高溫氣冷堆核電廠主蒸汽管道焊接見證件不合格問題研究和經驗反饋

牟 童，陳 威

（生態環境部華東核與輻射安全監督站，上海 200233）

高溫氣冷堆核電站示范工程［1，2］（以下簡稱HTR-PM）主蒸汽系統的主要功能是將來自蒸汽發生器的蒸汽輸送至主汽輪機系統，同時在汽輪機熱態及極熱態啟動時，為汽輪機軸封系統提供蒸汽［3］。高溫氣冷堆主蒸汽系統管道為高溫機械部件，材質為A335 P91，設計壓力15.7 MPa，設計溫度576℃，焊接接頭型式如圖1所示，為首次在國內核電廠主蒸汽管道中使用，A335 P91 材料相當于國標10Cr9Mo1VNbN，不僅具有高抗氧化性能和抗高溫蒸汽腐蝕性能，還具有良好的沖擊韌性和高而穩定的持久塑性及熱強性能，焊材選用ER90S-B9。

圖1 主蒸汽P91 鋼管道焊接接頭示意圖Fig.1 Sketch map of themain steam pipeline welded joints

圖2 主蒸汽P91 鋼管道焊接見證件沖擊試驗取樣位置示意圖Fig.2 Sampling location map of theimpact test

根據《主蒸汽P91 鋼管道焊接見證件技術規格書》規定，見證件的制作和檢驗須遵循《壓水堆核島機械設備設計和建造規則》（RCC-M 2000 版+2002 補遺）標準。核安全2、3 級主蒸汽管道的對接焊縫均應設置產品焊接見證件，焊接見證件應按焊接工藝評定試件相同的要求進行破壞性檢驗、重復性試驗，若破壞性檢驗和可能的重復性試驗結果不合格，則該焊接工藝評定應暫停使用，同時主管道現場安裝單位應編制原因分析報告。

1 HTR-PM 主蒸汽系統P91 鋼管道焊接見證件沖擊試驗情況

HTR-PM 核島主蒸汽系統管道共計233 道焊口，現場焊接5 道焊口之后開始進行見證件的焊接。2018 年11 月，營運單位在進行焊接見證件沖擊試驗（20℃）時，發現3 個試樣的沖擊功分別為40 J、38 J、30 J，均不滿足《主蒸汽P91鋼管道焊接工藝評定變更》中“每個試樣沖擊功值≥41（J）”的要求。現場隨即暫停主蒸汽管道焊接施工，此問題造成現場已焊接的39 道焊口質量不確定。

為進一步排查原因，2018 年12 月5 日，營運單位對見證件余料第一次加倍取樣，選取6個試樣進行焊縫沖擊試驗，沖擊功分別為62 J、56 J、62 J、52 J、51 J、46 J，均滿足要求。

2018 年12 月25 日，營運單位對見證件余料進行第二次加倍取樣，選取6 個試樣進行焊縫沖擊試驗，沖擊功分別為42 J、26 J、56 J、58 J、64 J、41 J，其中，編號為JWJ-017-W-14 的試樣不滿足要求。

因JWJ-017-W-14 試樣不滿足要求，營運單位現場決定對不合格試樣斷面進行金相檢驗，觀察馬氏體組織并測量δ-鐵素體含量，并在不合格試樣臨近區域再取兩組試樣進行沖擊試驗。金相檢驗結果為“斷面δ-鐵素體含量為小于1%，金相組織為回火馬氏體”。

2019 年2 月27 日，營運單位進行了第三次加倍取樣，選取6 個試樣進行焊縫沖擊試驗，沖擊功分別為37 J、53 J、51 J、38 J、42 J、56 J，其中，編號為JWJ-017-W-16 和JWJ-017-W-19 的試樣不滿足要求。

表1 歷次見證件焊縫沖擊試驗數據匯總Table 1 All previous weld impact test data

2 原因分析情況

鑒于原見證件余料的取樣位置已用完，營運單位現場重新焊接并制作了六個試驗件進一步分析原因。

2.1 試樣加工偏差對沖擊結果的影響

為驗證試樣加工偏差對沖擊結果的影響，2019 年4 月，營運單位采用投影曲線磨加工缺口進行示波沖擊試驗，試驗結果為43 J、38 J、34 J，與見證件首次試驗結果40 J、38 J、30 J 基本一致。此試驗結果，基本排除加工偏差對焊縫沖擊試驗結果的影響。

