壓水堆核級承壓容器缺陷返修技術(shù)

鄭東宏，王志強(qiáng)，王 勇，王江濤，褚 爭

(國核工程有限公司，山東海陽 265116)

0 引言

壓水堆核級承壓容器主要承擔(dān)核能與熱能之間的轉(zhuǎn)換，執(zhí)行放射性物質(zhì)包容的安全功能，構(gòu)成了一回路的壓力邊界;或是構(gòu)成專設(shè)安全設(shè)施的重要組成部分，在事故工況下能緩解事故，確保反應(yīng)堆的安全停堆功能和余熱排出功能［1－2］。核級承壓容器主要包括反應(yīng)堆壓力容器、主管道、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵泵殼、堆芯補(bǔ)水箱以及安注箱等［3］，可按照核安全分級要求，采用 ASME《鍋爐與壓力容器規(guī)范》B＆PVC第Ⅲ卷［4］中各分卷NB，NC，ND的要求進(jìn)行建造;在投產(chǎn)運(yùn)行過程中，可根據(jù)ASME B＆PVC第Ⅺ卷［5］的要求進(jìn)行在役檢查。

在高溫高壓或中子輻照作用下，為了確保承壓容器能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，對其材質(zhì)和焊接性能要求非常高，對在建造階段和在役檢查階段所發(fā)現(xiàn)的缺陷需要及時(shí)進(jìn)行評估和返修。文中根據(jù)2007版ASME B＆PVC規(guī)范，對核安全1級NB，2級NC，3級ND承壓容器的材質(zhì)及其焊縫缺陷的返修技術(shù)進(jìn)行了分析和討論，為我國核級承壓容器的缺陷返修工藝提供技術(shù)參考。

1 材料缺陷返修

1.1 核級承壓容器材質(zhì)

核級承壓容器材質(zhì)較為單一和固定，主要有低合金鋼、奧氏體不銹鋼、鎳基合金等。

核級承壓容器用鋼最初采用C－Mn鋼(如SA－212B)，在整個(gè)反應(yīng)堆服役期內(nèi)沒有足夠的韌性，隨后發(fā)展為 Mn－Mo鋼(如 ASME SA－302B)，以及目前廣泛使用的Mn－Ni－Mo鋼(如ASME SA－533 Type B Class 2，SA －508 Grade 3 Class 1)，低合金鋼也由最初的軋制鋼板發(fā)展為鍛件板。SA－508 Grade 3 Class 1用于反應(yīng)堆壓力容器筒體區(qū)、封頭區(qū)及冷熱管嘴接頭;SA－508 Grade 3 Class 2用于蒸汽發(fā)生器一回路流體進(jìn)出口管嘴和傳熱管管板，以及穩(wěn)壓器本體和波動(dòng)管管嘴。

奧氏體不銹鋼已由最初的Cr－Ni合金304發(fā)展為目前廣泛使用的Cr－Ni－Mo合金316和Cr－Ni－Mo－N合金316LN，奧氏體不銹鋼管道也由最初的軋制和鑄造成型發(fā)展為鍛造成型，如SA－376 TP316LN和SA－312 TP316LN分別用于冷熱管道和波動(dòng)管;鑄件不銹鋼則主要用于幾何形狀復(fù)雜的部件，如SA－351 Grade CF8A不銹鋼用于主泵泵殼。在反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器及穩(wěn)壓器等低合金鋼潤濕表面上堆焊奧氏體不銹鋼309L，308L。

壓力邊界鎳基合金用鋼已由最初的600合金發(fā)展為目前廣泛使用的690合金，例如SB－163 UNS N06690，SB－166 UNS N06690和 SB－564 UNS N06690，用于蒸汽發(fā)生器的傳熱管、傳熱管管板耐蝕層、一回路進(jìn)出封頭的隔板耐蝕層、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、儀表管、堆芯支撐等部件中，也用于低合金鋼管嘴與奧氏體不銹鋼安全端的焊接過渡帶中。

1.2 材料缺陷返修

與非核級承壓容器相比，核級承壓容器材質(zhì)有更高的化學(xué)成分要求、更嚴(yán)格的力學(xué)性能驗(yàn)收試驗(yàn)要求和無損檢驗(yàn)要求;同時(shí)注重過程控制，其質(zhì)保要求延伸到材料供貨方(包括制造商和供應(yīng)商)。材料供貨方需根據(jù)B＆PVC第Ⅲ卷第1冊NCA－3800核級承壓材料質(zhì)保和質(zhì)控的管理性規(guī)定要求，建立質(zhì)量體系大綱，并經(jīng)ASME認(rèn)證持有材料質(zhì)量體系證書QSC，或經(jīng)N證持有者評定。材料生產(chǎn)過程中要遵循相應(yīng)的質(zhì)保和質(zhì)控要求，并提供相應(yīng)的材料試驗(yàn)合格鑒定證書(CMTR)等。

