百萬千瓦核電站主蒸汽超級管道橫向限制件焊接缺陷分析

劉金貴+薛源+楊春娥+王為輝

摘要： 某百萬千瓦壓水堆核電項目主蒸汽超級管道橫向限制件角焊縫在役前檢查期間發現多處裂紋，經打磨消缺及補焊處理后滿足了設計要求。從主要從焊接材料、工藝、熱處理等方面分析缺陷產生的原因，并對后續項目同類產品避免出現同樣問題提出了經驗反饋。

關鍵詞： 核電站；主蒸汽；超級管道；裂紋

中圖分類號： TG444

Abstract：Many cracks were found on the main steam superpiping lateral restraint welding area during 1000MW nuclear power plant pre-service inspection. These Weld defects were removed by grinding and welding repair to satisfy the design requirements. This paper analyzed raw material and filing material procurement， welding process， post welding heat treatment etc. to draws out the reason， and made experience feedback to other projects to avoid the same problems.

Key words：nuclear power plant； main steam； superpiping； crack.

0 前言

目前國內運行的1 000 MW級CPR1000[1]核電機組主蒸汽管道上布置有超級管道或類似結構的管道部件。主蒸汽超級管道是指反應堆安全殼外從主蒸汽管道的安全殼機械貫穿件起至主蒸汽管道橫向限制件下游第一道焊縫止的一段飽和蒸汽管道。超級管道熱工參數高、焊縫多、受力復雜，尤其在事故工況下所受沖擊力大，具有較高的安全性，要求較高。

1 超級管道簡介

每條主蒸汽環路共布置4段超級管道，分別為T1，T2，T3，T4段，主蒸汽超級管道結構示意圖如圖1所示。除了作為主蒸汽管道的一部分以外，其超級管道上還安裝有主蒸汽安全閥、主蒸汽隔離閥、射線檢驗插塞、保溫掛環等重要安全相關閥門裝置，其中一段超級管道上（T4段）布置的橫向限制件還有起到約束主蒸汽管道橫向位移的作用。

每條T4管段上有兩個橫向限制件，每個橫向限制件與管道之間有兩道環向全焊透角焊縫，故每條T4段共有4條全焊透角焊縫（編號：A8，A9，A10，A11，如圖2所示），該環焊縫為役前檢查（PT）[3]焊縫。

橫向限制件與管道固定在一起隨管道一起運動，外框架固定在樓層錨固板上，兩者之間形成滑動面，從而使管道可以沿軸向滑動。外框架限制了管道橫向的運動，把管道橫向的力傳遞給錨固的樓板。橫向限制件與管道固定在一起隨管道一起運動，外框架固定在樓層錨固板上，兩者之間形成滑動面，從而使管道可以沿軸向滑動。外框架限制了管道橫向的運動，把管道橫向的力傳遞給錨固的樓板。

超級管道材質為法國RCC-M標準P280GH材質，橫向限制件鋼板為P295GH牌號。相關尺寸及交貨狀態詳細信息見表1。

2 橫向限制件角焊縫裂紋情況

在役前PT檢查期間，某項目主蒸汽管道橫向限制件角焊縫位置有100余條不可接受的線性顯示，其中最長一條缺陷長度約為726 mm。這些線性顯示經打磨不能完全消除并沿焊縫熔合線發展，初步判斷該顯示為裂紋缺陷。

2.1 典型缺陷記錄舉例

位置：W630房間，焊縫/部件號：3W10908A9。缺陷數量：共21條，長度4～85 mm的共18條，長120～150 mm的2條，長726 mm的1條。缺陷位置和形態，如圖3～4所示。

2.2 設計尺寸和無損檢測要求

2.2.1 設計尺寸要求

超級管道壁厚46 mm，尺寸公差（0，+3 mm），橫向限制件鋼板壁厚45 mm，尺寸公差（0，+0.5 mm）。按RCC-M C3253.2.a規定焊縫焊喉尺寸c需滿足c=min（0.7Ts，6 mm），如圖5所示。

2.2.2 無損檢測要求

采購技術規格書和RCCM S7720.2要求該焊縫需進行PT或MT。制造廠廠內進行MT檢測，現場役前檢查采用PT檢測。

3 裂紋產生原因分析方案

3.1 裂紋及母材檢測

3.1.1 覆膜金相檢查

采用現場覆膜金相的方式，對發生裂紋的角焊縫母材、裂紋、焊縫金屬和熱影響區進行覆膜金相檢驗，并對裂紋形貌進行觀察。從圖6～8中金相照片上可以看出母材組織為鐵素體+貝氏體滿足要求，焊縫部位組織為鐵素體+索氏體屬正常，但在熱影響區發現了板條狀的淬硬性馬氏體組織。馬氏體組織是產生冷裂紋的三個因素之一[4]。

3.1.2 硬度檢測

現場對焊縫和母材進行了硬度檢測，結果見表2。硬度為134～148 HB，較為均勻，焊縫硬度為168～183 HB，也較均勻正常，說明焊后熱處理工藝規范及執行到位。

3.1.3 化學成分分析

采用光譜法對取樣的母材進行了化學成分分析，結果見表3。超級管道P280GH牌號母材化學成分滿足采購技術規格書要求。

3.1.4 殘余應力測試

現場采用盲孔法[5]對未發生開裂的角焊縫焊趾部位的殘余應力進行了檢測，如圖9所示，測量結果表明焊接殘余應力值處于相對合理范圍，見表4，焊后進行了較為充分的消應力熱處理。

3.2 制造過程文件檢查

3.2.1 母材和焊材采購

經核查母管和橫向限制件鋼板材料符合采購技術規格書要求，制造廠采用的焊條為E7016-1，焊條的強度較管道母材P280GH相當，可滿足要求。排除原材料原因導致的裂紋問題。

