核電站安全殼鋼襯里焊接工藝研究及質量控制

唐 識，唐宏偉，程曉玲

（1.國核示范電站有限責任公司，山東榮成264312；2.中國核電工程有限公司福清核電施工管理部，福建福清350318）

核電站安全殼鋼襯里焊接工藝研究及質量控制

唐 識1，唐宏偉2，程曉玲1

（1.國核示范電站有限責任公司，山東榮成264312；2.中國核電工程有限公司福清核電施工管理部，福建福清350318）

安全殼鋼襯里現場拼裝焊接前進行焊接工藝評定是保證安全殼鋼襯里焊接質量的重要前提，在民用核安全設備制造中尤為重要。介紹了焊接工藝評定準備工作、焊接工藝評定目的及難點、工藝評定試樣的制備和試驗方法、焊接工藝評定結果分析以及焊接工藝評定質量控制等方面的內容，通過焊條電弧焊和埋弧焊工藝評定結果表明，焊接工藝評定單位擬定的焊接工藝是正確的。

核電站；安全殼鋼襯里；焊接工藝；質量控制

0 前言

核電站安全的基本目標是：確保公眾和廠區工作人員在所有運行和事故工況下受到的輻射照射保持在規定限值之內。為此，核電站設計中設置了三道反應堆安全屏障，安全殼是阻止放射性物質向環境逸散的最后一道屏障。鋼襯里是安全殼的重要組成部分，位于安全殼的內側，其作用是密封和防泄漏，安全殼鋼襯里的質量將直接影響到核電站的核安全。焊接是安全殼鋼襯里制作安裝階段的重要加工工藝方法，焊接質量的好壞將直接影響到安全殼的鋼襯里質量，焊接工藝是確保安全殼鋼襯里焊接質量的重要前提。

在此介紹了焊接工藝評定準備工作、焊接工藝評定目的及難點、工藝評定試樣的制備和試驗方法、焊接工藝評定結果分析以及焊接工藝評定質量控制等方面的內容。焊接工藝評定結果表明，焊接工藝評定單位所擬定的焊接工藝是正確的。

1 焊接工藝準備

1.1 工藝評定標準選擇

要驗證施工單位擬定的焊接工藝的正確性，評價施工單位能否焊接出符合標準要求的焊接接頭，首先需要明確的就是焊接工藝評定試驗標準。在焊接工藝評定標準確定的情況下，施工單位應選擇合適的焊接方法焊接工藝評定試件并進行各項性能試驗，最后根據工藝評定試驗結果評定所擬的焊接工藝可行性。

我國實行的焊接工藝評定標準由于各行業特點不同，出現了焊接工藝評定不統一的情況，我國民用核安全機械設備制造中比較常用的焊接工藝評定標準主要有法國的《壓水堆核島機械設備設計建造規則》（RCC-M S卷）、美國的ASME鍋爐及壓力容器規范國際性規范《焊接和釬焊評定》（AMSEIX）標準以及核工業第二研究設計院早起負責起草《壓水堆核電廠核島機械設備焊接規范》（EJ/T1027-1996），目前該標準已被《壓水堆核電廠核島機械設備焊接規范》（NB/T20002.3-2013）替代，2013年10月1日起實施。

本研究焊接工藝評定的依據是法國的《壓水堆核島機械設備設計建造規則》（RCC-M S3000卷）。

1.2 焊接工藝選擇

核電站安全殼鋼襯里屬于民用核安全機械設備，其核安全等級為2級，質保等級為QA1級，所有鋼襯里焊縫都為一級焊縫，鋼襯里的焊接具有施工量大、施工周期長、現場焊接可達性差等特點。

因此，鋼襯里安裝焊接工藝方法的選擇主要考慮：鋼襯里焊接接頭質量、焊接接頭型式、焊接方法的可達性以及焊接效率等方面的因素。綜合上述考慮，核電站安全殼鋼襯里現場安裝常采用焊條電弧焊工藝，工廠預制采用埋弧焊工藝。在此以焊條電弧焊和埋弧焊為例，闡述鋼襯里焊接工藝研究過程及結果。

1.3 試驗材料準備

1.3.1評定試板

某核電工程安全殼鋼襯里的母材為20HR鋼板，板厚δ=6 mm，其力學性能及化學成分如表1、表2所示。工藝評定試驗所用鋼種應能代表設備實際生產中所用的材料，因此，本次工藝評定試件直接選用現場安全殼鋼襯里安裝所用的同批次20HR母材。為了保證現場使用的20HR母材符合采購技術規格書和滿足安全殼鋼襯里安裝制作的質保等級要求，施工單位應對進廠的20HR母材進行驗收，驗收內容和驗收結果應符合20HR母材采購技術規格書的要求，其化學成分和力學性能驗收的結果值分別見表1和表2。工藝評定試件的長度應能滿足評定試樣的取樣要求（需要考慮包括不合格時的復驗取樣）。

