在役期間焊接修補要求與建造期間的差異性和特點

鄧峰，李哲，郭利峰

中國核電工程有限公司 北京 100840

1 序言

近年來，隨著我國浙江、山東、福建、海南等省數臺核電機組裝料運行，截止2019年12月底，我國共有47臺商業核電機組在運行，因此在役期間焊接修補的問題變得更加迫切起來。

核電站投運后，受復雜工況和環境的影響（機械疲勞、熱老化、流體加速腐蝕等），在運行期間可能產生缺陷，或導致制造期間原有缺欠擴展為缺陷，因而在役檢查與維修處理是電站在役期間及時發現、處置各類缺陷，保證核電站安全水平必不可少的手段，而焊接修補是在役期間一種非常重要的缺陷處理方法。在役期間的焊接修補具有其特殊性，不能簡單照搬電站建造期間的要求。目前，我國關于核電在役期間焊接修補的標準規范要求還是空白，一些重要在役焊接修補技術方面嚴重依賴國外。

對于回火焊道技術及不銹鋼同質堆焊返修技術應用于核電廠在役返修，國內已有初步研究應用，在運行和退役的標準體系研究中，核電在役期間焊接修補的研究是其不可或缺的一環。國內對于在役期間焊接修補規范尚無系統、完整的研究。本文以ASME第Ⅺ卷相關條款為指引，研究核電站在役期間的焊接修補要求，從而形成完整、系統的核電在役期間焊接修補規范要求，為在役期間相關標準制定提供堅實支撐。

2 對比構建

作為研究目標，我們對ASME 2010版中建造期間要求的NB-4400[1]、NX-4453.4、NX-4622.9內容和以在役期間要求的ASME第Ⅺ卷IWA[2]和非強制性附錄Q進行了對比。

2.1 建造期間的要求

建造期間[3]缺陷的去除和焊接按照NB 4400的要求進行，包括對缺陷的去除方法、缺陷去除后的無損檢測要求，以及焊接補修后的要求。

建造期間修補的檢測按照NX 4453.4要求進行,包括磁粉檢測、液體滲透檢測、超聲波檢測和射線檢測等要求。

建造期間回火焊道返修技術要求在ASME第Ⅲ卷NX 4622.9中規定，包括一般要求、母材和焊縫的返修、堆焊層返修，以及帶有隔離層的異種鋼焊縫的回火焊道返修等內容。

水下焊接技術要求和Overlay返修要求在ASME第Ⅲ卷未做出規定。

2.2 在役期間的要求

在役期間焊接、釬焊、金屬去除和安裝、檢測和試驗要求、回火焊道返修技術，以及水下焊接技術、非強制性附錄Q（Overlay返修要求），分別在ASME第Ⅺ卷IWA-4400、IWA-4500、IWA-4600和非強制性附錄Q中規定，見表1。

表1 ASME第Ⅺ卷IWA在役部分框架結構

3 對比分析

通過從缺陷去除、缺陷評價、去除后的檢測、焊工資質要求、修補方法等幾個方面對比異同，發現總體上在役期間規范與建造規范的關系是：在役標準的缺陷去除、修補、修補后檢查等活動是在建造規范基礎上的修訂或補充，在役標準內容不足以支撐單個標準，獨特的焊接修補方法、回火焊道、Overlay等，整體可形成一份在役期間的焊接標準。

除了IWA-4600、附錄Q這些特殊的在役焊接技術要求外，IWA-4400與IWA-4500涉及的焊接、釬焊、缺陷去除、焊后檢測和試驗只是建造期間制造及檢測內容（NX-4000/NX-5000）的一部分。因此，在役期間的焊接修補規范必須以建造規范為基礎，而不是一個獨立的規范。

在役期間規范其基礎在于，通常認為原建造規范是合理的，可以獲得滿足要求的質量和安全水平（否則電站本身的質量水平就存在問題）。此外，對于已建成的電站，將已有設備和系統升級到新的建造規范是耗資巨大且非常困難的。因此，在役期間使用原建造規范進行的焊接、缺陷去除和檢測等也在邏輯上可獲得同樣滿足要求的質量和安全水平。

同時，考慮到在役期間的特點，某些適用于建造階段的建造規范要求可能并不適用于在役期間的要求，因而針對這些情況進行了修訂和補充。

總體來說，在役期間的焊接參數對于建造期間的焊接參數既有繼承，又有補充和修正。補充和修正的差異性和特點主要體現在以下幾點。

（1）遵循的規范版本 在役期間規范需要考慮在電站服役壽命期內采用不同規范版本的問題，在役標準IWA-4411中專門給出了使用規范以及版本的要求，按原建造規范和版本開展活動無疑是允許的。同時與建造階段相比，電站服役壽命長達為40年甚至60年，在整個在役期間進行的焊接等活動，存在難以完全按建造時規定的標準規范版本執行的情況，例如，難以采購按早期的標準規范供貨的設備或者調用其他電廠按早期的標準規范生產的庫存設備等，需要考慮執行與建造時不同的規范和版本，以及需要遵循的條件。使用不同規范，或者第III卷的不同版本需要考慮它們之間差異的影響，這一過程被稱為協調。其中IWA-4222明確只對影響材料、設計、制造、檢測，以及影響壓力邊界、堆內構件、設備支撐件功能的技術要求進行協調。管理要求無需協調，可以使用被更換件的原建造規范的管理要求，也可以使用更換件的管理要求。IWA-4223中規定，對于部件（容器、熱交換器、泵、閥門等），如果使用更新的標準規范，無需進行規范的協調。