2.2 熱處理保溫時間不足和回火不充分對沖擊結果的影響

為驗證熱處理保溫時間不足、回火不充分對沖擊試驗結果的影響，營運單位制作了第一個試驗件，于2019 年4 月23 日完成試驗件各項試驗，焊縫沖擊功為45 J、29 J、30 J，均不滿足設計要求。由此可知，只增加熱處理保溫時間不能改善焊縫沖擊值。

2.3 梳理歷次焊接工藝評定數據進一步排查

營運單位梳理了A335 P91 管道歷次焊接工藝評定沖擊試驗，結果顯示，3 次試驗均合格。梳理發現，這3 次焊接工藝評定馬氏體轉變溫度及時間控制為100℃/2 h，而焊接見證件及試驗件的馬氏體轉變溫度為110℃/1.5 h，初步判斷馬氏體轉變溫度及時間的不同可能導致見證件焊縫沖擊試驗不合格。歷次工藝評定、見證件、試驗件工藝曲線和數據見圖3、表2。

表2 歷次P91 鋼焊接工藝評定、見證件、試驗件馬氏體轉變工藝數據匯總Table 2 All previous of Martensitic transformation process data

圖3 歷次工藝評定、見證件、試驗件工藝曲線Fig.3 Heat treatment process curve of all previous

2.4 馬氏體轉變溫度、時間控制對沖擊結果的影響

為驗證可能由于在現場實體焊接時馬氏體轉變溫度及保溫時間的控制與工藝評定不同導致焊縫沖擊不合格，營運單位制作了第二個試驗件。采用與焊接工藝評定相同的參數進行焊后馬氏體轉變，并主要開展焊縫沖擊試驗，試驗取了5 組共15 個焊縫沖擊，全部合格。說明是馬氏體轉變溫度較高導致沖擊不合格。

為充分驗證馬氏體轉變溫度及時間的不同對焊縫沖擊的影響，營運單位制作了第三個和第四個試驗件，兩個試驗件均采用與工藝評定相同的焊接熱處理參數及過程控制（馬氏體轉變溫度100℃、保溫2 h，熱處理保溫時間2 h）。其中第三個試驗件焊縫沖擊不合格，第四個試驗件2 組沖擊數據均合格。

營運單位梳理第三個試驗的熱處理曲線，發現未控制好第三個試驗件熱處理后的降溫速率，降溫太慢了，導致其在第二類回火脆性區域停留時間太長，降低了焊縫的沖擊值。

通過對第三個、第四個試驗件焊縫沖擊結果的梳理，營運單位發現雖然第三個試驗件不合格，但第三個、第四個試驗件焊縫沖擊平均值分別為50 J、41.3 J、57.7 J、51.7 J，由此可判斷改變馬氏體轉變溫度和時間可以提高焊縫沖擊值。

為進一步驗證馬氏體轉變溫度及熱處理保溫時間對沖擊的影響，同時對比國外品牌焊材與在用焊材在同種工藝下的沖擊性能。營運單位同時制作了第五個、第六個試驗件。第五個試驗件按焊接工藝評定參數（馬氏體轉變溫度及時間為100℃/2 h）制作，熱處理保溫時間2 h，采用兩種品牌焊材對稱焊接，各進行2 組焊縫沖擊試驗；第六個試驗件馬氏體轉變溫度及時間為85℃/2 h，熱處理保溫時間2.5 h，采用兩種品牌焊材對稱焊接，各進行2 組焊縫沖擊試驗。這兩個試驗件各取了4 組試樣，共24 個沖擊試樣，全部合格。

歷次試驗件焊縫沖擊詳見表3。

進一步分析可知，第一個試驗件只延長了熱處理保溫時間，沖擊值為45 J、29 J、30 J，整體效果不好；第二、第三、第四以及第五個試驗件改變了馬氏體轉變工藝，11 組33 個焊縫沖擊只出現了2 個低值，分別為32 J 和29 J，但平均值大于50 J，整體效果優于第一個試驗件；第六個試驗件再次降低了馬氏體轉變溫度，6 個沖擊值最低為48 J，平均值59.5 J，效果好于前5 個試驗件。適當降低馬氏體轉變溫度，更有利于馬氏體的轉化率，從而改善沖擊韌性值。

