核电站建造中焊接工艺非重要变量的控制

王 勇，石立波，刘 丹

(1.中国核电工程有限公司，北京 100840;2.上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240)

1 核电站建造中焊接质保的要求

焊接是核电站建造中的重要技术，它是一种特殊工艺，其显著特征就是最终产品不能仅通过对成品的检查来确定产品的质量。焊接接头的形成是一个复杂的金属熔炼过程，焊缝的性能(强度、韧性等)不是焊后无损检验能够检查的，要获得符合设计要求的焊缝质量需要有效地控制整个焊接全部过程的各个影响因素。

确保核安全是核电站建造过程中的第一要求，强制执行的核质保体系要求对于核电站中焊接结构的生产任何人都可提出质疑，如果生产者没有提供说明其质量合格的足够的证明文件，都可以对产品的最终质量提出疑问，进而否定最终产品的质量。

2 焊接工艺中的重要变量和非重要变量

焊接工艺是决定产品焊接质量的最关键因素。焊接工艺的取得必须进行焊接工艺评定，产品焊接过程中各项工艺参数控制必须在焊接工艺评定的覆盖范围内。

AP1000先进压水堆核电大规模采用ASME(美国 ASME锅炉及压力容器规范，以下简称ASME)标准，国内二代改进型压水堆核电站中应用的建造规范是RCC－M(法国压水堆核岛机械设备设计和建造规则，以下简称RCC－M)。ASME第Ⅸ卷为每个包含在特定工艺规程中的每个焊接方法都列出了重要变量、附加重要变量和非重要变量。如果变化一个重要变量，要求再次评定焊接工艺。焊接工艺规程中必须给出重要变量和非重要变量，当对冲击性能有要求时，还应给出附加重要变量，如果附加重要变量变为重要变量，其改变也要求再次评定工艺。而RCC－M S篇焊接规范是按照焊接对象的不同进行编写(如S3200是碳钢和低合金钢，S3300是奥氏体不锈钢)，变量类型也没有重要和非重要的区分。可以理解，RCC－M规范中有要求的都是重要变量。

ASME第Ⅸ卷(2004版)与RCC－M规范(2007版)对这些变量要求的对比，如表1所示。从对比中可以看出:RCC－M的焊接工艺评定中需要控制的重要变量(改变该变量的有效范围会影响工艺评定的有效性)要比ASME多。从某种意义上来说，按RCC－M进行工艺评定对于焊接工艺的控制更为严格。另一方面，ASME的某些规定更为合理，例如使用线能量作为能量参数而不是电流等。

表1 焊条电弧焊(SMAW)焊接工艺变量对比分析

续表

3 ASME中焊接电流作为非重要变量对焊接质量控制的影响

关于如何确定焊接工艺评定中焊接电流的有效范围，在理论和实践中一直存在争议，有必要结合ASME和RCC－M的相关规定进行进一步说明。ASME使用线能量作为能量的补充重要变量参数，电流是非重要变量。而RCC－M从2005版起引入了线能量控制，并仍将电流作为重要变量。

RCC－M规范带有很强的堆型特性，其焊接工艺评定规范反映了法国在进行其堆型建造中的实践。根据法国核电建设实践，其规范中确定对于SMAW方法除低合金钢需要控制线能量外，其他需要在焊接工艺评定指导书中规定的电流范围内选取电流值进行工艺评定，合格后则该电流范围为有效覆盖范围。焊接工艺评定指导书中规定的电流范围如何确定，法国AREVA专家答复是来自先前的试验，并且对于SMAW(焊条电弧焊)来说，主要依据是焊材评定的结果。

ASME将电流作为非重要变量时，焊接工艺评定的电流有效范围是根据预WPS(焊接工艺规程，简称WPS)的规定而定，焊接工艺评定试验只需要一个验证电流，焊接工艺评定报告就可以确定预WPS中的所有电流;但对于有冲击性能要求时，焊接工艺评定报告最高电流不能超过焊接试验记录的最高值。

对ASME而言，预WPS的数据是如何来的，ASME专家的答复是在预WPS的确定前厂家已做了大量的试验，有试验数据支持。此外，从ASME第Ⅸ卷认可的标准焊接工艺规程(SWPS)ANS/AWS B2.1－1－026－94可看出，其焊接电流与焊条直径适用的范围基本一致，其确定的依据也是大量PQR(焊接工艺评定，以下简称PQR)的结果。在AWS D1.1/D1.1M:2008中免除评定的WPS要求中对于电流规定:在填充金属制造商推荐的操作范围内。

两个规范在不考虑焊接线能量时，控制焊接电流范围的方法是一致的，均基于前期大量试验的结果。从大趋势而言，ASME中的焊接线能量是重要变量，ASME会更加实用，更加灵活。比如对于同一种母材来说，同种规格的焊材，焊条电弧焊(原手工焊)的电流如果是120 A，自动焊的电流就可以达到400～500 A。这里就有焊接速度和稳定性的不同，有的焊工技术熟练，可以大电流，高速度，有的焊工就只能用小电流。国内常常追究焊接工艺评定的预WPS的数据是抄来的，但国内大量的焊接文献中数据都是经过多次的试验验证的，直接拿来用又有何不可呢。而众多的有识之士都在呼吁一般性焊接工艺评定报告的公用性，减少资源的浪费。

