核電廠焊接OVERALY技術標準分析

王宇欣 郭城湘 李華 左樹春 郭利峰

摘要：焊接 OVERLAY技術是通過在原設計壁厚基礎上增加耐蝕材料，改變原壁厚內表面的應力狀態，從而抑制裂紋的產生或擴展，可用于在役維修或預防性維修。該技術在國外有著廣泛的應用，在國內反應堆控制棒驅動機構（CRDM）修復上也有局部應用案例，但國內對此技術缺乏系統、完整的研究，制約了該技術的推廣。文中通過 ASME標準和文獻研究，系統地梳理了焊接OVERLAY技術的分類，比較分析了幾種技術的適用范圍和特點。介紹了ASME-Ⅺ卷（2005年補遺）非強制性附錄 Q“1、2、3級奧氏體不銹鋼管道焊接件的堆焊修復”，總結了標準演化過程，并對其關鍵標準條款進行了探討，為焊接OVERLAY技術的國內推廣和標準規范的制定提供了技術支撐。關鍵詞：核電廠; OVERLAY;ASME-Ⅺ卷;標準研究

中圖分類號： TG455 ?????文獻標識碼： C文章編號：1001-2303（2022）02-0057-06

Study and Discussion on Weld OVERALY Technical Standards for Nuclear Power Plants

WANG Yuxin， GUO Chengxiang， LI Hua， ZUO Shuochun， Guo Lifeng

China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100840， China

Abstract： Weld OVERLAY technology is to add corrosion-resistant materials on the basis of the original design wall thick‐ ness to change the stress state of the original inner surface， thereby inhibiting the generation or expansion of cracks. It can be used for in-service maintenance or preventive maintenance. The technology is widely used abroad， and has some application cases of CRDM repairing in China. However， the lack of systematic and complete technical research restricts the populariza‐ tion of the technology. This article systematically sorts out the classification and standard evolution of Weld OVERLAY tech‐ nology， compares and analyzes the application scope and characteristics by ASME standards and literature studying. This ar‐ ticle introduces the Non mandatory Appendix Q of ASME BPVC.XI-2005， Weld Overlay Repair of Classes 1， 2， and 3 Aus‐ tenitic Stainless Steel Piping Weldments， summarizes the evolution process， analyzes the key standard clauses， and provides technical support for the promotion of this technology and the formulation of standards.

Keywords： nuclear power plant; weld OVERLAY; ASME-Ⅺ; standard study

引用格式：王宇欣，郭城湘，李華，等.核電廠焊接OVERALY技術標準分析[J].電焊機，2022，52（2）：57-62.

Citation：WANGYuxin， GUO Chengxiang， LI Hua， et al. Study and Discussion on Weld OVERALY Technical Standards for Nuclear Power Plants [J]. Electric Welding Machine， 2022， 52（2）：57-62.

0? 前言

OVERLAY堆焊技術通過在原設計壁厚基礎上堆焊一定厚度和寬度的耐蝕材料，來滿足在役檢查規范中對缺陷的要求;同時，通過合理的設計和堆焊工藝，使原壁厚內表面和一定深度范圍內的應力狀態由拉應力改變為壓應力，從而起到抑制裂紋萌生和擴展的作用。

這項技術在國外應用很廣泛，最初應用于沸水堆核電站（BWR）管道應力腐蝕開裂（SCC）問題的處理，在壓水堆核電站（PWR）的應用集中在奧氏體不銹鋼和鎳基合金的應力腐蝕開裂上，包括沿晶應力腐蝕（IGSCC）、穿晶應力腐蝕（TGSCC）和一回路水應力腐蝕（PWSCC），后期擴展到疲勞裂紋的處理上。國內比較典型的案例是反應堆控制棒驅動機構（CRDM）奧氏體不銹鋼Ω環密封焊縫因為 SCC導致冷卻劑泄漏和硼結晶，危及核電廠的正常運行，采用OVERLAY堆焊技術進行了泄漏維修和預防性維修[1]，文獻[2-4]對Ω環密封焊縫修復后的裂紋擴展、殘余應力和結構完整性進行了模擬和評估，文獻[5]從審管的角度，探討了OVERLAY后檢驗、試驗和評價要點。但國內對此技術缺乏系統、完整的技術研究，也缺乏建立在深入研究基礎上的相關標準規范，處于針對具體物項一事一議的狀態。

