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(jīng)驗(yàn)反饋

牟 童，陳 威

（生態(tài)環(huán)境部華東核與輻射安全監(jiān)督站，上海 200233）

高溫氣冷堆核電站示范工程［1，2］（以下簡(jiǎn)稱HTR-PM）主蒸汽系統(tǒng)的主要功能是將來自蒸汽發(fā)生器的蒸汽輸送至主汽輪機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)在汽輪機(jī)熱態(tài)及極熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，為汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)提供蒸汽［3］。高溫氣冷堆主蒸汽系統(tǒng)管道為高溫機(jī)械部件，材質(zhì)為A335 P91，設(shè)計(jì)壓力15.7 MPa，設(shè)計(jì)溫度576℃，焊接接頭型式如圖1所示，為首次在國內(nèi)核電廠主蒸汽管道中使用，A335 P91 材料相當(dāng)于國標(biāo)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(wěn)定的持久塑性及熱強(qiáng)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(yàn)取樣位置示意圖Fig.2 Sampling location map of theimpact test

根據(jù)《主蒸汽P91 鋼管道焊接見證件技術(shù)規(guī)格書》規(guī)定，見證件的制作和檢驗(yàn)須遵循《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》（RCC-M 2000 版+2002 補(bǔ)遺）標(biāo)準(zhǔn)。核安全2、3 級(jí)主蒸汽管道的對(duì)接焊縫均應(yīng)設(shè)置產(chǎn)品焊接見證件，焊接見證件應(yīng)按焊接工藝評(píng)定試件相同的要求進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)、重復(fù)性試驗(yàn)，若破壞性檢驗(yàn)和可能的重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果不合格，則該焊接工藝評(píng)定應(yīng)暫停使用，同時(shí)主管道現(xiàn)場(chǎng)安裝單位應(yīng)編制原因分析報(bào)告。

1 HTR-PM 主蒸汽系統(tǒng)P91 鋼管道焊接見證件沖擊試驗(yàn)情況

HTR-PM 核島主蒸汽系統(tǒng)管道共計(jì)233 道焊口，現(xiàn)場(chǎng)焊接5 道焊口之后開始進(jìn)行見證件的焊接。2018 年11 月，營運(yùn)單位在進(jìn)行焊接見證件沖擊試驗(yàn)（20℃）時(shí)，發(fā)現(xiàn)3 個(gè)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(píng)定變更》中“每個(gè)試樣沖擊功值≥41（J）”的要求。現(xiàn)場(chǎng)隨即暫停主蒸汽管道焊接施工，此問題造成現(xiàn)場(chǎng)已焊接的39 道焊口質(zhì)量不確定。

為進(jìn)一步排查原因，2018 年12 月5 日，營運(yùn)單位對(duì)見證件余料第一次加倍取樣，選取6個(gè)試樣進(jìn)行焊縫沖擊試驗(yàn)，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(yùn)單位對(duì)見證件余料進(jìn)行第二次加倍取樣，選取6 個(gè)試樣進(jìn)行焊縫沖擊試驗(yàn)，沖擊功分別為42 J、26 J、56 J、58 J、64 J、41 J，其中，編號(hào)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(yùn)單位現(xiàn)場(chǎng)決定對(duì)不合格試樣斷面進(jìn)行金相檢驗(yàn)，觀察馬氏體組織并測(cè)量δ-鐵素體含量，并在不合格試樣臨近區(qū)域再取兩組試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。金相檢驗(yàn)結(jié)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(yùn)單位進(jìn)行了第三次加倍取樣，選取6 個(gè)試樣進(jìn)行焊縫沖擊試驗(yàn)，沖擊功分別為37 J、53 J、51 J、38 J、42 J、56 J，其中，編號(hào)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(yàn)數(shù)據(jù)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(yùn)單位現(xiàn)場(chǎng)重新焊接并制作了六個(gè)試驗(yàn)件進(jìn)一步分析原因。