根據(jù)NCA－3800材料供貨方的質(zhì)量體系大綱要求，對于沒有建立質(zhì)量體系大綱、未經(jīng)ASME認(rèn)證持有材料質(zhì)量體系證書QSC，或未經(jīng)N證持有者評定的原材料，如果因缺陷的存在而采用焊接的形式進(jìn)行返修或者焊接填充，則不允許在核級承壓容器母材中使用(NCA－3855.5);對于建立質(zhì)量體系大綱，經(jīng)ASME認(rèn)證持有材料質(zhì)量體系證書QSC，或經(jīng)N證持有者評定的材料和原材料，在滿足材料規(guī)范要求和B＆PVC第Ⅲ卷的要求的基礎(chǔ)上，允許對原材料或材料進(jìn)行焊接返修，但在焊接返修前，材料供貨方應(yīng)首先征得N證持有者的同意。材料供貨方需要對焊接返修工作進(jìn)行質(zhì)量控制(NCA－3830)，開啟不符合項(xiàng)對于材料返修處理進(jìn)行評估、記錄、重新檢驗(yàn)(NCA－3858.5)，返修所用的焊接材料需要控制(NCA－3855.1)，焊接工藝和焊工技能需根據(jù)B＆PVC第Ⅸ卷［6］和B＆PVC第Ⅲ卷的要求進(jìn)行評定和記錄(NCA－3857.3)，詳細(xì)記錄焊接返修等局部處理工藝，并建立原材料或材料的識(shí)別和追蹤措施，確保只有正確的或合格的原材料或材料用于核級承壓容器的建造過程中(NCA－3856.1)，材料供貨方在提交的材料試驗(yàn)合格鑒定證書(CMTR)中，應(yīng)包括材料的焊接返修報(bào)告、確認(rèn)返修質(zhì)量的射線檢測照片以及焊縫返修后的焊后熱處理的次數(shù)和溫度等(NCA－3862.1)。

核級承壓容器建造過程中相關(guān)的材料規(guī)范主要來自于B＆PVC第Ⅱ卷［7］、第Ⅲ卷第1冊中的NCA、以及第Ⅲ卷 NX－2000(文中 NX指 NB，NC，ND)。NX－2000是不同核安全級別下材料的具體使用規(guī)范，起主導(dǎo)作用，優(yōu)先于B＆PVC第Ⅱ卷中的相應(yīng)材質(zhì)的要求。

在NX－2500中，對承壓材料的無損檢驗(yàn)和修補(bǔ)進(jìn)行了規(guī)定，其中NX－2530是對板材的無損檢驗(yàn)和修補(bǔ);NX－2540是對鍛件和棒材的無損檢驗(yàn)和修補(bǔ)要求;NX－2550是對無縫和無填充金屬焊接的管件及配件的無損檢驗(yàn)和修補(bǔ)要求;NX－2560是對于有填充金屬焊接的管件及配件的無損檢驗(yàn)和修補(bǔ)要求;NX－2570是對于靜態(tài)澆筑鑄件和離心澆筑鑄件的無損檢驗(yàn)和修補(bǔ)要求。

材料缺陷返修工藝主要為:

(1)根據(jù) NX －2530，NX －2540，NX －2550，NX－2560以及NX－2570中相應(yīng)的無損檢驗(yàn)要求進(jìn)行檢驗(yàn)，有液體滲透、磁粉、超聲、射線、渦流等檢驗(yàn)方法。

(2)不滿足無損檢驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的材料缺陷，采用機(jī)械切削、熱切割、刨削等方法清除缺陷。熱切割時(shí)，需對材料進(jìn)行預(yù)熱。

(3)缺陷清除后，凹坑表面應(yīng)與周圍材料的表面進(jìn)行光滑過渡。

(4)凹坑處采用液體滲透、磁粉或采用發(fā)現(xiàn)該缺陷所采用的原無損檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢測，以確保缺陷已被清除或減小到可接受的范圍。

(5)如果材料的最小截面厚度不滿足NX－3000中所要求的最小厚度時(shí)，則需要進(jìn)行焊接修補(bǔ)。對于板材，其最大修補(bǔ)深度不得超過材料名義厚度的1/3;對于鍛件、棒材和鑄件，修補(bǔ)深度不受限制;對于銅基合金、鎳基合金換熱器傳熱管束，不允許進(jìn)行焊接修補(bǔ)。

