壓水堆核電站主蒸汽管道安裝焊接優(yōu)化

鄧峰，王恒，于堅(jiān)

中國(guó)核電工程有限公司 北京 100840

1 序言

壓水堆主蒸汽管道的安裝一直被視為壓水堆建造的重要節(jié)點(diǎn)。作為核電站的主要高能動(dòng)力管道，它的作用是將高溫高壓蒸汽不斷地從核島輸送到常規(guī)島，然后供應(yīng)給主汽輪機(jī)及其他用汽設(shè)備和系統(tǒng)。以國(guó)內(nèi)最新壓水堆華龍一號(hào)為例，每臺(tái)機(jī)組包括三個(gè)主蒸汽管道環(huán)路，每個(gè)環(huán)路都是從蒸發(fā)器頂部引出主蒸汽管道，穿過反應(yīng)堆廠房后，以貫穿件作為在安全殼上的錨固點(diǎn)，然后進(jìn)入電氣廠房，最后進(jìn)入汽輪機(jī)廠房。主蒸汽管道設(shè)計(jì)壓力8.5MPa，設(shè)計(jì)溫度316℃，設(shè)計(jì)壽命60年，屬于規(guī)范2級(jí)物項(xiàng)，材質(zhì)為P280GH，外徑812.8mm（32in），管道壁厚32mm（彎頭34～38mm，超級(jí)管道46mm）。

壓水堆主蒸汽管道安裝由若干個(gè)直管、彎頭、閥門等相互焊接而成，一臺(tái)機(jī)組三個(gè)主蒸汽管道環(huán)路目前設(shè)計(jì)共有70余道焊縫，其中50余道現(xiàn)場(chǎng)焊接，焊縫數(shù)量多。由于主蒸汽管道運(yùn)行工況復(fù)雜，安全等級(jí)高，因此必須對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格要求。主蒸汽管道布置及焊縫分布如圖1所示，反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)主蒸汽管道布置三維模型如圖2所示。

圖1 核島內(nèi)一個(gè)主蒸汽管道環(huán)路布置和焊縫分布

圖2 反應(yīng)堆廠房主蒸汽管道布置三維模型

傳統(tǒng)的壓水堆核電站主蒸汽管道焊接主要采用焊條電弧焊工藝，焊接方法為TIG焊打底+焊條電弧焊填充和蓋面。國(guó)內(nèi)遼寧紅沿河5號(hào)、6號(hào)機(jī)組主蒸汽管道部分焊縫率先實(shí)現(xiàn)了窄間隙TIG自動(dòng)焊，田灣5號(hào)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)M1焊縫實(shí)現(xiàn)了窄間隙TIG自動(dòng)焊，近期巴基斯坦K3機(jī)組以及漳州核電機(jī)組也在計(jì)劃實(shí)施窄間隙TIG自動(dòng)焊。眾所周知，相對(duì)焊條電弧焊，TIG自動(dòng)焊在焊接質(zhì)量穩(wěn)定性方面效果顯著，進(jìn)而會(huì)提升主蒸汽管道的安全性。但是，每道主蒸汽管道焊縫焊條電弧焊需要7天，目前TIG自動(dòng)焊需要6天時(shí)間，在提升施工效率方面優(yōu)勢(shì)并不明顯。目前，以福清5號(hào)核電機(jī)組為例，主蒸汽管道的安裝工期是181天，安裝工期較長(zhǎng)。而主蒸汽管道安裝完成才是蒸發(fā)器二次側(cè)水壓試驗(yàn)開始的前提；蒸發(fā)器二次側(cè)水壓試驗(yàn)是核電機(jī)組冷試的關(guān)鍵路徑之一。

目前，按操作路徑，無論是焊條電弧焊還是TIG自動(dòng)焊，主蒸汽管道焊接都進(jìn)行了焊前預(yù)熱、焊后后熱和消除應(yīng)力熱處理。焊接完成后，對(duì)最終焊縫進(jìn)行液體滲透檢測(cè)和射線檢測(cè)。

