核電站中鋼制安全殼焊接質量控制研究

沙維，馮軍濤，萬小蘭

（山東核電設備制造有限公司，山東海陽，265118）

核電站中鋼制安全殼焊接質量控制研究

沙維，馮軍濤，萬小蘭

（山東核電設備制造有限公司，山東海陽，265118）

通過對某新型壓水堆核電廠鋼制安全殼生產工藝的介紹，了解制造過程中易發(fā)生、難控制的生產細節(jié)。通過有效的質量質控過程，強化產品質量，滿足了鋼制安全殼的設計功能。

鋼制安全殼；質量控制；焊接；裂紋；熱輸入量

引言

核電用鋼制安全殼是民用核電發(fā)展新理念設計的核心之一。鋼制安全殼是縱深防御理念的最后一道屏障，能夠有效控制放射性物質，使其與自然界隔離，保證了核電站周邊在事故工況下的人身安全。鋼制安全殼由上下封頭及3個筒體環(huán)段組成，共由260塊SA-738 Gr.B鋼板拼焊而成，焊接長度4648 m。鋼制安全殼的安裝工作集中在焊接工序上，其過程質量控制是施工重點。

本文將從鋼制安全殼焊接工藝流程入手，分析質量問題產生的原因，進而提出相關質控措施和改進建議等。

1 板材焊接工藝流程控制

板材焊接的工藝流程有嚴格的控制，具體要經過：定位方鐵劃線、焊接——板外側機械加固——坡口清理——外測預熱、定位焊——坡口清理——焊前控制——母材預熱、內側分段退焊3層焊道——外測氣刨清根——無損檢驗（VT、PT檢測）——母材預熱、外測分段退焊——母材預熱、內側填充蓋面——無損檢驗控制——焊后質量檢測與測量［1］。

1.1焊接圖紙與標準規(guī)定

在設計中，要嚴格遵守制造標準。鋼制安全殼設計、制造標準采用ASME III卷NE分卷的2001版（含2002補遺），焊接采用ASME IX卷2001版（含2002補遺）。

選擇母材、焊材時，需要有質量控制。一般板材壁厚41.3 mm、44.5 mm（以下默認以41.3 mm舉例）兩個類別，由于焊縫厚度較大，焊縫采用雙面單V非等邊坡口，坡口角度30°±2.5°，鋼制安全殼內側坡口深度27.5 mm±1.5 mm，鈍邊0 mm-2 mm，詳見圖1所示。

圖1　焊接坡口圖

焊接材料采用傳統的手弧焊接，焊接材料選用堿性藥皮焊條（規(guī)格Φ3.2、Φ4.0），焊材牌號E9018-G-H4，化學成分見表1所示。

表1　E9018的化學成分（質量分數，%）

1.2焊接工藝控制

焊接最小預熱溫度100°C，最大層間溫度200°C。運弧方式采用橫擺焊，橫擺范圍≤3倍焊條直徑，層間打磨采用機械式清理。

最大熱輸入量為44.8 kJ/cm，焊后進行熱處理消除焊接應力（板厚＜44 mm時無需熱處理）［2］。

2 制造過程的質量控制關鍵環(huán)節(jié)

核電用鋼制安全殼制造過程質量控制采用精細化管理，“一次做對、持續(xù)改進”的質控原則，提倡事前控制。施工過程中，有專職質量控制人員負責跟蹤、見證、認可、放行，保證產品質量滿足設計要求［3］。

2.1外測預熱、板材定位焊質量控制

板材定位焊的預熱采用可燃氣體加熱的方式，定位長度為100 mm～150 mm左右，間隔200 mm～300 mm。

該焊點將在內側分段退焊3層焊道工序步驟后被碳弧氣刨工序清除。在首次VT、PT檢驗時發(fā)現多條焊縫坡口兩側出現圓形顯示。

根據返修通知單描述的缺陷位置，進行數據的統計，利用散點分布圖的分析尋找缺陷產生的規(guī)律。發(fā)現缺陷集中分布在間隔400 mm～420 mm外測坡口兩側。

由數據可知，產生該缺陷直接原因為碳弧氣刨不徹底，導致定位焊點殘留。根本原因在于定位焊前，預熱溫度不足且定位焊起弧點位置集中，造成焊接缺陷的產生。

質量控制人員采用接觸式點溫計，測量待焊表面50 mm范圍內溫度變化（100℃～200℃），降低氣孔的產生條件。同時，對定位焊位置做標示，便于在氣刨工序中重點修磨起弧位置，消除密集氣孔［4］。

