無損檢測(cè)在某大型核電壓水堆模塊制造中的應(yīng)用

李守彬，趙 震

（山東核電設(shè)備制造有限公司，山東 海陽 265118）

0 概 述

在AP1000核電機(jī)組建造中，采用了工廠化預(yù)制和模塊化施工的建造理念，提高了安裝質(zhì)量，縮短了建設(shè)工期。在AP1000模塊制造的質(zhì)量控制中，除了執(zhí)行規(guī)程規(guī)范和QC人員的監(jiān)督檢查外，也有效實(shí)施了無損檢測(cè)方案。在模塊制造階段，通過無損檢測(cè)和質(zhì)量信息反饋，監(jiān)測(cè)了模塊結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的變化。無損檢測(cè)信息的反饋也對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量和生產(chǎn)質(zhì)量的改進(jìn)起著重要作用。

1 模塊結(jié)構(gòu)及焊接常見缺陷

1.1 設(shè)備模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與缺陷分析

設(shè)備模塊由管道、管道支架、泵等組成，如圖1所示。為了易于裝配，將其組裝成單元，建立了模塊化的制造形式。這些模塊中大部分管道支架的制作是在車間內(nèi)預(yù)制完成，對(duì)該類結(jié)構(gòu)的制作，需進(jìn)行預(yù)先檢測(cè)，以減輕現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的工作量。

圖1 模塊的典型結(jié)構(gòu)

支架以型鋼（方型剛、H型鋼）為主體結(jié)構(gòu)，用二氧化碳保護(hù)焊（以下簡(jiǎn)稱二保焊）及手工焊進(jìn)行焊接，這種支架結(jié)構(gòu)的焊縫，在實(shí)施無損檢測(cè)時(shí)往往受到諸多的制約因素：在進(jìn)行磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)時(shí)常常受到檢測(cè)空間的限制；在實(shí)施檢測(cè)前由于碳鋼易生銹、空間相對(duì)狹小的緣故，往往造成表面制備不符合檢測(cè)條件，造成檢測(cè)困難；在實(shí)施某大型模塊檢測(cè)時(shí)，上下橫梁之間跨度達(dá)3m，還需攜帶儀器與設(shè)備，給檢測(cè)造成不便，只能等模塊的位置翻轉(zhuǎn)后，才能進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)。

設(shè)備模塊的焊接方式主要為二保焊和手工焊，由于模塊的結(jié)構(gòu)主要為型鋼的組對(duì)，焊縫的長(zhǎng)度較短，在實(shí)施焊接時(shí)由于起收弧不當(dāng)、電流較小等因素，容易出現(xiàn)弧坑裂紋、未焊透、咬邊、氣孔等焊接缺陷；對(duì)于大型核級(jí)模塊中的中厚板二、三類鋼的焊接，需要進(jìn)行焊前預(yù)熱，其焊接質(zhì)量受到的影響因素更多，目前發(fā)現(xiàn)的主要是橫向裂紋、咬邊等焊接缺陷，圖2所示為典型的橫向裂紋缺陷。

圖2 典型的橫向裂紋

1.2 結(jié)構(gòu)模塊特點(diǎn)與缺陷分析

結(jié)構(gòu)模塊的組成形式，如圖3所示。這種模塊主要用于乏燃料貯存、傳輸、廢物收集和容納主回路介質(zhì)，結(jié)構(gòu)模塊一般由鋼板和型鋼及內(nèi)部混凝土構(gòu)成。鋼板和型鋼的組成結(jié)構(gòu)在車間預(yù)制，完成后再與現(xiàn)場(chǎng)管道、電纜托盤、小管、支架等進(jìn)行裝配。

圖3 結(jié)構(gòu)模塊典型結(jié)構(gòu)圖

在結(jié)構(gòu)模塊的制造連接方面，全部采用焊接方式連接成形，考慮到結(jié)構(gòu)模塊作為大型鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，采用的焊接方法應(yīng)兼顧成本與構(gòu)件的復(fù)雜程度，確保質(zhì)量要求。在車間預(yù)制過程中，主要采用手工焊和二保焊實(shí)施焊接，這兩種焊接方式的應(yīng)用較其他焊接方法更為廣泛。在施焊位置和氣體保護(hù)相對(duì)困難的情況下，手工電弧焊是焊接復(fù)雜件的通用方法，二保焊以低成本、高效率成為結(jié)構(gòu)模塊外部連接件的主要焊接方法。