2 主蒸汽管道安裝焊接現(xiàn)有問題分析

2.1 焊縫數(shù)量過多

華龍一號(hào)福清5號(hào)、6號(hào)機(jī)組及巴基斯坦K2、K3機(jī)組參考M310堆型，主蒸汽管道布置了大量的彎頭，單臺(tái)機(jī)組三個(gè)環(huán)路僅反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)就有近90°大半徑彎頭10個(gè)，小角度彎頭12個(gè)，焊縫44道，焊接和檢測(cè)工作量大，安裝周期長(zhǎng)。

2.2 組對(duì)間隙要求嚴(yán)格

窄間隙TIG自動(dòng)焊作為一項(xiàng)先進(jìn)的焊接技術(shù)，具有焊縫成形良好、質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著提升焊接質(zhì)量。但是，窄間隙TIG自動(dòng)焊對(duì)焊縫的坡口組對(duì)間隙要求嚴(yán)格，通常認(rèn)為只有當(dāng)組對(duì)間隙為0～1mm時(shí)，才能確保窄間隙坡口的根部質(zhì)量，才能應(yīng)用窄間隙TIG自動(dòng)焊技術(shù)。在主蒸汽管道現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中，由于土建和安裝積累偏差的影響，往往需要現(xiàn)場(chǎng)精確測(cè)量和加工坡口，這樣造成了安裝效率降低，同時(shí)也對(duì)測(cè)量系統(tǒng)提出了較高的要求。

2.3 預(yù)熱和后熱時(shí)間長(zhǎng)

以華龍一號(hào)主蒸汽管道為例，焊前要先125℃以上預(yù)熱，并且在焊接過程中要一直維持在這個(gè)溫度以上，焊接完成以后還要250℃以上后熱，對(duì)于焊條電弧焊方法，焊工或焊接操作工存在被燙傷的風(fēng)險(xiǎn)。而在TIG自動(dòng)焊每道焊縫需要6天時(shí)間中，預(yù)熱準(zhǔn)備工作（包括鋪設(shè)加熱片、埋置熱電偶、捆扎保溫棉等）需要提前1天時(shí)間來完成，并且每天焊前都需要1h的預(yù)熱升溫和保溫，當(dāng)天焊接完成后還要保溫1h。每道焊縫焊前預(yù)熱和焊后后熱累計(jì)要花費(fèi)約2天，占每道焊縫安裝時(shí)間的33%。由此可見，主蒸汽管道的焊前預(yù)熱和焊后后熱，會(huì)造成施焊條件惡劣，焊接效率降低。

2.4 射線檢測(cè)存在先天不足

根據(jù)RCC-M[1]S7720的規(guī)定，壓水堆主蒸汽管道焊接完成后，需要對(duì)最終焊縫進(jìn)行液體滲透檢測(cè)和射線檢測(cè)。射線檢測(cè)對(duì)檢測(cè)體積性缺陷，例如氣孔、夾渣非常有效，但對(duì)檢測(cè)平面性缺陷，例如未熔合、裂紋存在漏檢、錯(cuò)判的風(fēng)險(xiǎn)。從窄間隙TIG自動(dòng)焊在一回路主管道上實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)反饋上來看，窄間隙TIG自動(dòng)焊就有可能產(chǎn)生層間未熔合和側(cè)壁未熔合缺陷。另外，為了提高效率，采用射線檢測(cè)周向曝光，在主蒸汽管道上設(shè)置了很多的射線檢查插塞，核電運(yùn)行反饋射線檢查插塞往往會(huì)存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)一些機(jī)組就曾出現(xiàn)過由于射線檢查插塞存在質(zhì)量問題而發(fā)生泄漏事件。

針對(duì)華龍一號(hào)主蒸汽管道安裝焊接中存在的上述問題，筆者提出了4個(gè)方面的設(shè)計(jì)優(yōu)化預(yù)案。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化預(yù)案