表1 20HR鋼板化學成分％

表2 20HR鋼板力學性能

1.3.2焊接材料選擇

在母材和焊接方法確定的情況下，安全殼鋼襯里焊接材料的選擇主要考慮鋼襯里結構的重要性和使用環境對焊接材料性能和化學成分的要求。

本次焊接工藝試驗選用的焊接材料為：焊條電弧焊采用的焊接材料牌號為J427HR，其化學成分和力學性能如表3、表4所示；埋弧焊采用的焊接材料為H08MnHR，埋弧焊焊劑為SJ14HR。

表3 J427HR焊條化學成分％

在焊接前，鋼襯里承包商應對J427HR焊條和H08MnHR焊絲進行驗收和復驗，其焊條驗收和復驗的內容和結果應符合J427HR焊條和H08MnHR焊絲采購技術文件的要求。

1.4 質量計劃（ITP）開啟

為了保證鋼襯里焊接工藝研究過程的質量可控，鋼襯里制造承包商應在焊接工藝評定前制定焊接工藝評定質量計劃，包括：設立質量控制點，確定質量檢查控制方法和必須完成的工作流程、檢驗，所有控制點的質量活動和試驗應有總承包單位、核電業主、監理等單位代表參加或認可。

表4 J427HR焊條力學性能

在焊接工藝評定開始前，核電工程總承包單位通常會組織核電業主、監理等單位審查承包商的開工條件，確認各項條件滿足工藝評定條件后，承包商才能按照批準的焊接工藝評定質量計劃開展工作，在焊接工藝評定實施過程中，各相關單位應按照批復的質量計劃對現場進行質量見證。

2 試驗目的及難點

2.1 試驗目的

焊接工藝評定是確保安全殼鋼襯里焊接質量的前提，其目的是驗證施焊單位擬訂的焊接工藝是否正確以及評價施工單位能否焊出符合標準要求的焊接接頭的能力。焊接工藝評定是采用擬定的焊接工藝規范和根據確定的焊接工藝評定標準焊接試件、試件檢測、試件取樣加工以及對試樣進行性能試驗，最后根據試驗結果評定焊接接頭是否具備要求性能的過程。

2.2 技術難點

由于鋼襯里是作為核電站的第三道屏障，對核電站鋼襯里用鋼（20HR）和與之匹配的焊材（J427HR和H08MnHR焊絲+SJ14HR）焊接出來的焊接接頭的力學性能、微觀金相和化學成分要求非常嚴格。因此，在焊接過程中應控制焊接熱輸入量和層間溫度，避免過大的熱輸入造成某些合金元素的燒損和過快的冷卻使焊接接頭因淬火而產生的非正常組織和微裂紋。

3 試樣制備及試驗方法

3.1 評定試件的制備

3.1.1試件組對及焊接

試件制備應嚴格按照焊接工藝規程（焊接工藝指導書）的要求執行，焊條電弧焊評定試件采用V型坡口對接接頭型式，其坡口組對和焊道分布如圖1所示；埋弧焊采用I型坡口。

圖1 2G和3G焊接位置坡口組對及焊道分布

為了焊接防止工藝評定試件焊接變形，組對前應對試件進行2°～3°的反變形，并對工藝評定試件進行點焊固定。工藝評定試板尺寸為900mm×200mm× 6 mm，焊條規格φ3.2 mm，焊前進行350℃×2 h烘干；兩個焊接位置的焊接工藝參數如表5、表6所示；埋弧焊焊接工藝參數如表7所示。

表5 橫焊（2G）焊條電弧焊工藝參數

表6 立焊（3G）焊條電弧焊工藝參數

表7 平焊（1G）埋弧焊工藝參數

3.1.2試件無損檢測

試件焊接完成后，需由符合HAF602規定的人員對工藝評定試板進行無損檢測，無損檢測項目為焊縫外觀和尺寸檢查的目視檢驗（VT）、液體滲透檢驗（PT）和射線檢驗（RT），試板焊縫應滿足一級的要求。對2G和3G兩個位置的工藝評定試件進行檢測，其結果符合一級焊縫要求。