2.1 試樣加工偏差對(duì)沖擊結(jié)果的影響

為驗(yàn)證試樣加工偏差對(duì)沖擊結(jié)果的影響，2019 年4 月，營運(yùn)單位采用投影曲線磨加工缺口進(jìn)行示波沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為43 J、38 J、34 J，與見證件首次試驗(yàn)結(jié)果40 J、38 J、30 J 基本一致。此試驗(yàn)結(jié)果，基本排除加工偏差對(duì)焊縫沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.2 熱處理保溫時(shí)間不足和回火不充分對(duì)沖擊結(jié)果的影響

為驗(yàn)證熱處理保溫時(shí)間不足、回火不充分對(duì)沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響，營運(yùn)單位制作了第一個(gè)試驗(yàn)件，于2019 年4 月23 日完成試驗(yàn)件各項(xiàng)試驗(yàn)，焊縫沖擊功為45 J、29 J、30 J，均不滿足設(shè)計(jì)要求。由此可知，只增加熱處理保溫時(shí)間不能改善焊縫沖擊值。

2.3 梳理歷次焊接工藝評(píng)定數(shù)據(jù)進(jìn)一步排查

營運(yùn)單位梳理了A335 P91 管道歷次焊接工藝評(píng)定沖擊試驗(yàn)，結(jié)果顯示，3 次試驗(yàn)均合格。梳理發(fā)現(xiàn)，這3 次焊接工藝評(píng)定馬氏體轉(zhuǎn)變溫度及時(shí)間控制為100℃/2 h，而焊接見證件及試驗(yàn)件的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度為110℃/1.5 h，初步判斷馬氏體轉(zhuǎn)變溫度及時(shí)間的不同可能導(dǎo)致見證件焊縫沖擊試驗(yàn)不合格。歷次工藝評(píng)定、見證件、試驗(yàn)件工藝曲線和數(shù)據(jù)見圖3、表2。

表2 歷次P91 鋼焊接工藝評(píng)定、見證件、試驗(yàn)件馬氏體轉(zhuǎn)變工藝數(shù)據(jù)匯總Table 2 All previous of Martensitic transformation process data

圖3 歷次工藝評(píng)定、見證件、試驗(yàn)件工藝曲線Fig.3 Heat treatment process curve of all previous

2.4 馬氏體轉(zhuǎn)變溫度、時(shí)間控制對(duì)沖擊結(jié)果的影響

為驗(yàn)證可能由于在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體焊接時(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度及保溫時(shí)間的控制與工藝評(píng)定不同導(dǎo)致焊縫沖擊不合格，營運(yùn)單位制作了第二個(gè)試驗(yàn)件。采用與焊接工藝評(píng)定相同的參數(shù)進(jìn)行焊后馬氏體轉(zhuǎn)變，并主要開展焊縫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)取了5 組共15 個(gè)焊縫沖擊，全部合格。說明是馬氏體轉(zhuǎn)變溫度較高導(dǎo)致沖擊不合格。

為充分驗(yàn)證馬氏體轉(zhuǎn)變溫度及時(shí)間的不同對(duì)焊縫沖擊的影響，營運(yùn)單位制作了第三個(gè)和第四個(gè)試驗(yàn)件，兩個(gè)試驗(yàn)件均采用與工藝評(píng)定相同的焊接熱處理參數(shù)及過程控制（馬氏體轉(zhuǎn)變溫度100℃、保溫2 h，熱處理保溫時(shí)間2 h）。其中第三個(gè)試驗(yàn)件焊縫沖擊不合格，第四個(gè)試驗(yàn)件2 組沖擊數(shù)據(jù)均合格。

營運(yùn)單位梳理第三個(gè)試驗(yàn)的熱處理曲線，發(fā)現(xiàn)未控制好第三個(gè)試驗(yàn)件熱處理后的降溫速率，降溫太慢了，導(dǎo)致其在第二類回火脆性區(qū)域停留時(shí)間太長(zhǎng)，降低了焊縫的沖擊值。

通過對(duì)第三個(gè)、第四個(gè)試驗(yàn)件焊縫沖擊結(jié)果的梳理，營運(yùn)單位發(fā)現(xiàn)雖然第三個(gè)試驗(yàn)件不合格，但第三個(gè)、第四個(gè)試驗(yàn)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(zhuǎn)變溫度和時(shí)間可以提高焊縫沖擊值。