（1）使用彎管代替彎頭 隨著彎管技術(shù)的發(fā)展，大口徑彎管已在火電行業(yè)中廣泛應(yīng)用。同時(shí)，新型壓水堆華龍一號(hào)的核島空間較M310有所增加，這也為主蒸汽管道中彎管的使用提供了有利條件。

如果使用彎管來代替彎頭，原直管和彎頭之間的焊縫將取消，會(huì)有效地減少焊縫的數(shù)量，提高結(jié)構(gòu)的完整性，這樣有利于減少焊接及無損檢測(cè)的工作量，也有利于減少在役檢查的工作量，縮短安裝周期，降低建造成本和運(yùn)行成本。同時(shí)，由于焊縫往往是缺陷易發(fā)區(qū)，焊縫數(shù)量的減少還有利于保證主蒸汽管道的質(zhì)量和安全，提高核電站的安全性。

但由于彎管組對(duì)焊接時(shí)坡口調(diào)整的范圍和角度不如彎頭靈活，彎管的制造公差如何控制才能確保組對(duì)焊接成功，是需要我們關(guān)注的問題，可以通過彎管后預(yù)裝來解決，彎管代替彎頭后，還需要關(guān)注造成的房間引入和施工順序上的變化。

目前僅考慮將小角度彎頭改成彎管，90°彎頭暫不作更改。理由是，相對(duì)于小角度彎管，90°彎管制造難度大，直管段短，彎曲半徑大，支架設(shè)置空間不夠，并且彎管占用空間大，穿墻部分不宜設(shè)置彎管，因此暫不對(duì)90°彎頭進(jìn)行替代。

（2）寬間隙組對(duì)技術(shù) 目前，主蒸汽管道的TIG自動(dòng)焊技術(shù)均采用窄間隙坡口，坡口的形狀和尺寸如圖3所示。坡口的組對(duì)鈍邊間隙要求為0～1mm，這勢(shì)必要求管件安裝前經(jīng)過彎管預(yù)裝工藝，如果發(fā)生組對(duì)間隙過大時(shí)（＞1mm），根部寬度過大，電弧熱量集中在根部鈍邊上，會(huì)使鈍邊因熱輸入量過大而燒穿。TIG自動(dòng)焊技術(shù)如此嚴(yán)格的坡口組對(duì)間隙，對(duì)管道的加工尺寸、組對(duì)精度都提出了較高的要求，有可能成為制約主蒸汽管道現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接效率提高的關(guān)鍵因素。如果能在坡口組對(duì)間隙較大（1～4mm）的情況下仍能夠?qū)嵤㏕IG自動(dòng)焊，那么就可以在管件廠或預(yù)制廠加工好坡口，到現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)后即可實(shí)施TIG自動(dòng)焊，這樣加工和組對(duì)簡(jiǎn)便易行，節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)重新加工坡口的時(shí)間。

圖3 窄間隙坡口的形狀和尺寸

若要在寬間隙組對(duì)的情況下仍能夠?qū)嵤㏕IG自動(dòng)焊，需要解決好坡口根部打底問題，根部打底成功后就可以使用常規(guī)的TIG自動(dòng)焊工藝來填充和蓋面。本文提出以下兩種切實(shí)可行的根部打底焊方法。

1）手工TIG焊打底。在焊縫背面不可達(dá)的情況下，采用手工TIG焊完成坡口根部打底，再使用常規(guī)TIG自動(dòng)焊工藝來填充和蓋面。

2）使用陶瓷襯墊打底。在焊縫背面可達(dá)的情況下，在焊縫背面使用陶瓷襯墊打底。陶瓷是焊接中廣泛使用的一種襯墊材料，它可以確保焊縫根部焊透和背面成形良好。陶瓷襯墊一般由襯墊塊、透氣孔、防粘紙和鋁箔膠帶等組成，如圖4所示。

圖4 陶瓷襯墊的結(jié)構(gòu)