焊接完成后對焊條電弧焊2G、3G位置和埋弧焊1G位置的試件進行了上述規定無損檢測項目，其焊縫符合一級焊縫要求。

3.2 試樣取樣

在工藝評定試板無損檢測合格后，試件加工人員應按照試樣取樣（見圖2）和試樣加工圖對試樣進行加工并驗收合格后方可進行理化試驗。

圖2 2G、3G和1G位置工藝評定試樣取樣位置

3.3 試驗方法

3.3.1力學性能試樣的制備及其試驗方法

（1）拉伸試驗。

焊接接頭拉伸試樣切取和試驗尺寸按照《焊接接頭拉伸試驗方法》（GB/T2651-2008）要求進行；焊接接頭拉伸試驗按照國家標準《焊接接頭拉伸試驗方法》（GB/T2651-2008）進行。其主要特點是受試驗區所包含的焊接接頭各部分在拉伸加載時，承受相同大小的應力。為了保證試驗數據的準確性，拉伸試樣的數量為兩個。試樣尺寸及形狀如圖3所示。

圖3 焊接接頭拉伸試樣

（2）彎曲試驗。

彎曲試驗需要進行橫向面彎和橫向背彎試驗。彎曲試樣的切取和試樣尺寸按照《焊接接頭彎曲試驗方法》（GB/T2653-2008）進行；焊接接頭彎曲試驗按國家標準《焊接接頭彎曲試驗方法》（GB/T2653-2008）進行。彎曲試樣如圖4所示。

圖4 彎曲試樣

（3）沖擊試驗。

沖擊試驗分為焊縫沖擊和熱影響區沖擊，沖擊試樣采用V型缺口，焊縫取樣位置示意如圖5所示；熱影響區沖擊試樣為兩組，一組試樣取在熱影響區距熔合線1 mm處，另外一組試樣取在熱影響區距熔合線4 mm處，其試樣的取樣位置如圖6所示；沖擊試樣按《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》（GB/T229-2007）加工，其尺寸及形狀如圖7所示。沖擊試驗按照國家標準《焊接接頭沖擊試驗方法》（GB/T2650-2008）要求進行。

3.3.2金相檢驗

在焊縫整個橫截面上進行宏觀金相檢驗（10×）和微觀金相檢驗（200×），試樣切割的尺寸以包含焊縫和母材為宜[1]。

圖5 焊縫沖擊試樣取樣位置示意

圖6 沖擊試樣取樣位置示意

圖7 沖擊試樣

宏觀金相試樣經打磨拋光后，按照國家標準《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕試驗方法》（GB/T226-1991）要求，采用浸蝕液濃度為10∶100的硝酸-酒精溶液腐蝕劑腐蝕焊接接頭后，采用10倍放大鏡檢查焊接接頭是否存在裂紋、未焊透和未熔合以及超過射線檢驗標準的氣孔和夾渣等缺陷。

微觀金相試驗按照國家標準《金屬顯微組織檢驗方法》（GB/T13298-1991）要求，采用浸蝕液濃度5∶100的硝酸-酒精溶液腐蝕劑腐蝕焊接接頭后，采用光學顯微鏡在放大200倍情況下觀察和分析接頭各部分的組織，是否存在因淬火而產生的非正常組織和微裂紋。

3.3.3化學分析試驗

化學分析試樣取自無母材稀釋的熔敷金屬，檢驗元素包括C、Si、S、P、Mn、Cr、Ni、Mo、Cu等元素，化學分析試驗方法可按照國家標準《鋼鐵及合金化學分析方法》（GB/T223）要求進行。

4 工藝試驗結果及分析

4.1 拉伸試驗結果及分析

焊條電弧焊的橫焊（2G）和立焊（3G）兩個位置，以及埋弧焊平焊（1G）焊接接頭的拉伸試驗結果如表6所示。由表6可知，三個位置的試樣均斷在熔合線以外的母材上，橫焊位置其中一件抗拉強度最小值為465 MPa，兩個位置兩個試樣抗拉強度的平均值相同，其評定結果為合格，即接頭極限抗拉強度應大于母材極限抗拉強度的較小值（≥410 MPa），且斷裂不能發生在焊縫上。

表6 焊接接頭拉伸結果

4.2 彎曲試驗結果及分析

對焊接接頭進行室溫下的橫向面彎和背彎，彎曲試驗芯棒直徑D＝4t（t為試樣厚度），兩支承輥間距離P=6.2t，彎曲角度180°；試驗結果要求沒有明顯的開裂、單個裂紋、表面氣孔，夾渣長度不得大于3 mm。試驗結果如表7所示。

