層；單個焊縫的焊道數量約70個；焊接速率約為75 mm/min。

3 焊接工藝過程控制

主管道母材為TP316LN，壓力容器、蒸汽發生器接管口安全端材料為F316LN，主泵接管口材料為CF8A，均為鍛件，具有優異的焊接性能。壓力容器、蒸汽發生器接管口與主泵接管口端的坡口已經在制造廠加工完畢。主管道兩端的坡口在現場進行加工，具有適配性，對焊口組對內錯邊、組對間隙的控制具有優勢。

焊接材料滿足ASME第Ⅱ卷C篇SFA-5.9及ASME第Ⅲ卷NB分卷的有關規定，并需經過現場驗收合格。焊材對硫、磷等雜質元素的含量應嚴格控制上限值。

焊接設備應標定合格。焊接操作工按HAF603取得相應的資格項目證。

液體滲透檢測的滲透材料中有害元素硫的含量應低于10-4，氟和氯總含量應低于10-4。打磨用砂輪材料應是碳化硅或者氧化鋁材料。

根據合格焊接工藝評定報告編制焊接工藝技術規程（WPS），WPS中的焊接線能量不能超過焊接工藝評定報告中焊道的最高線能量。

打底焊接時由于坡口較深，氬氣保護效果是保證焊接質量的關鍵。焊縫背面采用氬氣室進行保護，正面的氬氣流量應滿足WPS的要求，以保證氬氣保護效果與電弧的穩定性。針對焊縫組對過程中可能產生內錯邊的現象，在正式焊接前應進行焊接工藝試驗，掌握錯邊狀態下的焊接技術要求。打底焊接可能產生未焊透、內部凹陷等缺陷，應隨焊接位置的變化調整焊接參數，如電流大小、脈沖寬度、電弧電壓、焊接速度等。為規范調整焊接電參數，可將焊縫分為8個區段（見圖2），每個區段內的電參數保持一致；不同區段之間的電參數可保持一致，也可進行適當的調整。打底焊接完成后，應及時進行第二層焊道的焊接，避免焊縫因冷收縮出現裂紋。第二層焊道焊接時，應避免再次擊穿焊縫熔敷金屬，導致焊縫背面成形不良。

填充焊接是焊接施工過程的主要工序，應保證熔敷金屬與母材、熔敷金屬焊道之間的熔合性。填充焊接過程的持續時間長，為避免設備故障和人員疲勞，應及時檢查并保養焊接設備，焊接操作人員保持良好的工作狀態與積極性。焊接過程中嚴格控制道間溫度。

圖2 焊縫分段示意

蓋面焊接時要排列分布好焊道，保證焊縫的外觀質量；熔敷金屬應覆蓋兩側母材，避免咬邊等缺陷的產生；焊接施工完畢后，對焊縫表面進行打磨拋光處理。

在焊接主管道RPV一側焊口時，對SG/RCP側進行焊接變形的監控；當出現焊接變形的趨勢時，可通過焊接參數或焊道施焊順序進行調整，如圖3所示；在焊接SG側熱段焊口時，對熱段的直管段進行監控。

在焊縫熔敷金屬厚度達到約15 mm時，進行第一次內外表面的外觀檢查、液體滲透檢測和射線檢測。焊縫熔敷金屬厚度約為50%厚度時，進行第二次外觀檢查、液體滲透檢測和射線檢測。當焊縫100%焊接完成，并打磨修整后，對焊縫內外表面以及焊縫兩側母材至少15 mm范圍內進行外觀檢查、液體滲透檢測和射線檢測。

通過對每一個焊道的精心組織焊接施工，宏觀上控制焊接變形，微觀上有效地控制缺陷的產生和缺陷的最大尺寸，為主管道焊接無損檢測一次合格率達到100%提供了基礎條件。

圖3 焊接順序

4 焊縫外觀檢查

4.1 焊縫表面外觀檢查規范

焊縫內外表面外觀檢查規范要求焊縫內表面余高不超過4 mm，外表面余高不超過6 mm。當焊縫的最終厚度滿足ASME BPVC-Ⅲ的NB-3000要求時，單面焊對接環焊縫在根部一側的凹陷是允許的。