文中梳理總結了 OVERLAY 技術的分類和特點，分析了ASME 標準演化，探討了其關鍵標準條款，為該技術的推廣和標準規范的制定提供了技術支撐。

1 ??OVERLAY技術分類

20世紀80年代，OVERLAY 技術起源于美國，經過幾十年的傳承演化，逐步發展出了多種細分方法，已獲得了國際核電界的認可，成為系統性、標準化的核電廠在役維修技術。

1.1? 全結構堆焊修復技術

全結構堆焊修復技術（Full? Structural Weld Overlay，FSWOL）是在管道、部件及其接頭等 SCC 敏感材料的外部堆焊耐蝕材料，使得堆焊熔敷金屬承受全部設計載荷。

FSWOL技術可細化為緩解性的（Mitigative）和修復性的（Repair）兩種，區別在于：堆焊前進行UT 檢測未發現缺陷，為緩解性的，包絡計算可假定焊縫內表面周向和軸向上存在10%壁厚深度的原始缺陷;堆焊前未進行UT 檢測，或檢測發現存在缺陷，則為修復性的。對于前者，包絡計算時須假定焊縫內表面周向和軸向上存在75%壁厚深度的原始缺陷（對于鑄造不銹鋼，包絡計算時應假定焊縫內表面周向360°存在貫穿100%壁厚的原始缺陷）。

FSWOL技術的設計規則包含在ASME標準規范案例（CODE CASE， CC）N-740-2[6]中，美國電力研究會（Electric Power Research Institute， EPRI）的研究報告（Materials Reliability Program， MRP）MRP-169為其提供了技術基礎[7]。

1.2? 優化堆焊修復技術

優化堆焊修復技術（Optimized Weld Overlay， OWOL）是在管道、部件及其接頭等 SCC敏感材料的外部堆焊耐蝕材料，使得堆焊熔敷金屬承受部分設計載荷。

OWOL 技術可細化為預防性的（Pre-emptive）和修復性的（Repair）兩種，區別在于：堆焊前進行 UT檢測未發現面積性缺陷，為預防性的;堆焊前進行UT檢測發現了與內表面相連的面積型缺陷，但深度不超過50%壁厚，則為修復性的。

相對于FSWOL 技術，OWOL 技術設計基礎是周向360°、深度75%壁厚的原始缺陷，也增加了體積檢驗要求和頻度，還可以通過美國核管會（Nuclear Regulatory Commission，NRC）接受的降低結構系數來承載整個管道載荷，這意味著存在可接受的安全水平，以防焊縫一直開裂到OWOL界面。

OWOL 技術的設計規則包含在 CC N-754-1[8]中，MRP-169為其提供了技術基礎。

1.3? 挖槽修復技術

挖槽補焊技術（Excavate and Weld Repair，EWR）去除了一部分原焊縫金屬，并采用耐蝕材料替代，修復到原始外徑。典型的EWR尺寸約為50%原始壁厚。

EWR技術可細化為：1A型、2A型、1B型、2B型和局部電弧EWR五種。1-型EWR的堆焊層既能承壓又能耐蝕，2-型EWR 的堆焊層僅起耐蝕作用; A 型 EWR 中內表面和近內表面無裂紋等面積型缺陷，B 型 EWR 中的內表面或近內表面存在面積型缺陷。