2.2焊前控制

鋼制安全殼拼焊采用堿性藥皮焊條E9018-GH4，其屈服強度（2%）530 MPa；母材SA -738 Gr.B的屈服強度（2%）415 MPa。二者由于強度匹配及板厚、坡口形式等原因，焊接時存在一定的淬硬影響，應重點控制根部焊接，避免根部裂紋的產生。焊前應嚴格控制焊條烘干溫度、恒溫時間。烘干箱內焊材疊放厚度不超過3層，以免在烘干時受熱不均，潮氣不易排除，產生缺陷。

2.3母材預熱、內側分段退焊3層焊道控制

在核電制造、安裝行業(yè)內，焊接屬特殊工藝，對焊接工藝評定、焊接過程的控制尤為嚴格。依照ASME III卷NE分卷2001版（含2002補遺）的要求，鋼制安全殼焊接工藝需滿足相應的沖擊試驗數值。按照ASME IX卷焊接要求，焊接過程中需控制焊接線能量不超過工藝試驗值（試驗值為最大熱輸入量為44.8 kJ/cm）。

施工過程中，焊工在焊接坡口外側第3層焊道時，發(fā)現坡口填充最大寬度26 mm，如采用雙焊道填充焊道較窄，不易施焊及過程清理困難，故采用單道焊填充。上述問題違背工藝橫擺范圍≤3倍焊條直徑的限定。焊道超寬這種情況，在ASME IX卷的標準下，屬非重要變數范圍內，被認為是可以被接受的。但該焊縫間接超出標準了關于熱輸入量（重要變素）的要求。

ASME IX卷標準規(guī)定，單位焊縫長度內熔敷焊縫金屬體積的增加不能超過評定值的規(guī)定。質控及相關人員在現場開展工藝附件試驗，確定擺動寬度推薦值和成形焊縫尺寸（寬度）上限值，優(yōu)化工藝參數。

2.4外測氣刨清根

板材在內側分段退焊3層焊道后，在焊縫外側采用碳弧氣刨工藝清除打底焊層。碳弧氣刨的施工質量直接決定現場返修概率。施工過程中，打底焊層清理較淺（打底焊道有殘留）或未能清除焊道中心軸線上的打底焊層，必會造成焊接缺陷（氣孔、未熔合、夾渣）的殘留，使最終的RT檢驗不合格，開啟焊接返修工作，降低產品合格率。

碳弧氣刨去除的打底焊層不宜過深。在結構應力較大的區(qū)域，剩余的熔敷金屬厚度過少，將造成打底層開裂的質量問題。

碳弧氣刨過程中，質控人員使用錯邊量萬用量規(guī)，監(jiān)測剩余的熔敷金屬厚度不少于4 mm。這個厚度既能保證焊接質量，也能預留一定的機械清理余量［5］。

3 結束語

綜合本文所述，要做好施工過程中的質量管理工作，需要依照程序、規(guī)范的要求，對施工過程中人、機、料、法、環(huán)、測等六大要素進行控制，更需要質量管理人員具備專業(yè)技術知識、統計管理技能的同時，適應現場實際工作狀態(tài)，因地制宜、實事求是地建立質量控制要求，依靠卓越的品質，帶來經濟效益。

［1］ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范. 第III卷“核電廠部件建造規(guī)則，MC級部件”， 第1冊， NE分卷［S］.

［2］ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范. 第IX卷.“焊接和釬焊評定標準”［S］.

［3］ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范. 第II卷.“材料，A篇 鐵基材料”［S］.

［4］ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范. 第II卷.“材料，C篇 焊條、焊絲及填充材料”［S］.

［5］約瑟夫·M·朱蘭. 朱蘭質量手冊: 第5版［M］. 北京: 中國人民大學出版社， 2003.

沙維（1984-），男，大學本科，畢業(yè)于長春工程學院，材料成型及控制工程專業(yè)，從事質量控制工作。

E-mail: shawei2006u@163.com

馮軍濤（1982-），男，大學本科，畢業(yè)于山東建筑大學，電氣自動化專業(yè)，從事質量控制工作。

E-mail: fjt-008@163.com

萬小蘭（1972-），女，專科，畢業(yè)于西南科技大學，機電一體化專業(yè)，從事質量控制工作。

E-mail: wanxiaolan@mail.snpemc.com

Research on Quality Control of Steel CV Welding

Wei Sha， Juntao Feng， Xiaolan Wan（Shandong Nuclear Equipment Manufacture Co.， Ltd.， Haiyang， Shandong， 265118， China）

Understanding the production detail which is easy to happen and difficult to control during manufacturing process through introduction of the new type pressurized water reactor nuclear power plant production process of steel safety shell. Product quality is enhanced to meet the design requirement via the effective quality control process.

CV； Quality Control； Welding； Crack； Heat Input

TL372+.3

A

2095-8412 （2016） 04-772-03

工業(yè)技術創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.052