襯墊安裝時(shí)，先去除鋁箔上的膠帶，使襯墊的中心線對(duì)準(zhǔn)坡口組對(duì)間隙的中心，然后把襯墊貼緊接頭的背面，固定好襯墊后，在鋁箔上打開透氣孔，以便在焊接過程中將氣體排出，襯墊安裝示意如圖5所示。襯墊安裝好后，就可以使用TIG自動(dòng)焊技術(shù)在焊縫的正面進(jìn)行焊接。

圖5 陶瓷襯墊的安裝

3.2 取消主蒸汽管道焊接預(yù)熱和后熱

（1）規(guī)范分析 RCC-M S1321規(guī)定，當(dāng)焊接接頭等效厚度≥20mm時(shí)，對(duì)于在未做消除應(yīng)力熱處理狀態(tài)下最小抗拉強(qiáng)度≥440MPa的碳素鋼，推薦的最低預(yù)熱溫度為125℃。主蒸汽管道的壁厚和抗拉強(qiáng)度均符合此規(guī)定。同時(shí)，RCC-M C4440也明確規(guī)定，主蒸汽管道要進(jìn)行焊前預(yù)熱。從上述兩處規(guī)定來看，RCC-M是要求主蒸汽管道進(jìn)行焊前預(yù)熱的，按照RCC-M去執(zhí)行是保守和安全的，能夠保證主蒸汽管道的焊接質(zhì)量。但是，這個(gè)規(guī)定是基于傳統(tǒng)使用的焊條電弧焊工藝的，并不是基于先進(jìn)的TIG自動(dòng)焊技術(shù)。

另外，RCC-M S1321還規(guī)定，最低預(yù)熱溫度可以根據(jù)試驗(yàn)來確定，包括首道焊縫裂紋敏感性試驗(yàn)等。這實(shí)際一直是一個(gè)開口的要求，因此可以根據(jù)RCC-M這個(gè)規(guī)定以及試驗(yàn)方法來研究主蒸汽管道TIG自動(dòng)焊取消預(yù)熱是否可行。

對(duì)于后熱，RCC-M S1330規(guī)定，除非在最低預(yù)熱溫度降低之前立即進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，否則當(dāng)要求預(yù)熱時(shí)，就需要后熱。

（2）理論分析 預(yù)熱和后熱是防止工件在焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的有效手段。焊接接頭的淬硬組織、擴(kuò)散氫含量、拘束應(yīng)力等三個(gè)基本條件是形成焊接冷裂紋的主要原因，焊接冷裂紋多發(fā)生在焊接接頭的熱影響區(qū)[2]。預(yù)熱和后熱的作用主要有[3]：

第一，預(yù)熱和后熱能夠減緩焊接接頭的冷卻速度，適當(dāng)延長(zhǎng)800～500℃的冷卻時(shí)間，可以減少或避免淬硬組織——馬氏體的形成。

第二，預(yù)熱和后熱能夠加速氫的擴(kuò)散逸出，減少熱影響區(qū)中的氫含量，防止氫致冷裂紋的產(chǎn)生。

第三，預(yù)熱和后熱可以減少母材與焊縫之間的溫度差，使較寬范圍內(nèi)的溫度分布比較均勻，進(jìn)而可以減少焊接接頭的殘余應(yīng)力，并且有利于提高焊接接頭的塑性及韌性。

相對(duì)于焊條電弧焊工藝，TIG自動(dòng)焊技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

第一，TIG自動(dòng)焊使用的熱輸入量較低，焊接接頭的晶粒長(zhǎng)大不明顯，對(duì)焊接接頭的抗裂性能有利。

第二，TIG自動(dòng)焊使用的焊材是焊絲，不同于焊條電弧焊使用的焊條藥皮那樣容易吸潮，這樣會(huì)減少氫的來源；同時(shí)，焊接過程中采用氬氣保護(hù)，可避免水汽中的氫進(jìn)入熔池。

第三，TIG自動(dòng)焊采用窄間隙坡口，這樣可大幅度減少焊縫的橫截面積和焊材的填充量，進(jìn)而可以減少焊接接頭的殘余應(yīng)力。

從以上的分析可以看出，TIG自動(dòng)焊的這些特點(diǎn)正好對(duì)應(yīng)了預(yù)熱和后熱對(duì)焊縫所產(chǎn)生的作用，使得TIG自動(dòng)焊不預(yù)熱和后熱成為了可能。