(6)焊接修補(bǔ)過程中，根據(jù)B＆PVC第Ⅸ卷和NX－4000的要求，對焊接填充材料進(jìn)行控制，對焊接工藝和焊工技能進(jìn)行評定，并根據(jù)相應(yīng)的焊接工藝規(guī)程(WPS)實(shí)施焊接修補(bǔ)。對于填充金屬焊接的管件和配件中的焊縫缺陷，應(yīng)按NX－4450的要求進(jìn)行返修。

(7)焊接修補(bǔ)后，對修補(bǔ)后的表面進(jìn)行修整，保證與周圍表面平滑過渡。

(8)焊接修補(bǔ)后，進(jìn)行相應(yīng)的表面型和體積型無損檢測。對于板材，當(dāng)修補(bǔ)深度超過10 mm或截面厚度的10%時(shí)(取小值)，需根據(jù)NX－5110和NX－5320的要求進(jìn)行射線檢測和驗(yàn)收。對于鐵素體鍛件，采用超聲法進(jìn)行返修后的無損檢驗(yàn)。

(9)根據(jù)材料規(guī)范要求和NX－4620的要求，進(jìn)行相應(yīng)的修補(bǔ)后熱處理。

(10)當(dāng)修補(bǔ)深度超過10 mm或截面厚度的10%時(shí)(取小值)，在材料試驗(yàn)合格鑒定證書(CMTR)中對材料的缺陷進(jìn)行記錄并提供修補(bǔ)報(bào)告，包括修補(bǔ)凹坑位置、尺寸、焊接材料、焊接工藝、熱處理及無損檢驗(yàn)報(bào)告(包括射線照片)等。

2 焊縫缺陷返修

2.1 焊接結(jié)構(gòu)

核級承壓容器的焊接結(jié)構(gòu)形式，主要有以下3類。

(1)同種材料的焊接。

反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器等承壓容器本體的焊接，均為低合金鋼之間的焊接;而冷段和熱段主管道、穩(wěn)壓器波動(dòng)管的焊接為奧氏體不銹鋼之間的焊接。焊接坡口已由最初的寬間隙坡口發(fā)展為窄間隙坡口，如圖1所示。

圖1 同種材料間的窄間隙焊接示意

(2)異種材料的焊接。

異種材料之間的焊接，主要是承壓容器的安全端焊接。核級承壓容器本體材質(zhì)均為低合金鋼，而主管道均為奧氏體不銹鋼，需要將低合金鋼管嘴與不銹鋼管道在施工現(xiàn)場進(jìn)行焊接。一般地，在制造車間用鎳基合金填充金屬將低合金鋼管嘴進(jìn)行堆焊，再將堆焊的鎳基合金端與不銹鋼管道安全端用鎳基合金填充金屬進(jìn)行對接焊，然后在施工現(xiàn)場再將不銹鋼安全端與不銹鋼管道進(jìn)行焊接，如圖2所示。

圖2 安全端焊接示意

(3)耐蝕層的焊接。

為了減少腐蝕產(chǎn)物的形成，一般在低合金鋼表面內(nèi)敷不銹鋼層309L/308L，在蒸汽發(fā)生器傳熱管管板及進(jìn)出口封頭處的耐蝕層材質(zhì)為鎳基Ni－Cr－Fe合金，如圖3所示。

圖3 耐蝕層焊接示意

2.2 建造階段的焊縫返修

只有N，NPT，NA，NV證(包括證書和鋼印)持有者，以及NS證(僅有證書)持有者才能進(jìn)行核級承壓容器建造。在建造過程中，需要根據(jù)B＆PVC第Ⅲ卷各分卷NB，NC，ND的要求進(jìn)行建造，采用 10CFR50 附錄 B［10］、10CFR21［11］、ASME NQA －1［12］以及第Ⅲ卷中的 NCA －4000 的質(zhì)保要求進(jìn)行質(zhì)量控制。核級承壓容器在建造過程中，不僅需要業(yè)主方或采購方進(jìn)行選點(diǎn)質(zhì)量控制，而且需要授權(quán)核檢驗(yàn)師ANI的質(zhì)量控制。