在結(jié)構(gòu)模塊的實(shí)際焊縫檢測(cè)中，較為常見的缺陷主要有裂紋、氣孔、夾渣等，對(duì)于此類缺陷性質(zhì)的判斷以及缺陷產(chǎn)生的原因和防止措施，主要有幾個(gè)方面。

（1）結(jié)構(gòu)模塊焊縫中表面的氣孔缺陷主要通過表面滲透檢測(cè)和磁粉檢測(cè)檢出，其形成的主要原因是二保焊時(shí)由于焊絲清理不凈、保護(hù)氣體純度低等，對(duì)于手工焊氣孔缺陷則是由于焊條藥皮變質(zhì)脫落、電流過大或電弧過長(zhǎng)等原因造成的。進(jìn)行滲透檢測(cè)時(shí)，當(dāng)施加顯像劑后，氣孔缺陷處將形成中間顏色較深、邊緣較淺的圓形顯示。因該廠位于沿海地區(qū)，空氣濕度大，加之模塊鋼板從下料到投入裝配的周期較長(zhǎng)，所以，應(yīng)及時(shí)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行防銹處理，并做好領(lǐng)取焊條后的保溫和保護(hù)，加強(qiáng)坡口和焊縫兩側(cè)的清理。采用二保焊時(shí)，要經(jīng)常清理焊絲和焊嘴，并選用合適的電流、電弧電壓和焊接速度。

（2）有時(shí)因核電現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)工期緊張、結(jié)構(gòu)模塊急于出廠等原因，導(dǎo)致個(gè)別模塊的焊接速度過快，對(duì)被焊邊緣和各層焊縫間的雜質(zhì)清理不凈，造成夾渣缺陷的形成，其危害性類似于氣孔，使模塊的相關(guān)力學(xué)性能減弱，給模塊在各重要核級(jí)設(shè)備系統(tǒng)中的穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患，夾渣缺陷的檢出主要依靠超聲波檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)時(shí)超聲儀的波形顯示，可以對(duì)缺陷進(jìn)行定性判定。

（3）裂紋是結(jié)構(gòu)模塊所有缺陷中危害最大的一種缺陷，如圖4所示。這種缺陷除了降低模塊焊接接頭的強(qiáng)度外，還因裂紋的末端呈尖削的缺口狀，在模塊承載后引起應(yīng)力集中，成為結(jié)構(gòu)斷裂的起源。這種缺陷不管是在核電現(xiàn)場(chǎng)模塊的施工吊裝，還是核電站啟用后的承壓運(yùn)行，都將成為致命的質(zhì)量問題，而導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

圖4 結(jié)構(gòu)模塊中裂紋顯示

2 無損檢測(cè)技術(shù)在模塊制造中的應(yīng)用

2.1 無損檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)與難點(diǎn)

在模塊的無損檢測(cè)中，由于檢測(cè)方法自身的局限性，不能完全檢測(cè)所有的工件焊縫和所有缺陷。為了提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性，必須在檢測(cè)前，根據(jù)焊縫的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸，分析并預(yù)計(jì)可能產(chǎn)生的種類及各種形狀的缺陷，確定檢測(cè)的重點(diǎn)應(yīng)放在哪些部位。經(jīng)綜合分析后，選用正確的檢測(cè)方法才能是合理和經(jīng)濟(jì)的。根據(jù)車間模塊產(chǎn)品的規(guī)格、材料及焊接形式，目前采用的無損檢測(cè)方法是超聲波檢測(cè)（UT）、射線檢測(cè)（RT）、磁粉檢測(cè)（MT）與滲透檢測(cè)（PT），同時(shí)也編制了業(yè)主及采購方認(rèn)可的檢驗(yàn)規(guī)程，但在模塊產(chǎn)品檢測(cè)實(shí)施過程中也存在諸多難點(diǎn)。

對(duì)模塊的超聲波檢測(cè)中，因薄板對(duì)接焊縫、帶墊板對(duì)接焊縫、不等厚對(duì)接焊縫和管板斜對(duì)接焊縫等特殊焊縫形式對(duì)無損檢測(cè)人員專業(yè)技能要求較高，在初期的檢測(cè)中，會(huì)出現(xiàn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證、檢測(cè)速度慢等現(xiàn)象，但隨著對(duì)此類焊縫的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)的積累和檢測(cè)數(shù)據(jù)的不斷完善，為模塊的質(zhì)量控制提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 改進(jìn)工藝的作用

在實(shí)際檢測(cè)中，依據(jù)無損檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)，提出了多項(xiàng)技術(shù)和制造工藝優(yōu)化措施，為產(chǎn)品的順利制造提供了支持，現(xiàn)列舉幾例無損檢測(cè)在改進(jìn)生產(chǎn)工序中的具體作用。