1-型EWR包絡計算時應假定焊縫內表面周向360°、深度50%壁厚的原始缺陷，并進行修復前后的應力分析，包括焊后殘余應力，以及后續機加工或補焊可能帶來的附加殘余應力等;如果施焊記錄或使用記錄中有更嚴重的補焊行為，也應在分析中體現;焊接應力對管系其他物項的影響、焊后熱處理對殘余應力的影響等，也應在分析中考慮。1-型 EWR 的分析計算結果為耐蝕材料承受管道系統的整個載荷，并應能使其內表面在工作溫度和壓力下產生小于10 ksi（69 MPa）的拉應力。若未經應力分析，或經分析堆焊后的效果小于10 ksi（69 MPa），則為2-型EWR 。局部電弧EWR應采用有限元方法進行三維應力分析，以說明EWR對周圍區域 SCC裂紋萌生和擴展的影響。

EWR技術的設計規則包含在CC N-847[9]中。

1.4? 內嵌體和外嵌體

內嵌體（Inlay）和外嵌體（Onlay）技術是在 SCC 敏感材料的內表面施加嵌體，起到耐蝕屏障的作用，如圖1所示。

Inlay技術需挖除部分原壁厚，然后用耐蝕材料填充;Onlay技術不需要（也不禁止）挖除原壁厚。該技術沒有減少原殘余應力、不是結構性，因此在應用過程中了解實際缺陷尺寸至關重要。

Inlay和Onlay可在一定程度上抑制裂紋萌生和擴展，因為裂紋不會再與反應堆冷卻劑系統直接接觸;而2-型EWR在壓水堆一回路異種鋼焊縫（DMW）外表面進行，裂紋可能會由于沒有應力改善和腐蝕環改變而擴展。

Inlay 和Onlay技術的設計規則包含在 CC N-766-3[10]中。

1.5? 壓力改善

壓力改善（Stress Improvement）技術是通過擠壓DMW附近的管道，實現在其內表面施加壓應力的作用。應力改善能改變DMW 中約50%壁厚的應力狀態，但不會提供任何補強或耐蝕材料，因此原 DMW仍然承擔著管道系統的載荷。

應力改善技術的設計規則包含在 CC N-729-7[11]強制性附錄Ⅱ中，MRP-121[12]為其提供了技術基礎。

1.6? 噴丸

噴丸（Peening）會產生表面壓應力，深度通常為1 mm左右，所以其只是緩解技術，不會有足夠大的壓應力來阻止內表面裂紋的萌生或擴展。噴丸不會施加任何其他補強或耐蝕材料，因此DMW仍然承擔著管道系統的載荷。

Peening技術設計規則包含在CC N-729-7強制性附錄Ⅱ中，MRP-335[13]為其提供了技術基礎。

1.7? 幾種OVERLAY技術的比較

上述幾種OVERLAY技術各具特點，適用范圍和效果也各有不同，表1將其進行橫向比較，但其檢查要求均在Case N-770-5[14]中規定。

由表1可知，有三種方法既可以改善應力，又可以提供耐蝕材料：第一種是FSWOL，可承載整個載荷并提供應力改善，是最牢固的;第二種是優化的 OWOL，可提供耐蝕材料并承受大部分管道載荷，由原壁厚承擔其余部分;第三種是1-型EWR，耐蝕材料可承載整個載荷，并改善內表面易受影響材料的應力。有兩種方法只提供了耐蝕材料：第一種是Inlay和Onlay，提供了一層薄的耐蝕材料，通常由兩層焊道組成;第二種是2-型EWR，提供了大量耐蝕材料來承受載荷和抗裂，典型尺寸可能為50%壁厚。

20世紀80年代，FSWOL開始應用于沸水堆中，具有最寬松的檢查要求;OWOL已被選擇性地應用，如基于壓水堆1級部件的、額定工作溫度>275℃、且與反應堆冷卻劑接觸的UNS N06600、N06082或 W86182等SCC敏感材料，其每個周期均進行100% 檢查;而EWR是一種新的緩解方法，如無裂紋或未進一步擴展，檢查比例可逐步放松。