DP-ER系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有備份保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)生故障，系統(tǒng)無法進(jìn)行保護(hù)功能或保護(hù)功能執(zhí)行后仍不能解除故障時(shí)，此時(shí)應(yīng)利用備份保護(hù)功能，隔離故障系統(tǒng)或組件。在備份保護(hù)系統(tǒng)執(zhí)行后，新的冗余組件滿足系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)要求。設(shè)總的發(fā)電機(jī)數(shù)為n臺(tái)，假定1臺(tái)備用發(fā)電機(jī)發(fā)生故障無法啟動(dòng)，這意味著可用的備用發(fā)電機(jī)數(shù)將少1臺(tái)為n-1，此時(shí)剩余的可用備用發(fā)電機(jī)仍應(yīng)滿足系統(tǒng)的供電要求，即n-1原則。

在NX－4000中，對承壓容器的制造和安裝要求進(jìn)行了規(guī)定，其中NX－4100是制造和安裝的通用要求;NX－4200是對成形、裝配和對中的要求;NX－4300是對焊接工藝評定的要求;NX－4400是對焊接、焊接檢查、返修的要求;NX－4500是對釬焊的要求;NX－4600是對熱處理的要求;NX－4700是對機(jī)械連接件的要求;NC/ND－4800是對膨脹節(jié)的制造和安裝要求。制造階段的焊接缺陷返修工藝，主要遵循NX－4450的要求。焊縫缺陷的返修工藝主要為:

(1)根據(jù)NX－5000無損檢驗(yàn)要求，或NX－6000的試驗(yàn)要求，對于檢測到的焊縫缺陷，需要進(jìn)行清除或焊接返修。

(2)如果焊縫缺陷清除后，剩余截面滿足NX－3000的最小厚度要求，則無需進(jìn)行焊接返修;缺陷可采用打磨或機(jī)加工的方法進(jìn)行清除，但需要將凹坑表面與周圍表面進(jìn)行光滑過渡，然后根據(jù)NX－5110的要求進(jìn)行液體滲透或磁粉檢驗(yàn)，按NX－5300的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收，并采用發(fā)現(xiàn)該缺陷的原無損檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)，確保缺陷已被完全清除或已減少到可接受的范圍內(nèi)。

(3)如果焊縫缺陷清除后，剩余截面不能滿足NX－3000的最小厚度要求，則需要進(jìn)行焊接返修。缺陷可采用打磨、機(jī)加工或熱刨的方法進(jìn)行清除，并根據(jù)NX－5110的要求進(jìn)行液體滲透或磁粉檢驗(yàn)，按NX－5300的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收。當(dāng)需要去除焊縫的全厚度截面時(shí)，且當(dāng)接頭背面不可達(dá)而無法去除液體滲透或磁粉檢驗(yàn)介質(zhì)時(shí)，則不需要進(jìn)行液體滲透或磁粉檢驗(yàn)。

(4)焊接返修工作需要根據(jù)NX－4125和NX－4300的要求，進(jìn)行焊接材料評定、焊接工藝和焊工技能評定。

(5)焊接返修完成后，需要對焊接返修區(qū)域進(jìn)行光滑過渡。

(6)焊接返修后需要按照原始焊縫的無損檢驗(yàn)要求進(jìn)行重新檢驗(yàn)。當(dāng)該缺陷是采用液體滲透或磁粉發(fā)現(xiàn)的，或當(dāng)該缺陷返修深度不超過10 mm或截面厚度的10%時(shí)(取小值)，可用液體滲透和磁粉進(jìn)行檢驗(yàn)。對于P－No.1和P－No.3材質(zhì)的A類和B類焊縫焊接缺陷返修，之前已用射線進(jìn)行檢驗(yàn)且滿足驗(yàn)收要求，但由于結(jié)構(gòu)位置的限制，返修后可用B＆PVC第V卷第5章的超聲檢驗(yàn)來代替射線檢驗(yàn)，并用NX－5330的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收。

(7)對于焊接返修區(qū)域，根據(jù)NX－4620的要求進(jìn)行焊后熱處理。

2.3 運(yùn)行階段的焊縫返修

壓水堆核電機(jī)組運(yùn)行階段的在役檢查可根據(jù)B＆PVC第Ⅺ卷第1冊輕水冷卻堆部件的檢驗(yàn)和試驗(yàn)要求來進(jìn)行。核安全1級承壓容器的在役檢驗(yàn)可根據(jù)IWA－2000和IWB－2000的要求進(jìn)行，核安全2級承壓容器的在役檢驗(yàn)可根據(jù)IWA－2000和IWC－2000的要求來進(jìn)行，核安全3級承壓容器的在役檢驗(yàn)可根據(jù)IWA－2000和IWD－2000的要求來進(jìn)行，對于不同核安全級別下承壓容器的支撐的在役檢驗(yàn)可根據(jù)IWA－2000和IWF－2000的要求來進(jìn)行;與其相應(yīng)的在役檢驗(yàn)結(jié)果，可根據(jù) IWA －3000，IWB－3000，IWC－3000，IWD －3000，IWF－3000的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)來判斷，超過其驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的缺陷，需要根據(jù) IWA－4000的要求進(jìn)行返修或更換。