表7 彎曲試驗結果

試驗表明，試樣內外表面均未出現任何形式的裂紋、表面氣孔和夾渣等缺陷，說明此次20HR焊接工藝評定的試件其抗彎曲性能優良，完全滿足要求。

4.3 沖擊試驗結果及分析

沖擊試驗分為焊縫沖擊和熱影響區沖擊，沖擊試驗結果要求：單個試樣最小值大于等于28 J，平均值必須大于等于40 J。2G、3G和1G三個位置的沖擊試驗結果分別如表8～表10所示，表中試樣編號說明：H1～H3表示焊縫沖擊試樣；R11、R12、R13是指缺口位置與熔合線距離1 mm的三個沖擊試樣；R41、R42、R43是指缺口位置與熔合線的距離4 mm的三個沖擊試樣。

由表8～表10可知，三個位置的沖擊試驗結果值單個試樣的最小值為76 J，遠大于要求值28 J，而每組試樣的平均值也大于要求值40 J，說明本次沖擊性能均合格，且20HR鋼焊接工藝評定的試件的焊接接頭具有較好的韌性。

表8 2G位置沖擊試驗結果

表9 3G位置沖擊試驗結果

表10 1G位置沖擊試驗結果

4.4 宏觀金相結果及分析

2G和3G位置焊接接頭的宏觀金相結果如圖8所示。由圖8可知，兩個位置焊接接頭宏觀金相檢驗未見裂紋、未焊透、未熔合以及超過射線檢驗標準的氣孔和夾渣等缺陷，其結果符合要求。

圖8 2G、3G焊接接頭宏觀金相

4.5 微觀金相結果及分析

2G和3G位置焊接接頭微觀金相檢驗結果如圖9和圖10所示；1G位置的焊接接頭微觀金相檢驗結果如圖11所示。

由圖9～圖11可知，母材、焊縫和熱影響區的微觀組織都為鐵素體+珠光體或鐵素體+貝氏體，無裂紋及因淬火而產生的非正常組織，組織正常，滿足要求。

4.6 化學分析試驗結果及分析

兩個位置工藝評定試件焊縫的化學成分試驗結果如表11所示。

由表11可知，三個位置焊接工藝評定試件焊縫的化學成分試驗結果均在規定范圍內，結果合格。

圖9 2G焊接接頭微觀金相

圖10 3G焊接接頭微觀金相

圖11 1G焊接接頭微觀金相

表11 2G、3G和1G位置評定試件熔敷金屬化學成分分析結果％

5 焊接工藝評定質量控制

影響焊接工藝評定結果的正確性有多個因素，在編制焊接工藝評定質量計劃就應考慮到影響工藝評定結果正確性的各個方面，因此必須認真分析影響焊接工藝評定結果的各種因素，采取切實有效的控制措施，才能保證焊接工藝評定的正確性。

影響焊接工藝評定結果的各個因素概括起來有人、料、法、機、環和評定企業資質六個方面，嚴格控制這六個方面是保證焊接工藝評定結果的關鍵。

5.1 評定企業資格

在我國境內，擬從事或已經從事民用核安全設備設計、制造、安裝和無損檢驗的單位必須按照《民用核安全設備設計制造安裝和無損檢驗監督管理規定》（HAF601-2008）的要求取得國家核安全監督部門的許可后，方可從事民用核安全設備的設計、制造、安裝和無損檢驗工作。由于核電站鋼襯里屬于民用核安全設備，因此，從事核電站鋼襯里制造的單位必須按照HAF601標準取得相應的許可證，且在進行核電站鋼襯里20HR焊接工藝評定前，還應按照《壓水堆核島機械設備設計建造規則》（RCCM S6000—制造車間的技術評定）的要求，對焊接工藝評定使用的車間進行評定，通過評定證明擬進行焊接工藝評定單位具備RCC-M S6000標準要求的能力，對于驗證工藝評定單位擬定的焊接工藝的正確性提供了必要的保證。

5.2 人：參與工藝評定的人員

人的因素主要指焊接技術人員的素質，操作人員的理論、技術水平，生理缺陷，粗心大意，違紀違章等。焊接工藝評定時首先要考慮到對人的因素的控制，因為人是工藝評定過程的主體。工藝評定結果受到所有參加工藝評定的焊接技術人員、操作人員、服務人員共同作用，他們是形成焊接工藝評定的主要因素。