3.3 取消主管道焊接預(yù)熱和后熱的技術(shù)方案

（1）碳當(dāng)量法 鋼材的淬硬及冷裂傾向與鋼材的化學(xué)成分有著直接的關(guān)系，因此可以用鋼材的化學(xué)成分來評(píng)價(jià)其冷裂敏感性。由于碳是各種常見元素中對(duì)冷裂影響最為顯著的元素，所以把各種元素按照相當(dāng)于碳含量折合并疊加起來計(jì)算碳當(dāng)量，用它來估計(jì)鋼材焊接冷裂傾向的大小。應(yīng)用較為廣泛的碳當(dāng)量公式是國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)推薦的[4]：

Ceq = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，當(dāng)Ceq≤0.40%時(shí)，鋼材的冷裂傾向不大，焊接性良好，不需要預(yù)熱和后熱；當(dāng)Ceq＞0.40%時(shí)，特別是＞0.50%時(shí)，鋼材易于產(chǎn)生冷裂紋，需要預(yù)熱和后熱。實(shí)踐上可在母材采購(gòu)時(shí)專門提出碳當(dāng)量要求。

（2）裂紋敏感性試驗(yàn) 試驗(yàn)?zāi)康模罕驹囼?yàn)是針對(duì)焊接冷裂紋產(chǎn)生因素之一拘束應(yīng)力，在拘束度很大的情況下，直接比較不預(yù)熱和不同預(yù)熱溫度下焊縫的開裂情況。RCC-M S1321規(guī)定最低預(yù)熱溫度可以根據(jù)試驗(yàn)來確定，包括首道焊縫裂紋敏感性試驗(yàn)等。很多文獻(xiàn)和研究報(bào)告中常采用斜Y形坡口試驗(yàn)來確定是否預(yù)熱或最低預(yù)熱溫度。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：試驗(yàn)按照GB/T 32260.2—2015《金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn) 焊件的冷裂紋試驗(yàn) 弧焊方法 第2部分：自拘束試驗(yàn)》[5]中的斜Y形坡口試驗(yàn)進(jìn)行，根據(jù)焊接接頭的開裂情況評(píng)價(jià)其冷裂紋的敏感性。試件盡量從項(xiàng)目管道產(chǎn)品同爐批產(chǎn)品制取，主蒸汽管道做一組3個(gè)試件。焊前試件不預(yù)熱。試板形狀如圖6所示，兩側(cè)為拘束焊縫，中間為試驗(yàn)焊縫，先焊拘束焊縫，再焊試驗(yàn)焊縫，拘束焊縫采用雙面焊條電弧焊焊接，試驗(yàn)焊縫采用單面TIG自動(dòng)焊焊接。焊后熱處理后48h對(duì)試板進(jìn)行檢測(cè)和解剖，測(cè)量焊縫表面和剖面的裂紋長(zhǎng)度，計(jì)算表面裂紋率和剖面裂紋率。

圖6 斜Y形坡口試驗(yàn)用試板

焊接參數(shù)：TIG自動(dòng)焊實(shí)際采用偏下限焊接參數(shù)，計(jì)算熱輸入值。

由于斜Y形坡口試驗(yàn)的拘束度很大，根部尖角又有應(yīng)力集中，所以試驗(yàn)條件比較苛刻，經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，當(dāng)裂紋率＜20%時(shí)，在正式施工條件下焊接就不會(huì)出現(xiàn)冷裂紋[6]。