業(yè)主方需根據(jù)10CFR50及ASME NQA－1的第Ⅱ和Ⅲ部分編制質(zhì)量保證大綱;根據(jù)IWA－2200的要求，選擇合適的在役檢驗(yàn)方法;根據(jù)IWA －2300，SNT － TC －1A［13］和 ANSI/ASNT CP－189［14］的要求，進(jìn)行在役檢查人員的資質(zhì)評定工作;根據(jù)IWA－2400的要求，編制在役檢查大綱，對于檢查計(jì)劃、檢查間隔和周期等進(jìn)行詳細(xì)的安排，并要求有詳細(xì)的書面在役檢驗(yàn)規(guī)程、檢驗(yàn)結(jié)果記錄、檢驗(yàn)結(jié)果評估等;并根據(jù)IWA－4150的要求，編制返修或更換的質(zhì)保大綱，對于在役返修或更換的計(jì)劃和方法、返修所用的建造規(guī)范、預(yù)期壽命評估、可接受性的驗(yàn)證、焊接工藝評定、熱處理要求、材料試驗(yàn)和驗(yàn)收準(zhǔn)則以及授權(quán)核在役檢驗(yàn)師的檢查等進(jìn)行詳細(xì)的書面規(guī)定。

當(dāng)返修或更換的施工方不是業(yè)主方時(shí)，可根據(jù)IWA－4142，10CFR50附錄 B，NQA －1第Ⅱ和第Ⅲ部分，NCA－3800和NCA－4000的要求，編制返修或更換的質(zhì)保大綱。雖然返修或更換的施工方在進(jìn)行制造或安裝業(yè)主方所需的返修或更換的零配件等施工活動(dòng)時(shí)，不需要持有NA或NPT等資質(zhì)認(rèn)證或打鋼印，但一般地，返修或更換活動(dòng)由N，NA，NPT，NV等證書持有者進(jìn)行，或是美國國家鍋爐檢驗(yàn)委員會(huì)NBBI的“NR”證持有者進(jìn)行;返修或更換過程，需要授權(quán)核在役檢驗(yàn)師的見證或監(jiān)督。在役檢查階段的焊接缺陷返修工藝，主要遵循IWA－4400的要求，焊縫缺陷的返修工藝主要為:

(1)根據(jù) IWA －2000，IWB －2000，IWC －2000，IWD －2000，IWF－2000的無損檢驗(yàn)要求進(jìn)行在役檢驗(yàn)，與其相應(yīng)的在役檢驗(yàn)結(jié)果，可根據(jù)IWA －3000，IWB －3000，IWC －3000，IWD －3000，IWF－3000的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)判斷，超過其驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的缺陷，需要根據(jù)IWA－4000的要求進(jìn)行返修或更換。

(2)缺陷的去除，可采用機(jī)加工或熱加工的方法去除，將凹坑周圍表面光滑過渡，然后再采用發(fā)現(xiàn)該缺陷的原無損檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢測，以確保缺陷已被清除或減小到可接受的范圍。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可采用B＆PVC第Ⅺ卷 IWA－3000，IWB－3000，IWC－3000，IWD －3000，IWF－3000的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)來判斷，也可用原有的建造規(guī)范第Ⅲ卷中的各分卷NX －5000的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)來判斷。

(3)如果焊縫缺陷清除后，對于已減少到可接受范圍內(nèi)的缺陷、缺陷去除區(qū)域應(yīng)根據(jù)B＆PVC第Ⅺ卷或第Ⅲ卷進(jìn)行評估，并對其預(yù)期的在役壽命或需要再次返修或更換的周期進(jìn)行評估。對于剩余截面不能滿足最小厚度要求時(shí)，則需要進(jìn)行焊接返修。

(4)焊接返修前，需對缺陷去除區(qū)域進(jìn)行表面檢測。當(dāng)需要去除焊縫的全厚度截面時(shí)，或當(dāng)缺陷去除部分表面檢測不能進(jìn)行或得不到有意義的檢測結(jié)果時(shí)，或當(dāng)返修結(jié)束后采用發(fā)現(xiàn)該缺陷的原體積檢測方法時(shí)，可無需進(jìn)行返修前的表面檢測。