（1）在對(duì)某CA結(jié)構(gòu)模塊的無損檢測(cè)過程中，由于其母材為雙相不銹鋼，對(duì)焊縫的檢測(cè)具有特殊性，前期焊縫打底檢測(cè)時(shí)，對(duì)多個(gè)子模塊檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)許多焊縫顯示有線性缺陷，共發(fā)布34份返修通知單，涉及50余道焊縫的返修，對(duì)于此信息反饋，經(jīng)有關(guān)人員協(xié)調(diào)和多次溝通，改進(jìn)了模塊的焊接工藝，最終通過改變雙面焊焊接順序，控制打底焊打磨深度等多種措施，徹底解決了該模塊的焊接缺陷問題，為現(xiàn)場(chǎng)該模塊的順利吊裝贏取了寶貴的時(shí)間。

（2）在某Q類設(shè)備模塊零件（如圖5所示）的超聲波檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙中為焊縫檢測(cè)所留空間（虛線與焊縫之間的部分）無法滿足超聲波檢測(cè)預(yù)留面L＝2.5 KT（L：掃查面K：探頭K 值，T：焊縫母材厚度）的技術(shù)要求［1］，經(jīng)與技術(shù)人員溝通，將生產(chǎn)工藝改為先進(jìn)行方板焊接，經(jīng)超聲波檢測(cè)后切除左下方多余部分，在不影響結(jié)構(gòu)裝配和焊接條件下滿足超聲波的檢測(cè)要求。

圖5 Q類設(shè)備模塊零件

（3）某R設(shè)備模塊吊裝吊耳的連接焊縫需要進(jìn)行超聲波檢測(cè)，吊耳零件如圖6所示，但中間的起吊圓孔會(huì)造成焊縫中間部分的漏檢，為了實(shí)現(xiàn)焊縫的100%檢測(cè)，保證該模塊的吊裝質(zhì)量和安全，經(jīng)協(xié)商，將工藝改為焊接后先進(jìn)行無損檢測(cè)，再進(jìn)行鉆孔，雖然給后續(xù)鉆孔工序帶來了極大的不便，但焊縫質(zhì)量得到了保證。

圖6 某R設(shè)備模塊的吊耳零件

2.3 提升產(chǎn)品質(zhì)量和信息反饋中的作用

在2010年～2012年，通過隨機(jī)取樣對(duì)無損檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共出具模塊返修單111份，涉及設(shè)備模塊Q類、KT類、R類返修單28份，結(jié)構(gòu)模塊CA類返修單83份，其中缺陷較為集中的為CA03模塊的PT檢測(cè)、Q601模塊的MT檢測(cè)等，在被檢測(cè)的材質(zhì)統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于S32101母材的焊縫，不管是PT檢測(cè)還是UT檢測(cè)，均出現(xiàn)了較多的返修現(xiàn)象，從而引起了焊接技術(shù)人員和質(zhì)量人員的重視，及時(shí)解決了該類問題后，最終使焊接質(zhì)量處于可控狀態(tài)。詳細(xì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 無損檢測(cè)返修取樣信息統(tǒng)計(jì)

通過無損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫缺陷后，及時(shí)下發(fā)返修通知單，QC和技術(shù)部門可以及時(shí)掌握產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)并分析解決問題，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量，確保了模塊產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度。

2.4 提升焊工施焊技能中的作用

在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量控制的同時(shí)，也通過無損檢測(cè)工作提升了焊工施焊技能水平，從根本上提高了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。在每次檢測(cè)過程中，通過檢測(cè)人員對(duì)缺陷的定性與定位，可以使實(shí)施焊接的焊工及時(shí)得到信息反饋，從焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)、焊縫清根打磨的深度、施焊角度等方面進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，不斷改進(jìn)施焊方法，經(jīng)過反復(fù)的質(zhì)量反饋與焊工總結(jié)，鍛煉出大批優(yōu)秀的焊工，為模塊的高質(zhì)量制造打下了基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語

AP1000設(shè)備制造過程中的無損檢測(cè)是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，從模塊的工藝試驗(yàn)與評(píng)定、以及產(chǎn)品的檢驗(yàn)，相比于其他同類鋼結(jié)構(gòu)焊接產(chǎn)品，對(duì)于無損檢測(cè)的比例、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)都提出了較高的要求。在近5年的模塊制造中，無損檢測(cè)工作為改進(jìn)工藝圖紙、提升產(chǎn)品質(zhì)量、質(zhì)量信息反饋、提升焊工技能水平等方面發(fā)揮了巨大的作用。