（3）不預(yù)熱后熱的焊接工藝評(píng)定設(shè)計(jì) 不預(yù)熱斜Y形坡口試驗(yàn)通過后，根據(jù)RCC-M進(jìn)行窄間隙TIG自動(dòng)焊焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，母材為主蒸汽管道材料P280GH，規(guī)格為φ812.8mm×32mm，焊前不預(yù)熱，焊后不后熱，焊接位置為5GT，焊接操作如圖7所示。試件完成后放置48h對(duì)焊接接頭進(jìn)行液體滲透檢測(cè)、射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、熔敷金屬化學(xué)成分測(cè)定、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、硬度測(cè)定、沖擊試驗(yàn)和金相檢查等各項(xiàng)試驗(yàn)。同時(shí)進(jìn)行正常預(yù)熱后熱的工藝評(píng)定作為對(duì)比。如試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求且不低于預(yù)熱后熱的對(duì)比評(píng)定數(shù)據(jù)，則工藝評(píng)定試驗(yàn)成功。

圖7 TIG自動(dòng)焊不預(yù)熱后熱的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

（4）小結(jié) 以上按照理論分析→試驗(yàn)研究→評(píng)定驗(yàn)證的研究思路來研究主蒸汽管道TIG自動(dòng)焊取消預(yù)熱和后熱的可行性。

在理論分析中首先分析了TIG自動(dòng)焊的特點(diǎn)正好可以對(duì)應(yīng)預(yù)熱和后熱對(duì)焊縫所產(chǎn)生的作用，使得TIG自動(dòng)焊不預(yù)熱和后熱成為了可能。然后使用比較常用的碳當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)法，初步評(píng)價(jià)淬硬傾向。

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用裂紋敏感性試驗(yàn)，如裂紋率＜20%，則可確認(rèn)不預(yù)熱后熱工藝的焊接接頭不會(huì)產(chǎn)生淬硬和裂紋。

最后進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)驗(yàn)證，如結(jié)果表明，不預(yù)熱后熱工藝的焊接接頭各項(xiàng)無損檢測(cè)和理化性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)且不低于對(duì)照數(shù)據(jù)，則評(píng)定通過。

如以上驗(yàn)證試驗(yàn)滿足要求，則可證明主蒸汽管道TIG自動(dòng)焊取消預(yù)熱和后熱的條件已經(jīng)成熟。

3.4 超聲波檢測(cè)技術(shù)代替射線檢測(cè)

壓水堆主蒸汽管道焊接完成后，對(duì)最終焊縫要進(jìn)行液體滲透檢測(cè)和射線檢測(cè)。射線對(duì)檢測(cè)焊縫內(nèi)部的體積性缺陷，例如氣孔和夾渣類缺陷是非常有效的，但對(duì)平面狀缺陷或有某種方向性的缺陷，以及短小的線性缺陷，例如裂紋、未熔合等，由于缺陷自身特點(diǎn)檢出困難。窄間隙TIG自動(dòng)焊有可能產(chǎn)生層間未熔合和側(cè)壁未熔合，對(duì)于這類缺陷采用超聲波檢測(cè)、相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)和超聲波衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)可以更有效地檢出，僅采用射線檢測(cè)易造成漏檢、錯(cuò)判。

射線檢測(cè)時(shí)采用的γ射線源在射線檢測(cè)作業(yè)時(shí)，射線劑量在不安全范圍內(nèi)不允許他人作業(yè)，需要專門的射線檢測(cè)時(shí)間窗口，因此夜間作業(yè)較多，輻射安全風(fēng)險(xiǎn)和工業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)均較大。這不僅導(dǎo)致檢測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)和檢測(cè)成本上升，同時(shí)增加了輻射安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，核電安裝多工種交叉施工，時(shí)間窗口困難，特別是壓水堆主要管道厚壁焊縫，焊接施工多處于施工的關(guān)鍵路徑，對(duì)工期影響較大。UT檢測(cè)可與其他工種作業(yè)并行，無環(huán)境污染。