(5)焊接返修工作需要按業(yè)主的要求進(jìn)行，根據(jù)IWA－4440的要求，進(jìn)行焊接工藝及焊工焊接技能評定。

(6)焊接返修完成后，需要對焊接返修區(qū)域進(jìn)行光滑過渡。

(7)焊接返修后，需按照IWA－4520的要求，采用返修或更換計(jì)劃中所規(guī)定的建造規(guī)范第Ⅲ卷或第Ⅺ卷的要求進(jìn)行無損檢驗(yàn)。

(8)對焊接返修區(qū)域，根據(jù)返修或更換計(jì)劃中所規(guī)定的建造規(guī)范B＆PVC第Ⅲ卷或第Ⅺ卷的要求進(jìn)行焊后熱處理。

3 回火焊道返修技術(shù)

對于建造階段，在進(jìn)行焊后熱處理受限的情況下，可根據(jù)B＆PVC第Ⅲ卷NX－4622.7免除焊后熱處理強(qiáng)制性要求。對于核安全1級承壓容器，可根據(jù)NB－4622.9對同種材料、NB －4622.10對耐蝕層材料、NB－4622.11對異種材料的焊接缺陷返修，在采用回火焊道工藝的情況下，可免除焊后熱處理要求。在役檢查階段，在缺陷返修后的熱處理受限的情況下，可根據(jù)IWA－4620對同種材料、IWA－4630對異種材料、IWA－4640對耐蝕層材料的焊接缺陷返修，在采用回火焊道工藝的情況下，可免除焊后熱處理要求。在建造階段的這種回火焊道工藝，與在役檢查階段所廣泛使用的回火焊道焊接返修工藝是一樣的。

3.1 同種材料的回火焊道

對于核級承壓容器低合金鋼P(yáng)－No.3材質(zhì)，單個(gè)修補(bǔ)區(qū)域不超過65000 mm2，且深度不大于母材厚度的1/3(適用于建造階段)或1/2(適用于在役檢查階段)時(shí)，可采用回火焊道的技術(shù)免除焊后熱處理，進(jìn)行有限的焊接返修。

焊接工藝評定可根據(jù)B＆PVC第Ⅸ卷QW－290的要求，以及第Ⅲ卷NB－4622.9(適用于核安全1級承壓設(shè)備建造階段)，或第Ⅺ卷IWA－4623(適用于核級承壓容器在役檢查階段)的要求來進(jìn)行，其焊接工藝變素見第Ⅸ卷QW－290.4;評定試驗(yàn)件的材料應(yīng)與被返修的材料具有相同的P－No.值和組別號(hào);評定試驗(yàn)件要有足夠的熱處理時(shí)間，以覆蓋焊接返修工藝中所需的熱處理時(shí)間;評定試驗(yàn)件的焊接深度至少為實(shí)際返修缺陷深度的1/2，且不小于25 mm;評定試驗(yàn)件的厚度至少為其凹坑深度的2倍;評定試驗(yàn)件凹坑周圍的尺寸應(yīng)不小于試驗(yàn)件的厚度，且不小于150 mm;評定試驗(yàn)件的尺寸應(yīng)足夠大，便于切取如圖4所示的評定試樣，主要有彎曲、拉伸和夏比V形缺口試樣;評定試驗(yàn)件的焊接填充區(qū)和母材區(qū)的夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)值，均應(yīng)滿足建造規(guī)范或業(yè)主的要求，等于或低于返修焊縫最低服役溫度下母材的沖擊試驗(yàn)值。

采用手工電弧焊(SMAW)焊接工藝時(shí)，采用SFA－5.5中H4的低氫型焊條，打開焊條密封包裝后，應(yīng)放置在105～175℃恒溫箱中保存，暴露在大氣中的時(shí)間超過8 h，需要重新烘焙，當(dāng)再次暴露在大氣中的時(shí)間超過8 h，這些焊條則應(yīng)報(bào)廢。焊接過程中，在返修區(qū)周圍至少1.5倍的部件厚度或125 mm(取小值)的范圍內(nèi)進(jìn)行至少175℃的預(yù)熱，最高層間溫度不超過230℃。焊接時(shí)，首先采用2.5 mm直徑的焊條焊接第1層，打磨去除焊道凸起部分，使其平齊;用3 mm直徑的焊條焊接第2層;其余焊層可用不大于4 mm直徑的焊條進(jìn)行焊接，如圖5所示;完工的焊縫應(yīng)至少有一層焊縫加強(qiáng)層，然后再打磨去除加強(qiáng)層，使修補(bǔ)后的最終表面與返修區(qū)周圍的表面平齊。焊接完成后，且在P－No.3材料的焊縫返修后，焊縫區(qū)應(yīng)在230～290℃溫度下保溫至少4 h。在焊接前，對焊接區(qū)域進(jìn)行磁粉或液體滲透表面檢測;第1層打磨平齊后，進(jìn)行表面檢測;在完成焊縫返修后，應(yīng)將最后一層加工到與周圍表面基本齊平，在室溫下至少保持48 h以后進(jìn)行體積檢測和表面檢測。