4.2 焊縫外觀檢查規范優化

焊縫內外表面在打磨拋光后，表面應不低于母材表面，光潔度可確定為小于等于6.3 μm。

5 焊縫液體滲透檢測

5.1 焊縫液體滲透驗收規范

主管焊縫的液體滲透檢測的驗收結果中不允許尺寸大于5 mm的圓形顯示，對于主要尺寸大于1.5 mm的相關顯示均應記錄。

5.2 表面圓形缺陷

焊縫表面圓形缺陷應與射線檢測結果要求的最大尺寸保持一致。若是氣孔、夾渣等缺陷，可根據外觀檢測要求進行打磨拋光處理或補焊。

5.3 熱裂紋

不銹鋼焊接可能產生的熱裂紋可以通過降低焊接材料中的硫、磷等元素百分比，降低FeS、Fe2P和Fe3P等低熔點雜質的含量。低熔點雜質硫化鐵（FeS）可以通過焊接過程中的冶金反應降低含量。

FeS的冶金反應：FeS+Mn=MnS+Fe，生成的硫化錳形成表面熔渣。

在液體滲透檢測過程中，應特別關注線性顯示。必要時可進行打磨拋光后，再次進行液體滲透檢測，進行顯示的性質確認。

6 焊縫射線檢測

6.1 常規焊接缺陷

（1）圓形顯示。射線照相上最大長度不大于寬度3倍的顯示定義為圓形顯示。這些顯示可以是圓形、橢圓形或不規則形狀，也可能帶有尾巴。圓形顯示可來自焊縫中的各種因素，如氣孔、夾渣或夾鎢等。

（2）鏈狀的圓形顯示。當兩個外側圓形顯示的平行于焊縫的中心連線上有四個及以上的圓形顯示時，應認為是鏈狀圓形顯示。

（3）氣孔分為氮氣孔、氫氣孔、CO氣孔三種類型。AP1000型核電站主管道焊接采用鎢極氬弧自動焊。由于氬氣保護效果不良而產生的氮氣孔的概率比較小，可能在立焊位置出現的概率大一些；氮氣孔外觀顯示為密集性氣孔。主管道母材為奧氏體不銹鋼，對于溶解于母材或焊絲中的氣體元素聚集、焊絲或母材上的油污等受熱分解所釋放出的氣體而產生氫氣孔的敏感性不大；氫氣孔的外形顯示為螺釘型。鎢極氬弧焊的熱能主要集中在焊絲上，熔敷金屬的冶金反應性的作用主要在于預防有益合金元素的燒損，因此產生CO氣孔的可能性很小；CO氣孔外形顯示為條蟲狀。

（4）夾渣是焊后殘留在焊縫中的熔渣。夾渣的形狀有圓形、橢圓形和不規則形狀，存在于焊縫與母材坡口側壁交接處，或存在于焊道與焊道之間。夾渣可以是單個顆粒狀分布，也可以是長條狀或鏈狀連續分布。

（5）夾鎢是指在焊縫金屬凝固過程中殘留的來自鎢極的顆粒。主要原因是鎢極承載電流的能力較差，過大的焊接電流可引起鎢極熔化脫落，進入熔池內，成為熔敷金屬的夾鎢污染。夾鎢在射線檢測底片上的影像是亮點。