3.2.2 無損檢測

制造廠在熱處理后采用UT和MT檢驗，檢測報告顯示合格。但存在兩個問題：第一，盡管RCCM允許采用PT或MT進行檢測，但現場役前檢查采用PT，制造廠與現場檢測方法不同，有廠內MT未檢出的可能；第二，從現場缺陷情況來看，盡管制造廠MT檢測程序沒有明顯的問題，但因為制造廠檢測人員操作不當等原因造成大面積漏檢的可能性較大。

3.2.3 焊接數據包

制造廠焊接前已進行焊接工藝評定，規定焊前預熱，焊后進行整體消應力熱處理。RCCM S1321對焊后進行消應力熱處理的P280GH，P295GH焊接接頭無焊前125 ℃預熱的強制規定，但制造廠沒有考慮氣溫較低的情況下焊接接頭溫度下降快的問題，焊接需要有足夠的預熱溫度，僅要求不低于30 ℃預熱不合理，至少需要根據實際焊接操作的地理環境溫度制定相對應的預熱溫度。

3.2.4 焊接工藝和時機選擇

制造廠制造過程中編制了質量計劃，從中可看出焊前對焊接區域進行了打磨、UT+MT檢測，焊接后進行了整體消應力熱處理，熱處理后進行UT+MT檢測。整體來看，這個制造工藝沒有問題，但焊接的時間選擇和熱處理時間控制上出現了問題。第一，焊接選擇在11月份，當地氣溫相對較冷，焊接期間溫度下降較快，容易出現冷裂紋；第二，從焊接到消應力熱處理經歷近2個月，期間很可能存在焊接完成后沒有及時進行消應力熱處理的問題。

3.2.5 消應力熱處理程序

制造廠在爐溫低于200 ℃時裝爐；加熱速率不大于100 ℃/h，一直達到消應力熱處理溫度；當爐溫達到610±5 ℃時按6 min/mm保溫，至少3 h。隨爐冷卻到300 ℃，冷卻速率為100 ℃/h，然后空冷。熱處理程序沒有問題，但如上面所述很可能存在消應力熱處理不及時的情況。

4 其他電站類似情況

經與其他核電單位進行交流得知，某核電站1號機組在大修期間發現主蒸汽管道上用于連接阻尼器的護板也出現過類似的裂紋，如圖10所示。該項目1號機安裝期間于3月份進行現場焊接，焊前、焊后均未作任何形式熱處理，導致運行期間發現裂紋。同樣的焊接工藝，因2號機在夏季施焊，就沒有出現裂紋。

5 裂紋類型及產生原因分析

綜上所述，該主蒸汽超級管道橫向限制件焊縫缺陷類型及產生原因分析如下：

（1） 裂紋位于焊趾部位，穿晶開裂，在部分位置存在沿晶特征，以及發現馬氏體組織、存在應力集中等方面考慮，該裂紋為冷裂紋。

（2）預熱是有效防止冷裂紋的方法[6]。制造廠焊前預熱溫度低，盡管P280GH材料總體上焊接性良好，但預熱溫度低于50 ℃時，熱影響區存在較大的淬硬傾向，而當預熱溫度大于125℃時，可基本消除冷裂紋的影響。未合理預熱也是裂紋產生的主要原因。

（3）由于是在秋冬季焊接，焊縫在焊后冷卻速度較快，未及時進行整體熱處理，在焊縫熔合線附近的熱影響區形成了粗大的脆性板條馬氏體組織，馬氏體組織硬度高，內應力大，對殘余應力和氫（環境）的綜合作用敏感。在沒有適當預熱和保溫情況下，焊接時間選擇不當。

（4）橫向限制件焊縫較厚，焊接面積較大，該結構角焊縫拘束度較大等因素，在未及時進行熱處理的情況下，將導致焊接產生的較大殘余應力無法得到及時釋放。

綜上所述，由于焊接預熱溫度低、焊接時間選擇不當并未進行合適保溫、焊后熱處理不及時等原因，導致焊后在角焊縫焊趾部位產生了冷裂紋。

6 后續借鑒意義

該問題的處理對后續工程建設有很多積極的借鑒意義，列舉如下：

（1）焊前不低于125 ℃預熱，焊后進行后熱或及時進行整體消應力熱處理，以消除出現冷裂紋產生的條件[7]。

（2）廠內無損檢測與現場役前檢查保持一致。盡管RCCM允許PT或MT選擇其一進行檢測，廠內檢測應與現場保持一致，即采用PT檢測。有條件的情況下推薦進行PT+MT檢測。

（3）加強無損檢測的廠內監督，合理設置質量監督見證點。

參考文獻

[1] 中國廣東核電集團有限公司. 中國改進型壓水堆核電站CPR1000簡介[J]. 現代電力，2006， 23（5）：36-38.

[2] Afcen.RCC-M：2000 design and construction rules for mechanical components of pwr nuclear island[S].Paris：， France，2000.Afcen.

[3] 彭志珍.壓水堆核電站在役檢查常用無損檢測方法簡介[J]. 科技資訊，2012，8：9-13

[4] 石成.鋼結構焊接裂紋的防治[J]. 建筑施工，2010， 32（5）：12-16.

[5] 王維容.關于焊接殘余應力測試方法的研究[J].焊接學報，1989，3：31-34.

[6] 曹良裕.用預熱方法防止低合金高強度鋼焊接接頭冷裂紋的研究 [J]. 材料開發與應用，1991， 2： 15-16.

[7] 刁鳳東.低溫環境下管道焊接產生冷裂紋的因素及控制措施[J]. 焊接技術，2007， 36（4）：12-14.