圖4 評定試驗(yàn)件的切取位置

3.2 異種材料的回火焊道

對于核級承壓容器異種鋼之間的焊接返修，例如 P－No.8或 P－No.43材料與 P－No.1或 P－No.3的焊接返修，限于沿非鐵素體焊縫與鐵素體母材的熔合線的區(qū)域;缺陷去除后，留在原熔合線上的非鐵素體焊縫熔覆層不大于3 mm;缺陷深入鐵素體母材內(nèi)時(shí)，母材的修補(bǔ)深度不超過10 mm或母材厚度的1/2，修補(bǔ)表面不大于65000 mm2。

圖5 低合金鋼的回火焊道返修示意

采用手工電弧焊(SMAW)焊接工藝時(shí)，對于P－No.8材料與 P－No.1或 P－No.3材料的焊接，采用A －No.8的填充金屬;對于 P－No.8或P－No.43與 P－No.1或 P－No.3材料的焊接，采用F－No.43的填充金屬;打開焊條密封包裝后，應(yīng)放置在105～175℃恒溫箱中保存，暴露在大氣中的時(shí)間超過8 h，需要重新烘焙，當(dāng)再次暴露在大氣中的時(shí)間超過8 h，這些焊條則應(yīng)報(bào)廢。焊接過程中，在返修區(qū)周圍至少1.5倍的部件厚度或125 mm(取小值)的范圍內(nèi)進(jìn)行至少175℃的預(yù)熱，最高層間溫度不超過230℃。焊接時(shí)，首先采用2.5 mm直徑的焊條在鐵素體側(cè)焊接第1層，打磨去除焊道凸起部分，使其平齊;用3 mm直徑的焊條焊接第2層;其余焊層可用不大于4 mm直徑的焊條進(jìn)行焊接，如圖6所示;當(dāng)熔敷的焊縫金屬至少為5 mm后，焊接區(qū)應(yīng)保持在230～290℃范圍內(nèi)至少4 h;上述熱處理以后的剩余焊縫金屬的熔敷，應(yīng)在最低預(yù)熱溫度38℃和最高層間溫度175℃下進(jìn)行焊接。在焊接前，對焊接區(qū)域進(jìn)行磁粉或液體滲透表面檢測;熔敷焊縫金屬5 mm后進(jìn)行熱處理和表面檢測;在完成焊縫返修后，應(yīng)將最后一層加工到與周圍表面基本齊平，在室溫下至少保持48 h以后進(jìn)行體積檢測和表面檢測。

圖6 異種鋼的回火焊道返修

3.3 耐蝕層的回火焊道

對于核級承壓容器耐蝕層的焊接返修，例如P－No.1或 P－No.3母材上的 P－No.8或 PNo.43耐蝕層的焊接返修，限于缺陷去除后，鐵素體母材去除的深度應(yīng)取不大于6 mm或母材厚度的10%兩者中的較小值(適用于建造階段)，當(dāng)鐵素體材料去除深度在3 mm以內(nèi)時(shí)(適用于在役檢查階段)，對母材去除深度更大的區(qū)域，應(yīng)在完成耐蝕層修補(bǔ)前，按同種材料的焊縫返修工藝，修補(bǔ)到該區(qū)域的限定深度;任何單個(gè)補(bǔ)焊面積應(yīng)不大于65000 mm2。

焊接工藝評定試驗(yàn)件應(yīng)具有與被修補(bǔ)材料相同的P－No.值和組別號(hào)，評定試驗(yàn)件要有足夠的熱處理時(shí)間，以覆蓋焊接返修工藝中所需的熱處理時(shí)間。如果補(bǔ)焊涉及兩種不同P－No.值或組別號(hào)材料，則試驗(yàn)件應(yīng)重復(fù)組合。試驗(yàn)件尺寸至少為300 mm×300 mm×50 mm，耐蝕層面積至少為200 mm×200 mm。評定件應(yīng)按B＆PVC第Ⅸ卷的要求制作和試驗(yàn)，第Ⅸ卷中所述的耐蝕層彎曲試驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也可用于母材熱影響區(qū)HAZ。