（6）未熔合是焊接過程中，在焊縫金屬與母材之間或焊層（道）金屬之間未能完全熔化形成原子間結合而留下的縫隙。有側壁未熔合、層間未熔合和焊縫根部未熔合三種形式。

（7）未焊透是焊接時接頭根部未完全熔透的現象。單面焊時，熔池達不到坡口鈍邊的根部為根部未焊透。

6.2 射線檢測范圍

焊縫的射線檢測應包括焊縫及其13 mm范圍內相鄰的母材。

6.3 驗收規范要求

射線檢測驗收規范為在不允許存在長度大于19 mm的條形顯示；圓形顯示與相鄰顯示間隔至少25 mm的單個顯示，尺寸小于等于10 mm；焊縫內部焊根的狀態在射線照相所示的黑度不是突變時是可以接受的。

6.4 單個圓形缺陷的控制

單個圓形缺陷可由過程能力分析進行優化確定。通過標準差σ來確定出現概率最大的單個圓形缺陷，并通過焊接工藝進行過程控制。

過程能力的高低用標準差σ來衡量。σ越小，過程能力越高，穩定性越高，生產制造能力越強。在6σ范圍內，質量一次合格率大于等于99.73%，如圖4所示。

式中 Cp為過程能力指數，反映產品的控制范圍滿足顧客要求的程度（Cp的選擇見表2）；T為技術要求，即技術規范的幅度；σ為過程能力，即過程特性值的總體標準差。

圖4 正態分布

表2 過程能力等級

單個圓形缺陷允許尺寸為10 mm，即T=10 mm；按焊接過程能力充分，選擇Cp=1.33；σ=T/(6*Cp)=10/(6×1.33)=1.25 mm。

依據圖4，可能出現的單個圓形缺陷的最大尺寸 3σ=3.75 mm≈4 mm。

按單個圓形缺陷尺寸小于等于1.25 mm進行焊接工藝試驗，明確小于等于4 mm為實際焊接作業中單個圓形缺陷的目標值。即在主管道焊接施工過程中，可按單個圓形缺陷尺寸小于等于4 mm的目標值進行主管道焊接工藝過程的控制和管理。

6.5 長度大于19 mm的任何單個條形顯示的控制

條形顯示可能是夾渣或CO氣孔缺陷。鎢極氬弧自動焊工藝中，熔渣的產生量有限。在母材和焊材中，焊絲含碳量小于等于0.030%、母材含碳量小于等于0.02%，焊接過程中生成的少量CO。由于CO的強還原性，通過冶金反應生成CO2氣體逸出，形成條形氣孔的能力弱。

條形顯示產生的冶金反應過程：

水或氧化錳等氧化物分解形成游離的氧離子

由于熔敷金屬冷卻速度過快，CO來不及反應逸出而形成條狀氣孔。

形成表面熔渣。

可根據射線檢測中對單個圓形缺陷的控制目標進行優化，對尺寸大于4mm的單個條形顯示在焊接工藝過程中進行控制。

6.6 焊縫根部黑度控制

焊縫內表面應執行焊縫外觀檢查標準，以保證焊縫內部焊根在射線照相所示的黑度不是突變的。

7 結論

在AP1000型核電站主管道焊接施工過程中，提倡焊接工藝過程控制與無損檢測結果并重。通過6σ管理過程能力分析與焊接工藝過程控制，將單個圓形與條狀缺陷的控制尺寸目標值優化為小于等于4 mm。在確保主管道無損檢測技術規范驗收標準的基礎上，將焊接缺欠的過程控制目標值進行優化，作為焊接施工作業過程的控制指標，以獲得無損檢測性能優異的熔敷金屬，避免因焊縫超標缺陷而返修，保證主管道熔敷金屬的理化性能與抗腐蝕性能。

[1]核設施部件建造規則（第1冊）.ASME核電規范與標準BPVC-Ⅲ[S].上海：上海科學技術文獻出版社，2004.

[2]核設施部件建造規則（第1冊附錄）.ASME核電規范與標準BPVC-Ⅲ[S].上海：上海科學技術文獻出版社，2004.

[3]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[4]中國設備監理協會.設備工程監理技術與方法[M].北京：中國人事出版社，2010.