2 ??ASME-Ⅺ卷附錄Q

在ASME-Ⅺ卷2005年補遺中，增加了非強制性附錄 Q[15]“1、2、3級奧氏體不銹鋼管道焊接件的堆焊修復”，其原理是基于FSWOL技術，由堆焊層承擔壓力邊界的完整性，而不考慮原有壁厚的承載能力，其結構和內容如表2所示。

附錄Q源自CC N-504-3[16]（及先前版本），案例則是源自于BWR二回路主給水管道中 SCC的修復技術。附錄Q對案例內容進行了部分修改和補充，例如：補充了堆焊層無損檢測的方法和驗收標準，細化了檢測范圍、頻度、技術要求等規定。同時，在 ASME-Ⅺ卷 IWA-4411（h）正文條款中允許采用附錄 Q用于IGSCC的修復，并明確了：如果使用附錄 Q，則附錄中的非破壞性檢測可代替IWA-4520和 IWA-4530的規定。

ASME-Ⅺ卷2006年補遺中，對附錄Q進行了部分修訂，以改正規范案例中的非計劃變更。

ASME-Ⅺ卷2010版中，對 IWA-4411條款進行了修訂：當選擇使用非強制性附錄 Q時，其所有規定均應該遵守。同時，2010版還刪除了限制該附錄僅用于 SCC 的規定（2007版無意中遺漏了這個修改）。這是考慮該技術不僅能用于已知缺陷的維修，還可被用于根據經驗反饋有可能產生缺陷的不銹鋼管道的預防性維修（preventative maintenance），如解決疲勞裂紋。

其后ASME 版本中的非強制性附錄 Q 未有實質性變化。

美國核管理委員會（NRC）在文件 NUGEG- 0313中規定了用于修復奧氏體不銹鋼管道IGSCC的檢查方法、頻度和要求，明確PWR管道也可參考使用。NRC在其管理導則（Regulatory Guide，RG）1.147（2014和2015版）中允許有條件地使用CC N- 504-2/3，前提是安裝和檢查要求須遵守附錄Q中的規定。在 PWR 和 BWR 中，作為在82/182合金 DMW上堆焊修復實施的前提，業主對這些規范案例進行了修改，使之與CC N-638-1[17]合并，作為備選項（讓步選項）提交給NRC審批。

3? 關于附錄Q的討論

附錄Q是焊接OVERLAY技術首次列入標準，也是目前國內實施該技術的標準依據，所以對其中的關鍵條款進行分析具有重要的現實意義。

3.1? 鐵素體含量

Q2000（d）中對焊材和熔敷金屬的δ鐵素體數有具體規定，這源自CC N-504-2中（e）條款以及CC N-740-2中（e）（1）條款，主要是考慮到δ鐵素體內Cr含量高，可以對可能出現的貧Cr區補充Cr，減小或消除貧Cr區的出現，使焊縫對敏化不敏感，對IGSCC的抵抗能力更強。

NUREG-0313中還考慮了含5%δ鐵素體的奧氏體不銹鋼抗敏化和IGSCC能力，取決于碳含量和其他因素，特別是接頭具有高拘束度時。

通常為防止不銹鋼接頭IGSCC的工業實踐，集中在控制熔敷金屬中的δ鐵素體含量。在西屋 AP1000項目中，要求不含Mo的E308L、E309L鐵素體數為5～20 FN，含Mo的E316L為5～16 FN 。在沸水堆核電站業主焊材的采購技術要求中，鐵素體含量通常要求>8 FN 。鐵素體的下限值可以保證有足夠的鐵素體含量來抑制焊接過程中的微裂紋產生，上限值可以降低熱老化（鐵素體分解）的傾向。

3.2? 碳含量

在RG 1.44敏化不銹鋼的控制使用B 中規定：對于碳含量>0.03%的304和316型奧氏體不銹鋼，焊接工藝評定補充進行ASTM A262 E法的晶間腐蝕試驗，試驗應使用預期最大碳含量母材，且采用最小厚度和最大厚度分別進行評定;在其C章監管要求中規定：鐵素體含量5%以上的鑄件或焊接接頭，允許碳含量>0.03%。