為進(jìn)一步驗(yàn)證馬氏體轉(zhuǎn)變溫度及熱處理保溫時(shí)間對(duì)沖擊的影響，同時(shí)對(duì)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(yùn)單位同時(shí)制作了第五個(gè)、第六個(gè)試驗(yàn)件。第五個(gè)試驗(yàn)件按焊接工藝評(píng)定參數(shù)（馬氏體轉(zhuǎn)變溫度及時(shí)間為100℃/2 h）制作，熱處理保溫時(shí)間2 h，采用兩種品牌焊材對(duì)稱焊接，各進(jìn)行2 組焊縫沖擊試驗(yàn)；第六個(gè)試驗(yàn)件馬氏體轉(zhuǎn)變溫度及時(shí)間為85℃/2 h，熱處理保溫時(shí)間2.5 h，采用兩種品牌焊材對(duì)稱焊接，各進(jìn)行2 組焊縫沖擊試驗(yàn)。這兩個(gè)試驗(yàn)件各取了4 組試樣，共24 個(gè)沖擊試樣，全部合格。

歷次試驗(yàn)件焊縫沖擊詳見表3。

進(jìn)一步分析可知，第一個(gè)試驗(yàn)件只延長(zhǎng)了熱處理保溫時(shí)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(gè)試驗(yàn)件改變了馬氏體轉(zhuǎn)變工藝，11 組33 個(gè)焊縫沖擊只出現(xiàn)了2 個(gè)低值，分別為32 J 和29 J，但平均值大于50 J，整體效果優(yōu)于第一個(gè)試驗(yàn)件；第六個(gè)試驗(yàn)件再次降低了馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，6 個(gè)沖擊值最低為48 J，平均值59.5 J，效果好于前5 個(gè)試驗(yàn)件。適當(dāng)降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，更有利于馬氏體的轉(zhuǎn)化率，從而改善沖擊韌性值。

此外，營運(yùn)單位還對(duì)比了國外品牌焊材和國產(chǎn)品牌焊材形成焊縫的沖擊試驗(yàn)情況，結(jié)論是焊縫沖擊性能相當(dāng)。

通過以上分析，并結(jié)合前期的工藝評(píng)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)，營運(yùn)單位認(rèn)為改變馬氏體轉(zhuǎn)變工藝可以改善焊縫沖擊性能，同時(shí)需嚴(yán)格控制熱處理升降溫速率。

3 后續(xù)處理情況

按照核安全法規(guī)和營運(yùn)單位質(zhì)量保證大綱的要求，營運(yùn)單位采取了以下措施對(duì)上述問題進(jìn)行處理：

（1）升版不符合報(bào)告，將原焊接見證件進(jìn)行報(bào)廢處理。

（2）開啟實(shí)體焊口不符合項(xiàng)，現(xiàn)場(chǎng)抽取5 道實(shí)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(xiàn)場(chǎng)剩余實(shí)體焊口按升版后工藝（馬氏體轉(zhuǎn)變溫度及時(shí)間為80℃～100℃/2 h，熱處理保溫時(shí)間2 h，升降溫速率70℃～150℃/h）進(jìn)行返工處理，并開展主蒸汽系統(tǒng)施工。因馬氏體轉(zhuǎn)變溫度在ASME 規(guī)范及《主蒸汽P91 鋼管道焊接工藝評(píng)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(shù)條件》要求，故不需對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度重新進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。

（4）加強(qiáng)焊接及熱處理過程管理和監(jiān)督，營運(yùn)單位牽頭成立由業(yè)主、總承包方、監(jiān)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(xiàng)攻堅(jiān)小組，強(qiáng)化各項(xiàng)質(zhì)量管控措施，施工全程由質(zhì)保部門獨(dú)立監(jiān)督，制定專門預(yù)防措施，推動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題快速響應(yīng)。同時(shí)，挑選經(jīng)驗(yàn)豐富和技術(shù)過硬的焊工、熱處理工開展后續(xù)工作。