此外，營運單位還對比了國外品牌焊材和國產品牌焊材形成焊縫的沖擊試驗情況，結論是焊縫沖擊性能相當。

通過以上分析，并結合前期的工藝評定試驗數據，營運單位認為改變馬氏體轉變工藝可以改善焊縫沖擊性能，同時需嚴格控制熱處理升降溫速率。

3 后續處理情況

按照核安全法規和營運單位質量保證大綱的要求，營運單位采取了以下措施對上述問題進行處理：

（1）升版不符合報告，將原焊接見證件進行報廢處理。

（2）開啟實體焊口不符合項，現場抽取5 道實體焊口按升版后的工藝卡，返工處理，完成5道焊口后制作見證件。

（3）見證件合格后，現場剩余實體焊口按升版后工藝（馬氏體轉變溫度及時間為80℃～100℃/2 h，熱處理保溫時間2 h，升降溫速率70℃～150℃/h）進行返工處理，并開展主蒸汽系統施工。因馬氏體轉變溫度在ASME 規范及《主蒸汽P91 鋼管道焊接工藝評定》中不作為焊接變素控制，且滿足《主蒸汽P91 鋼管道焊接技術條件》要求，故不需對馬氏體轉變溫度重新進行焊接工藝評定。

（4）加強焊接及熱處理過程管理和監督，營運單位牽頭成立由業主、總承包方、監理和施工承包商組成的主蒸汽管道焊接見證件不合格問題專項攻堅小組，強化各項質量管控措施，施工全程由質保部門獨立監督，制定專門預防措施，推動發現問題快速響應。同時，挑選經驗豐富和技術過硬的焊工、熱處理工開展后續工作。

（5）設計方在重新施工前明確，如果見證件不合格，將依據ASME-Ⅲ-2004 第1 冊-NC 卷規定，評估采用提高主蒸汽系統最低使用溫度方案后焊縫質量的可接受性。后續施工過程中未出現見證件不合格的情況，因此本條措施最終未實施。

4 監督檢查發現的問題和經驗反饋

核安全監督檢查部門在該問題處理過程［4］中發現了以下問題：

（1） A335 P91 材料在火電領域已成熟運用，但其首次在核電領域使用便出現了一系列問題，需引起相關單位足夠重視。營運單位應建立相關管理制度，梳理工程中類似情況，及時識別風險，增加有針對性的防控措施并跟蹤落實，以降低其對工程的影響。

（2）營運單位應切實落實主體責任，嚴格按照法規和質量保證大綱開展問題處理。對于不符合驗收準則的問題應及時開啟不符合項，符合建造事件的及時報送建造事件，同時對于發現的問題，有可能突破相關標準和設計要求的，營運單位應及時提交國家核安全局進行審評。

（3）監督發現，高溫氣冷堆主蒸汽系統存在建造標準不一致以及現場施工過程中未按技術規格書規定進行見證件熱處理和在規定區域進行試樣取樣等問題，營運單位應落實核安全全面責任，加強設計控制和工作過程控制，嚴格按照技術文件和標準規范要求開展見證件制作和試驗等活動。

（4）監督發現，營運單位在試驗過程中因部分沖擊試驗結果不合格，認為焊縫沖擊試驗結果存在離散性，后續通過設計變更將驗收準則由“每個試樣沖擊功值≥41 J”變更為“平均值不小于41 J，單個最小值不小于34 J”。同時，營運單位在擬采取的整改措施中，計劃采用提高主蒸汽系統最低使用溫度的方案，把問題交給后期運行來處理，以上處理問題的方式沒有體現核電行業應該遵循的“安全第一，質量第一”的理念，也沒有實事求是，直面問題。

（5）根據焊接見證件相關技術規格書和標準要求，見證件必須在規定時間內完成各項檢驗，但A335P 91 的試驗結果實際上基本是在最遲時間點才出各種試驗結果，雖然沒有違反標準規定，但是增大了檢驗期間施工的質量風險和后續返工量。

（6）相關單位應客觀看待存在的問題，提升專家會議的質量，尤其是在第三次原因分析過程中，專家會意見仍然認為是試樣加工問題造成不合格，導致見證件余料用完，給后期處理帶來困難。

5 結論

本文通過梳理高溫氣冷堆主蒸汽管道焊接見證件不合格問題的處理和原因分析過程，總結了核設施營運單位在處理該問題過程中暴露出的核安全意識薄弱和管理體系、質量控制不足的問題，目的是引起核電同行的關注，得到一種可以借鑒的類似問題處理經驗，起到經驗反饋的作用。同時，促進相關單位能夠更好地在法律法規和相關標準要求下開展核電廠建造活動。