在大厚壁管道體積檢測(cè)場(chǎng)景以相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)和超聲波衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)為代表的數(shù)字化超聲波成像檢測(cè)技術(shù)代替射線檢測(cè)是大勢(shì)所趨。目前，超聲波檢測(cè)代替射線檢測(cè)的工作主要集中在鍋爐壓力容器行業(yè)、石油化工行業(yè)、電力行業(yè)以及核電站常規(guī)島設(shè)施的檢測(cè)。應(yīng)用于核電華龍一號(hào)核島碳素鋼管道焊縫相控陣超聲波檢測(cè)替代射線檢測(cè)的試驗(yàn)研究目前進(jìn)展順利，可期望在福清6號(hào)機(jī)組中在已研究驗(yàn)證的材質(zhì)、規(guī)格焊縫上應(yīng)用超聲波檢測(cè)技術(shù)部分替代射線檢測(cè)。2017版RCC-M S7700已明確了可以采用先進(jìn)的超聲波檢測(cè)來代替射線檢測(cè)。隨著超聲波檢測(cè)代替射線檢測(cè)工作的開展，主蒸汽管道焊縫將會(huì)實(shí)現(xiàn)超聲波檢測(cè)代替射線檢測(cè)。

國(guó)內(nèi)核電站多次發(fā)生過主蒸汽管道和主給水管道上預(yù)留射線檢測(cè)插塞由于存在質(zhì)量問題而發(fā)生泄漏事件，給核電站的安全運(yùn)行帶來了很大的風(fēng)險(xiǎn)。如果在主蒸汽管道焊縫上實(shí)現(xiàn)超聲波檢測(cè)代替射線檢測(cè)，主蒸汽管道上的射線檢測(cè)插塞將取消，這無疑會(huì)提升核電站的安全水平。

4 安裝水平的提升

1）使用彎管代替彎頭，可以減少焊縫的數(shù)量，提高結(jié)構(gòu)的完整性，減少管道的壓力損失，提高核電站的安全性。

2）在寬間隙組對(duì)的情況下仍能夠?qū)嵤㏕IG自動(dòng)焊，降低安裝難度提高安裝效率。

3）主蒸汽管道窄間隙TIG自動(dòng)焊不預(yù)熱和后熱，可大幅提高施工效率。

4）超聲波檢測(cè)代替射線檢測(cè)，避免射線檢測(cè)對(duì)窄間隙TIG自動(dòng)焊可能產(chǎn)生的未熔合缺陷漏檢的風(fēng)險(xiǎn)，提高檢測(cè)質(zhì)量；同時(shí)超聲波檢測(cè)代替射線檢測(cè)后，射線檢測(cè)插塞將取消，可提高結(jié)構(gòu)的完整性。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

本文對(duì)主蒸汽管道安裝焊接的設(shè)計(jì)如實(shí)現(xiàn)，將在提升主蒸汽管道安全水平的同時(shí)，還會(huì)取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1）使用彎管代替彎頭。一個(gè)彎管可減少一道焊縫，相應(yīng)地減少焊接和無損檢測(cè)的工作量，也減少在役檢查的工作量。對(duì)于使用一個(gè)彎管，材料、人工和檢測(cè)費(fèi)用預(yù)計(jì)可節(jié)省2萬元，一臺(tái)機(jī)組按照使用12個(gè)彎管考慮，總共可節(jié)省24余萬元。

2）如果寬間隙組對(duì)的情況下仍能夠?qū)嵤㏕IG自動(dòng)焊，可以減少坡口現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和加工的工作量，坡口組對(duì)簡(jiǎn)便易行。另外，一道焊縫焊條電弧焊需要兩名高級(jí)焊工對(duì)稱施焊7天，若能夠?qū)嵤㏕IG自動(dòng)焊，一人操作焊機(jī)即可，并且完成一道焊縫僅需要6天，也不需要打磨工，焊接時(shí)間的減少提高了安裝效率，焊工和打磨工的減少降低了人工費(fèi)用。另外,主蒸汽管道安裝工期預(yù)計(jì)縮短至少20天。