（2）焊接工藝評定和焊工資格 在建造規范中，制造商或安裝公司應評定其使用的焊接工藝，不允許使用其他單位的焊接工藝評定。對于在役期間，可能存在下面這種情況，即修理/更換時間窗口短，而修理/更換單位沒有工作所需的焊接工藝評定，重新評定所需要的時間較長，可能難以滿足電廠的計劃，而其他單位具有所需的焊接工藝評定。這種需求是由于在役期間返修往往對于時間具有嚴格要求所產生的。

在役期間規范允許在滿足一定條件的前提下，業主可使用由其他業主轉移的焊接工藝評定。這些條件，包括使用轉移的焊接工藝評定的業主為了證明其具有實施能力，要使用該焊接工藝評定支持的焊接工藝規程完成一個演示試件。總的來說，在役期間的特點，使得建造期間的有些規定無法或難以實施。然而它又并非簡單地放松，為了保證質量，又增加了一些條款，提供了另外的途徑，使得其達到類似的作用。

對于焊工也存在類似問題。規定允許在滿足一定條件（包括接受焊工的業主要對焊工進行資格更新試驗）的前提下，業主使用其他業主考核的焊工。

（3）缺陷去除 缺陷去除要求內容與建造規范存在巨大的差異，這一部分在IWA-4412中被明確為按IWA-4420執行，而不是在建造規范的基礎上進行修正、補充。

第一個明顯的差異就是IWA-4421中規定了缺陷去除方法。在建造規范中，缺陷應通過機加工或熱加工方式去除，如果去除的厚度不滿足要求，還要求進行補焊。而在役期間，采用機加工方式或熱加工方式去除缺陷后，可以保留一定尺寸的缺陷（部分去除缺陷），在焊接時可以采用缺陷緩解（Mitigation）的方式（如Overlay），還可以通過IWA-4340改造（Modification）的方式，對于缺陷緩解和改造的情況，原缺陷可以仍然保留。這些方式為在役期間的缺陷處理提供了更多選項，有利于在保證安全的前提下以更方便快捷的方式處理缺陷。實際上，“缺陷去除”（Defect Removal）改為“缺陷處理”（Defect Treatment）可能更為合適。

第二個差異是關于缺陷的評價。IWA-4422.1a規定允許缺陷減小到可接受的尺寸，對于一定深度的表面缺陷，可以將缺陷完全去除（假設此時不滿足最小壁厚）再焊接（這是建造規范中的做法），也允許去除部分缺陷，使得剩余缺陷滿足在役檢查的驗收標準，且剩余厚度滿足最小壁厚要求，這樣就給了業主更多的處理選項。另外是使用Overlay，通過在外壁增加承壓邊界厚度的方式，使得原來不滿足要求的缺陷變成符合在役檢查的驗收標準。此外，對于剩余壁厚小于最小壁厚的情形，IWA-4422.1b規定可以采用評價的方式，判斷其是否可以接受。

第三個差異是缺陷去除后的檢測要求。對于缺陷去除后無需后續焊接的操作，缺陷去除后的狀態就是最終狀態，此時要求采用最初發現缺陷的檢測方法進行重新檢測。由于最終允許采用建造規范的驗收標準或在役的驗收標準，所以不要求缺陷完全去除，可以是部分去除。除此之外，還要進行IWA-4530要求的役前檢查。

對于缺陷去除后進行后續焊接的操作，IWA-4422.2.2規定了缺陷去除后、焊接前的檢查要求是表面檢測，并允許在3種情況下可免除。第1種情況是去除缺陷處全部壁厚，這一要求同建造規范。第2種情況是去除后的表面檢測不可行或不能提供有意義的結果，例如，管道存在穿透性漏孔，而維修后僅去除部分壁厚（此時漏孔仍存在，表面檢測總有顯示，不能提供有意義的結果），后續的補焊厚度能保證足夠的承壓邊界。第3種情況是補焊后的檢測與發現缺陷的方法相同。

需要注意的是，此處僅規定的是缺陷去除后、焊接前的檢測要求，且規定驗收標準可以滿足建造規范或在役規范要求。由于焊接后的檢測要求還需要按IWA-4520進行，IWA-4520通常要求驗收標準滿足建造規范的要求（規定了例外情況除外），所以缺陷去除后的驗收要求與焊接后的檢測要求存在不一致的情況。對于缺陷去除后、焊接前的檢測要求，除了IWA-4520規定的特殊情況（以及附錄Q）外，驗收標準應按建造規范執行為宜。