從事焊接工藝評定的焊接技術人員和焊工應有工作經驗，從事工藝評定試件焊接的焊工保證能夠按照擬定的焊接工藝進行焊接工藝評定試件的焊接，避免因焊工水平影響到焊接工藝評定的結果。另外，對從事焊接工藝評定試件檢驗的無損檢測人員應按照《民用核安全設備無損檢驗人員資格管理規定》（HAF602-208）標準規定取得相應的資格證。對于工藝評定過程中的其他關鍵人員，如試樣取樣加工人員、理化人員也需要有工作經驗，且經過專項培訓取得資格證后方可從事該項工作，不要因為人為因素影響工藝評定結果。

5.3 機：焊接設備、工機具和射線檢測以及理化試驗設備

機的因素包括焊接設備、機加工設備、工機具、測量儀器和射線檢測以及理化檢測儀器等。焊接工藝評定過程必須合理選擇焊接設備、工機具和射線檢測以及理化試驗設備的類型和性能參數，合理使用這些設備、工機具，正確操作。操作人員必須認真執行各項規章制度，嚴格遵守操作規程，并加強對工藝評定相關設備的維修、保養、管理，使其保持完好狀態且經過國家正規計量單位標定，并在標定的有效期內。

5.4 料：焊接工藝評定母材、焊接材料和其他輔助性材料

焊接工藝評定所使用的原材料包括母材、焊接材料以及其他輔助性材料等，這些材料的自身質量是保證焊接產品質量的基礎和前提。為了保證焊接質量，原材料的質量檢驗很重要。對于焊接工藝評定試件所用的母材和焊接材料應按照相應的采購技術規格書要求進行驗收和復驗，合格后方可用于工藝評定。

5.5 法：核安全法規、標準規范、技術方案、無損檢測和理化試驗工藝及操作要求等

焊接工藝評定過程中的方法包含工藝評定過程中采取的核安全法規、標準規范、技術方案、工藝流程、檢測手段等。操作人員的理論水平、技術水平、技術方案正確與否，直接影響到焊接工藝評定結果的正確性。因此，在焊接工藝評定過程中應加強這方面的管理工作。

5.6 環：工藝評定的環境

在特定環境下，焊接工藝評定結果對環境的依賴性也是較大的，容易受到焊接工藝評定車間條件（如溫度、濕度、風力及雨雪天氣）的影響，在其他因素一定的情況下，也有可能單純因環境因素造成焊接質量問題，所以也應引起一定的注意。在焊接工藝評定質量控制過程中，環境因素的控制措施較為簡單，當環境條件不符合規定要求時，如風力較大，風速大于四級，或雨雪天氣，相對濕度大于90％，可暫時停止焊接工作，或采取防風、防雨雪措施后再進行焊接。

通過以上分析可知，在焊接工藝評定過程中嚴格從人、料、法、機、環和評定企業資質六個方面進行質量控制，是保證焊接工藝評定結果正確性的關鍵。

6 結論

在工藝評定過程中對人、料、法、機、環和評定企業資質六個方面進行質量控制，是保證焊接工藝評定結果的關鍵。通過2G、3G和1G三個位置的焊接工藝評定結果，可以得出焊接工藝評定單位所擬定的焊條電弧焊和埋弧焊工藝是正確的，其結果符合RCCM標準要求。從某核電工程安全殼鋼襯里現場產品見證件力學性能和焊縫無損檢測的結果表明，核電站安全殼鋼襯里焊接工藝的正確性。

[1]RCC-M壓水堆核島機械設備設計和建造規則[S].2000. +02補遺.

Welding technology research and quality control of containment vessel steel liner in nuclear power plant

TANG Shi1，TANG Hongwei2，CHENG Xiaoling1
（1.State Nuclear Power Demonstration Plant Co.，LTD.，Rongcheng 264312，China；2.Construction Management Department，Fuqing Nuclear Power Nuclear Equipment Institute，China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Fuqing 350318，China）

Before on-site assemblingand weldingofsteel liner ofcontainment vessel，welding procedure qualification(WPQ)is important premise for ensuringits weldingquality，especiallyin the fabrication ofcivil nuclear safetyequipments.In this paper，some aspects ofWPQ are described，including the preparatory work，purpose and difficulties，sample preparation and test methods，result analysis，and quality control，etc.The WPQs of shielded metal arc welding and submerged arc welding show that the welding technology chosen by the WPQ companyis correct.

nuclear power plant；container vessel steel liner；welding technology；quality control

TG457.5

B

1001－2303（2016）06－0067-08

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.14

2016-03-11

唐識（1976—），男，四川仁壽人，高級工程師，學士，主要從事核電廠執照申請、設計和焊接管理工作。