3）目前，主蒸汽管道采用窄間隙TIG自動(dòng)焊后，與焊條電弧焊相比，提升施工效率還不明顯，但是取消預(yù)熱和后熱后，施工效率會(huì)大大提升。目前，每道焊縫TIG自動(dòng)焊需要4天，其中焊前預(yù)熱和焊后后熱總共約2天，取消預(yù)熱和后熱后，每道焊縫安裝時(shí)間可節(jié)省33%。一臺(tái)機(jī)組3個(gè)主蒸汽管道環(huán)路總共70余道焊接，其中50余道現(xiàn)場(chǎng)焊接，取消預(yù)熱和后熱后，可減少70余道焊縫預(yù)熱和后熱的工作量，主蒸汽管道安裝工期預(yù)計(jì)縮短至少40天。

4）超聲波檢測(cè)代替射線檢測(cè)。射線檢測(cè)插塞的取消，可減少插塞加工、安裝和檢測(cè)的工作量。另外，超聲波檢測(cè)時(shí)間窗口不受限制，可以和焊接交叉作業(yè)，有利于縮短安裝周期。對(duì)于一個(gè)射線檢測(cè)插塞，材料、人工和檢測(cè)費(fèi)用預(yù)計(jì)0.5萬元，一臺(tái)機(jī)組按照50個(gè)射線檢查插塞計(jì)算，加上檢測(cè)時(shí)間不受限的獲益，總共可節(jié)省30余萬元。

綜上所述，設(shè)計(jì)優(yōu)化后的主蒸汽管道安裝工期預(yù)計(jì)縮短至少60天，使“蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水壓試驗(yàn)開始”節(jié)點(diǎn)時(shí)間提前至少60天，進(jìn)而可以為冷試目標(biāo)提前20天奠定基礎(chǔ)，為機(jī)組提前實(shí)現(xiàn)商運(yùn)目標(biāo)創(chuàng)造有利條件。

6 結(jié)束語

壓水堆主蒸汽管道的安裝焊接設(shè)計(jì)是核島安裝設(shè)計(jì)的重要組成部分。在華龍一號(hào)主蒸汽管道現(xiàn)有的安裝焊接設(shè)計(jì)中，使用大量彎頭造成焊縫數(shù)量過多，TIG自動(dòng)焊組對(duì)間隙要求嚴(yán)格，存在著預(yù)熱和后熱時(shí)間長(zhǎng)，焊后射線檢測(cè)對(duì)可能產(chǎn)生的未熔合缺陷存在漏檢風(fēng)險(xiǎn)等問題。

針對(duì)目前華龍一號(hào)主蒸汽管道安裝焊接存在的問題，建議研究以下4個(gè)方面的設(shè)計(jì)改進(jìn)。

1）使用彎管代替彎頭。大口徑彎管在火電行業(yè)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可以充分借鑒。為確保彎管焊接組對(duì)成功，需要關(guān)注彎管的后預(yù)裝以保證坡口組對(duì)。使用彎管代替小角度彎頭，能夠減少焊縫的數(shù)量。

2）寬間隙組對(duì)。寬間隙組對(duì)需解決好坡口根部打底問題。本文提出了兩種切實(shí)可行的根部打底焊方法：手工TIG焊打底、使用陶瓷襯墊打底。寬間隙組對(duì)能夠減少現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量加工和組對(duì)的工作量。

3）取消預(yù)熱和后熱。通過理論分析（預(yù)熱和后熱的作用、碳當(dāng)量法）、試驗(yàn)研究（裂紋敏感性和對(duì)照焊接工藝評(píng)定），驗(yàn)證主蒸汽管道TIG自動(dòng)焊取消預(yù)熱和后熱可行性，從而在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，還能明顯縮短安裝工期。

4）超聲波檢測(cè)代替射線檢測(cè)。隨著超聲波檢測(cè)代替射線檢測(cè)研究的開展，主蒸汽管道焊縫將會(huì)實(shí)現(xiàn)超聲波檢測(cè)代替射線檢測(cè)，檢測(cè)質(zhì)量更加可靠。另外，主蒸汽管道上的射線檢測(cè)插塞將取消，能夠提升核電站的安全水平。

壓水堆主蒸汽管道安裝焊接的設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)施后，在提高主蒸汽管道安全水平的同時(shí)，還會(huì)取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，有利于提升壓水堆核電機(jī)組的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。