（4）檢測 IWA-4520規定了在役期間制造、安裝、修理、更換等涉及的焊接，應按建造規范的要求進行檢測。同時，并針對在役期間的特點增加以下差異。

首先，如果在同樣部位的全焊透對接焊縫無體積檢測要求時，可以免除3級設備母材補焊后的檢測要求。這個條款是合理的，但是涉及面很小，可以不用保留。其次，對于IWA-4600的特殊焊接方法（回火焊道、水下焊接等），使用其相應的專門要求，而不是使用這里的通用要求。最后，在IWA-4520b和IWA-4521中規定了一定條件下可以使用其他檢測方法和驗收標準代替建造規范中的要求，例如使用UT代替RT（源于Code Case N-587）。需要注意的是，IWA-4520b和IWA-4521的這些規定，NRC在10CFR50.55a中并未認可。

總體看來，除了個別特殊情況外，焊接后的檢測項目和驗收標準要滿足建造規范的要求。

IWA-4530規定，對于在役期間的修理/更換活動（包括僅去除缺陷、無后續焊接的情況），如果涉及需要在役檢查的部位，那么需要在投入使用前，重新進行役前檢查，從而為后續的在役檢查提供一個比較的基準，顯然這是在役期間特有的。規范允許焊接后檢測與役前檢查同時進行，例如焊接后要求進行PT檢測，而役前檢查也要求進行PT檢測，那么可以進行一次PT檢測而不要求重復進行兩次。注意此時，PT檢測要同時滿足建造和役前檢查的要求（例如，檢測區域）。

（5）回火焊道 回火焊道的差異不能被理解為因在役實施的條件而產生的差異，建造階段的回火焊道（ASME III）和在役期間的回火操作（ASME XI）目的都是通過精確控制焊接的能量和位置，使用焊縫金屬來對于母材熱影響區的粗晶區進行回火處理，使得其沖擊性能滿足要求。由于在役期間的回火焊接具有非常廣泛的應用經驗，如前所述，1973版的XI補遺就引入了焊條電弧焊的半焊道回火返修條文。后期也在電站在役中不斷研究應用，ASME XI卷 1991年補遺按規范案例N-432引入了GTAW方法，2015版的XI卷增加了室溫下的回火返修技術，從而可以在設備不排空水的條件下開展返修等，而建造期間的應用相對較少（且建造規范中有限制性條款），所以來自現實的應用需求和反饋，使得第XI卷的回火返修技術內容較建造規范更加細致、完善。對比標準表中內容也體現了這一點。

需要注意的是，與缺陷去除類似，挖除缺陷后的無損檢測驗收標準是ASME XI，而回火焊道返修后的無損檢測驗收標準是建造規范，存在不協調。

后續標準草案中的處理方式：回火焊道的總體要求應符合ASME第XI卷，對于缺陷去除后、焊接前的檢測要求，除了IWA-4520規定的特殊情況外，驗收標準應按建造規范執行。

4 結束語

通過A S M E對比在役期間規范和建造期間規范，可以得到以下結論。

1）在役期間的焊接參數不是獨立成篇的，而是在建造規范的基礎上，進行的補充和修訂。

2）這些補充和修訂是考慮到在役期間的特點而確定的，主要包括：①允許采用不同于建造期間的要求。這是由于電站運行壽命期很長，所以在整個在役期間進行的焊接等活動，存在難以完全按建造時規定的標準規范版本執行的情況。②焊接工藝評定和焊工資格允許在滿足一定條件下，從一個業主轉移到另一個業主。這種需求是因在役期間返修往往對于時間具有嚴格要求而產生的。③在役階段缺陷去除包含更豐富的方法，甚至允許保留原缺陷。實際上，“缺陷去除”（Defect Removal）改為“缺陷處理”（Defect Treatment）可能更為合適。缺陷處理后的驗收標準可以使用建造的標準，也可以使用在役的標準。需要注意的是目前ASME XI中使用機加工或熱加工方法去除缺陷后、補焊前的無損檢測驗收標準與補焊后的驗收標準存在不協調的地方。④除了個別特殊情況外，焊接后的檢測項目和驗收標準要滿足建造規范的要求。另外，需要注意的是，IWA-4520b和IWA-4521規定了一定條件下可以使用其他檢測方法和驗收標準代替建造規范中的要求，這并未被NRC認可。⑤在役階段的回火焊道返修內容更為豐富、細致，這可能是由于在役期間豐富的應用反饋和需求造成的。例如，室溫下的GTAW回火返修技術，使得在設備不排空水的情況下也可以進行。需要注意，挖除缺陷后的無損檢測驗收標準是ASME XI，而回火焊道返修后的無損檢測驗收標準是建造規范，存在不協調。