采用手工電弧焊(SMAW)焊接工藝時(shí)，采用A－No.8填充金屬對P－No.8耐蝕層進(jìn)行焊接返修，或用F－No.43填充金屬對P－No.8或PNo.43的耐蝕層進(jìn)行焊接返修。打開焊條密封包裝后，應(yīng)放置在105～175℃恒溫箱中保存，暴露在大氣中的時(shí)間超過8 h，需要重新烘焙，當(dāng)再次暴露在大氣中的時(shí)間超過8 h，這些焊條則應(yīng)報(bào)廢。焊接過程中，在返修區(qū)周圍至少1.5倍的部件厚度或125 mm(取小值)的范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，并在焊接中維持175℃的最低溫度，最高層間溫度不超過230℃。焊接時(shí)，首先采用2.5 mm直徑的焊條在鐵素體上焊接第1層，打磨去除焊道凸起部分，使其平齊;用3 mm直徑的焊條焊接第2層;其余焊層可用不大于4 mm直徑的焊條進(jìn)行堆焊;對于P－No.3材料，當(dāng)焊接完成后或熔敷的焊縫金屬至少為5 mm后，焊接區(qū)應(yīng)保持在230～290℃范圍內(nèi)至少4 h;上述熱處理以后的剩余焊縫金屬的熔敷，應(yīng)在最高層間溫度175℃下進(jìn)行焊接。在焊接前，對焊接區(qū)域進(jìn)行磁粉或液體滲透表面檢測;在完成焊縫返修后，應(yīng)將最后一層加工到與周圍表面基本齊平，在室溫下至少保持48 h以后進(jìn)行體積檢測和表面檢測。

4 結(jié)語

壓水堆核級承壓容器所使用的材質(zhì)主要為低合金鋼、奧氏體不銹鋼和鎳基合金等，其焊接形式主要有低合金鋼之間的焊接、奧氏體不銹鋼之間的焊接、低合金鋼與奧氏體不銹鋼之間的焊接以及低合金鋼表面的奧氏體不銹鋼或鎳基合金耐蝕層的堆焊等。壓水堆核級承壓容器在建造過程中或在役檢查過程中，均會(huì)發(fā)現(xiàn)母材或焊縫的缺陷，需要進(jìn)行焊接返修工作。在高溫高壓或中子輻照作用下，對于材質(zhì)和焊接的焊接返修工作要求非常高，文中根據(jù)ASME B＆PVC規(guī)范的第Ⅲ卷和第Ⅺ卷，對于在建造階段和在役檢查階段中的核安全1級NB，2級NC，3級ND承壓容器的材質(zhì)及其焊縫缺陷的返修技術(shù)進(jìn)行了分析和歸納，并對免除焊后熱處理的回火焊道焊接返修技術(shù)進(jìn)行了分析和討論，為我國核級承壓容器的缺陷返修工藝提供技術(shù)參考。

［1］ 孫漢虹.第三代核電技術(shù) AP1000［M］.北京:中國電力出版社，2010.

［2］ 林誠格.非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000［M］.北京:原子能出版社，2008.

［3］ 遲秋立，姜元鋒，李媛.核電廠離心式設(shè)備冷卻水泵設(shè)計(jì)［J］.流體機(jī)械，2012，40(1):41 －45.

［4］ ASME，Boiler and Pressure Vessel Code Section Ⅲ，Division 1，Rules for Construction of Nuclear Facility Components［S］.2007.

［5］ ASME，Boiler and Pressure Vessel Code Section Ⅺ，Rules for Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components［S］.2007.

［6］ ASME，Boiler and Pressure Vessel Code Section Ⅸ，Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures，Welders，Brazers，and Welding and Brazing Operators［S］.2007.

［7］ ASME，Boiler and Pressure Vessel Code Section Ⅱ，Materials［S］.2007.

［8］ 鄭東宏，王志強(qiáng)，劉寶勇，等.ASME B＆PVC在核級承壓容器建造中的應(yīng)用［J］.壓力容器，2013，30(7):39－46.

［9］ ASME，Boiler and Pressure Vessel Code Section V，Nondestructive Examination［S］.2007.

［10］ USNRC，10CFR50 AppendⅨ B，Quality Assurance Criteria for Nuclear Power Plants and Fuel Processing Plants［S］.2007.

［11］ USNRC，10CFR21，Reporting of Defects and Noncompliance［S］.2005.

［12］ ASME，NQA －1，Quality Assurance Requirements for Nuclear Facility Applications［S］.1994.

［13］ SNT－TC－1A，Recommended Practice for Personnel Qualification and Certification in Nondestructive Testing［S］.1992.

［14］ ANSI/ASNT CP －189，ASNT Standard for Qualification and Certification of Nondestructive Testing Personnel［S］.2006.