（5）設(shè)計(jì)方在重新施工前明確，如果見證件不合格，將依據(jù)ASME-Ⅲ-2004 第1 冊(cè)-NC 卷規(guī)定，評(píng)估采用提高主蒸汽系統(tǒng)最低使用溫度方案后焊縫質(zhì)量的可接受性。后續(xù)施工過程中未出現(xiàn)見證件不合格的情況，因此本條措施最終未實(shí)施。

4 監(jiān)督檢查發(fā)現(xiàn)的問題和經(jīng)驗(yàn)反饋

核安全監(jiān)督檢查部門在該問題處理過程［4］中發(fā)現(xiàn)了以下問題：

（1） A335 P91 材料在火電領(lǐng)域已成熟運(yùn)用，但其首次在核電領(lǐng)域使用便出現(xiàn)了一系列問題，需引起相關(guān)單位足夠重視。營運(yùn)單位應(yīng)建立相關(guān)管理制度，梳理工程中類似情況，及時(shí)識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，增加有針對(duì)性的防控措施并跟蹤落實(shí)，以降低其對(duì)工程的影響。

（2）營運(yùn)單位應(yīng)切實(shí)落實(shí)主體責(zé)任，嚴(yán)格按照法規(guī)和質(zhì)量保證大綱開展問題處理。對(duì)于不符合驗(yàn)收準(zhǔn)則的問題應(yīng)及時(shí)開啟不符合項(xiàng)，符合建造事件的及時(shí)報(bào)送建造事件，同時(shí)對(duì)于發(fā)現(xiàn)的問題，有可能突破相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求的，營運(yùn)單位應(yīng)及時(shí)提交國家核安全局進(jìn)行審評(píng)。

（3）監(jiān)督發(fā)現(xiàn)，高溫氣冷堆主蒸汽系統(tǒng)存在建造標(biāo)準(zhǔn)不一致以及現(xiàn)場(chǎng)施工過程中未按技術(shù)規(guī)格書規(guī)定進(jìn)行見證件熱處理和在規(guī)定區(qū)域進(jìn)行試樣取樣等問題，營運(yùn)單位應(yīng)落實(shí)核安全全面責(zé)任，加強(qiáng)設(shè)計(jì)控制和工作過程控制，嚴(yán)格按照技術(shù)文件和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求開展見證件制作和試驗(yàn)等活動(dòng)。

（4）監(jiān)督發(fā)現(xiàn)，營運(yùn)單位在試驗(yàn)過程中因部分沖擊試驗(yàn)結(jié)果不合格，認(rèn)為焊縫沖擊試驗(yàn)結(jié)果存在離散性，后續(xù)通過設(shè)計(jì)變更將驗(yàn)收準(zhǔn)則由“每個(gè)試樣沖擊功值≥41 J”變更為“平均值不小于41 J，單個(gè)最小值不小于34 J”。同時(shí)，營運(yùn)單位在擬采取的整改措施中，計(jì)劃采用提高主蒸汽系統(tǒng)最低使用溫度的方案，把問題交給后期運(yùn)行來處理，以上處理問題的方式?jīng)]有體現(xiàn)核電行業(yè)應(yīng)該遵循的“安全第一，質(zhì)量第一”的理念，也沒有實(shí)事求是，直面問題。

（5）根據(jù)焊接見證件相關(guān)技術(shù)規(guī)格書和標(biāo)準(zhǔn)要求，見證件必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成各項(xiàng)檢驗(yàn)，但A335P 91 的試驗(yàn)結(jié)果實(shí)際上基本是在最遲時(shí)間點(diǎn)才出各種試驗(yàn)結(jié)果，雖然沒有違反標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但是增大了檢驗(yàn)期間施工的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和后續(xù)返工量。

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

5 結(jié)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(jié)了核設(shè)施營運(yùn)單位在處理該問題過程中暴露出的核安全意識(shí)薄弱和管理體系、質(zhì)量控制不足的問題，目的是引起核電同行的關(guān)注，得到一種可以借鑒的類似問題處理經(jīng)驗(yàn)，起到經(jīng)驗(yàn)反饋的作用。同時(shí)，促進(jìn)相關(guān)單位能夠更好地在法律法規(guī)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求下開展核電廠建造活動(dòng)。