碳含量越高，不銹鋼產生敏化的傾向越大，而敏化的不銹鋼容易產生IGSCC，因而，作為耐IGSCC 的材料，需要控制碳的上限。

3.3? 鎳基合金焊材

附錄Q中的焊材只有奧氏體不銹鋼，然而作為耐 SCC的焊材，一些鎳基合金有更好的表現，且實際應用中也有這樣的需求，因此我國在役標準中可以增加鎳基合金焊材的內容。

鎳基合金的許用源自 CC N-740-2。在其1.2 （c）中，補充了鎳基合金焊材ERNiCrFe-7/7A，Cr含量≥28%的規定，并須滿足（e）（2）條款焊材的規定：對于壓水堆，要求熔敷金屬Cr 含量≥24%，并且該 Cr含量是通過對產品焊縫或見證件進行化學分析得到的情況下，第一層熔敷金屬方可計入計算厚度。

鎳基合金焊材Cr含量≥28%的要求，實際上排除了600焊材（ERNiCr-3，Cr含量為18.0%～22.0%）僅許用690焊材（ERNiCrFe-7/7A，Cr含量為28.0%～31.5%）。眾所周知，600母材和焊材在壓水堆一回路水環境中存在PWSCC問題。

3.4? 殘余應力條件

根據OVERLAY的原理，需要改變原接頭內壁的應力狀態，最好是將其由拉應力改變為壓應力狀態，且在距離內壁一定厚度內均能保持該壓應力狀態，從而抑制裂紋的萌生和擴展。然而，ASME Ⅺ附錄 Q 的設計規則中沒有關于如何獲得改善的殘余應力狀態的條款，因而可實施性較差。

針對殘余應力的改善，需進行大量的理論和試驗研究，如設計準則和計算方法、堆焊層厚度和寬度設計中上下限區間、評定中熱輸入上下限的控制、道間溫度的控制、水冷條款等，這些均需要在國內標準中明確，來進一步提高可實施性。

文獻[18]表明，在內壁充水的情況下進行 OVERLAY，其內壁壓應力區范圍會沿焊縫兩側方向明顯擴展，對于避免內壁裂紋的產生和擴展非常有利。

3.5? 結構強度要求

根據OVERLAY的原理，需要在設計基準缺陷存在的情況下仍滿足結構強度要求，所以必須考核 OVERLAY層的力學性能。通常這意味著在焊接工藝評定中需對接接頭試件進行考核，而這在附錄Q 中沒有明確的規定。

在一般的焊接工藝評定標準中，接頭強度考核橫向拉伸強度，由于應變強化及母材對焊縫形變的約束作用，即使橫向拉伸試驗斷在焊縫，由此得到的抗拉強度并不等于焊縫熔敷金屬的抗拉強度，一般情況下會稍高于后者。而對于 OVERLAY 層來說，本身是作為熔敷金屬來承載，為了更好地代表其性能水平，可考慮在其焊接工藝評定中增加熔敷金屬的縱向拉伸試驗。

4? 結論

（1）焊接OVERLAY技術是通過在原設計壁厚基礎上增加壁厚，改變原壁厚內表面的應力狀態，從而抑制裂紋的產生或擴展，其可用于在役維修或預防性維修。

（2）國外對焊接OVERLAY技術進行了幾十年的研究和實踐，已形成 Code case N-504-2、N-740-2等規范案例和ASME XI卷附錄Q等標準。國內亟待開展焊接OVERLAY技術研究，特別是系統的、對國外研究成果的消化吸收和國內標準的建立，例如堆焊工藝參數、堆焊層厚度與焊接殘余應力的關系，不同OVERLAY技術修復后在役檢查要求的制定依據等，從而推動該項技術在國內的應用和推廣。

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