在今后核电站建造中，由于核电站特殊的焊接质保要求，且国内的一些厂家的质保体系还不完善，焊工本身的素质等问题，对于电流这类的变量还是要作为重要变量加以控制为好。

4 非重要变量对焊接质量的影响

从表1中看出，有些在ASME规范中要求的非重要变量，对于RCC－M规范而言是重要变量，而对于一些表中没有列出的因素都可以认为是非重要变量。对非重要变量，一般情况下不考核，但对于重要部件，由于大家对焊接规范、标准在工程中运用及理解不同，当有关人员提出疑议时，根据核电站焊接质保的特点，制造单位做了一些额外的试验，从而验证了非重要变量的影响。

4.1 焊接层数对焊接质量的影响

方家山核电1号岛钢衬里内环板套筒连接着底板与钢筋，钢筋采用进口的GEWI钢筋，是钢衬里的重要部件(见图1)。在焊接过程中，监理人员发现，产品焊接的层数与焊接工艺评定的层数不一样，焊接工艺评定的层数为13～14层，而产品焊接的层数为7～8层，主要原因是:焊接工艺评定时，施工单位为获得良好的评定结果，选用小电流，因此层数多;而产品焊接时，工人为了追求效率，采用大电流，因此层数少。由于监理的质疑得不到完美的答复，最终管理方、监理、设计方开会决定对内环板套筒的焊接做一个额外的整体拉伸试验。试验结果是断裂在母材上，从而证明了焊缝的强度满足设计要求(见图2)。

图1 GEWI钢筋

图2 母材断裂

海南昌江核电1号岛环吊导轨安装中，也出现产品焊接层数与焊接工艺评定层数不一样的类似问题。因为产品是对接焊缝，最终管理方、监理、设计方开会决定补做一个见证件并进行力学性能试验，最终结果是焊接工艺评定的抗拉强度为570 MPa，产品见证件的抗拉强度为560 MPa，虽然有所下降，但大于设计强度520 MPa的要求，两者区别不大。

4.2 焊接顺序对焊接质量的影响

方家山核电反应堆厂房环形吊车钢牛腿(以下简称“牛腿”)位于安全壳第11段钢衬里上，每个牛腿由厚度为 δ=20 mm、25 mm、30 mm、50 mm、60 mm的20HR钢板和直径为25 mm、32 mm、40 mm的Ⅲ级螺纹钢筋焊接而成，36个牛腿结构完全相同。牛腿是反应堆厂房的重要部件，在安装过程中，施工单位要上报施工方案。其中一个接头形式如图3所示，根据焊接工艺评定、焊接工艺卡、施工方案的要求，此接头的焊接是先焊一面的1道焊缝，再焊另一面的第2道焊缝，然后依次两面交替焊接。但在实际产品焊接时，这个焊口基本上是在整个构件快完成时才焊，由于焊完一面后，如果保证焊工的焊接位置与可达，牛腿构件必须翻转180°，单个牛腿重 2.472 5 t，翻转困难，因此焊工是焊完一面的全部焊缝，再翻转180°焊完另一面的全部焊缝，这样与焊接工艺评定、焊接工艺卡、施工方案的要求产生了差异。最终由管理方、监理、设计方开会决定做一个见证件对比试验。试验结果显示:按照焊接工艺评定顺序完成的该部位的见证件抗拉强度为590 MPa，而按照实际产品焊接顺序的产品见证件抗拉强度为540 MPa，都大于设计520 MPa的强度要求。最终同意了施工单位的实际产品焊接顺序。对于大的厚件产品而言，焊接顺序的改变会在一定范围内影响力学性能。因此在国标GB 50661－2011钢结构焊接规范中明确规定:“对接接头、T型接头和十字接头，在工件放置条件允许或易于翻转的情况下，宜双面对称焊接(第7.11.2 条)。”

4.3 焊接热影响区对焊接质量的影响

图3 牛腿的接头形式

由于焊接热影响区的残余应力、晶体结构不明确，对焊缝最终质量的影响也不明确。一般认为多次在同一部位施焊导致母材热影响区的热应变脆化，对结构安全有不利影响;对于奥氏体不锈钢增加了在敏化温度区的停留时间，对晶间腐蚀产生不利影响。一般情况下，在热影响区进行补焊或返修时，应先做补焊工艺评定。在无补焊工艺评定的情况下，设备建造中遇到焊缝返修时，焊缝返修前需先采用机械方法将焊缝热影响区清除干净，再进行焊接。但实际的焊接生产中总是有一些焊接热影响区去除不干净或无法去除的情况。这就需要具体情况具体分析，对于大厚度构件和不锈钢构件来说应慎重考虑。

福清1、2号核电站项目中燃料格架(该设备材质为不锈钢)的制造过程中，因工人操作失误，需割去一部分已焊部件，但由于尺寸要求，再次焊接时不可避免的在热影响区上焊接。由于时间紧，补焊工艺评定来不及做，设计给出意见，需要同时做一个见证件，试验包括力学性能和晶间腐蚀试验。最终试验结果满足设计要求，该设备通过验收。

5 结论

焊接是核设备和核电站的建造过程中一个重要的建造技术，焊接的质量控制涉及到产品最终质量和安全，作为一种特种工艺，规范和标准不一定囊括了现场生产的全部情况，对于焊接工艺中的非重要变量的控制，一般情况下是可以不予考虑的，但对于重要构件如果超出了各类人员特别是设计人员的控制范围，通常情况下，可以要求生产单位在相同条件下做见证件，以见证件试验的数据来说明产品的质量。

［1］RCC－M压水堆核岛机械设备制造与设计规范 第Ⅳ卷 S篇《焊接》，2007版［S］.

［2］ASME锅炉及压力容器规范第Ⅸ卷《焊接和钎焊评定标准》，2004 版［S］.

［3］GB 50661 －2011，钢结构焊接规范［S］.