M310型壓水堆核電安裝工程焊材牌號(hào)評(píng)定

王浩政，林磉熙，劉金平，馬明豪

（1.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 福清項(xiàng)目部，福建 福清 350300；2.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司，北京 101300）

0 前言

焊接填充材料牌號(hào)評(píng)定（以下簡(jiǎn)稱：焊材評(píng)定）是民用核電安裝過程中選擇焊材品牌的過程，需按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)試驗(yàn)[1-3]。目前國(guó)內(nèi)M310型核電站安裝工程RCC-M級(jí)別設(shè)備、管道焊接所用焊材主要為國(guó)外進(jìn)口，焊材評(píng)定的試驗(yàn)結(jié)果直接關(guān)系到核電工程管道預(yù)制、安裝能否順利啟動(dòng)。

在生產(chǎn)制造階段，因標(biāo)準(zhǔn)的理解和試驗(yàn)設(shè)備、檢測(cè)方法方面的差異，安裝承包商進(jìn)行焊材評(píng)定時(shí)，化學(xué)分析、機(jī)械性能試驗(yàn)易產(chǎn)生問題。此外，國(guó)外進(jìn)口焊材采購周期長(zhǎng)，若焊材評(píng)定不合格，將導(dǎo)致核電工程管道預(yù)制、安裝工期的嚴(yán)重滯后[4-5]。因此，焊材評(píng)定是核電站安裝工程前期準(zhǔn)備工作的重中之重。

1 焊材評(píng)定目的

焊材評(píng)定為核電站安裝工程中碳鋼、低合金鋼、不銹鋼以及鎳基合金材質(zhì)的RCC-M規(guī)范級(jí)設(shè)備、管道在進(jìn)行承載焊縫、隔離層、堆焊層、密封焊縫和補(bǔ)焊焊縫焊接時(shí)焊材商標(biāo)品牌的選擇過程。

通過焊材評(píng)定確定核電站機(jī)械設(shè)備在安裝過中所使用的各類焊材工藝參數(shù)的有效范圍，如：母材的牌號(hào)與厚度、焊材規(guī)格、焊接方法、焊縫類型、焊接位置與方向、焊接參數(shù)、熱處理要求等。焊接工藝過程中，焊材的使用必須滿足焊材評(píng)定的有效范圍。

2 焊材評(píng)定的要求

M310型壓水堆核電安裝工程中焊材評(píng)定包括兩方面的內(nèi)容：（1）由焊材生產(chǎn)廠家負(fù)責(zé)的焊接材料的試驗(yàn)和熔敷金屬的試驗(yàn)；（2）由使用這些焊材的安裝承包商負(fù)責(zé)的標(biāo)準(zhǔn)試件的試驗(yàn)。

本文主要描述的是安裝承包商負(fù)責(zé)的標(biāo)準(zhǔn)試件的試驗(yàn)。安裝承包商應(yīng)編制焊材的采購技術(shù)文件，簡(jiǎn)稱“焊材采購技術(shù)規(guī)格書”，作為焊材生產(chǎn)廠家焊材生產(chǎn)制造的技術(shù)要求。該文件中須明確相關(guān)焊材的化學(xué)成分及力學(xué)性能的指標(biāo)，并確保其滿足RCCM S2000章填充材料數(shù)據(jù)單的規(guī)定。

焊材生產(chǎn)廠家須確保其提供的焊材滿足安裝承包商“焊材采購技術(shù)規(guī)格書”的要求，并提供相關(guān)的質(zhì)量證明書、評(píng)定數(shù)據(jù)單等文件，這些文件應(yīng)包含但不限于如下內(nèi)容：焊材的商標(biāo)牌號(hào)、貯存、保管要求以及明確可能會(huì)導(dǎo)致焊材質(zhì)量發(fā)生變化的各種可變的參數(shù)。

安裝承包商根據(jù)焊材生產(chǎn)廠家所提供的質(zhì)量證明書、評(píng)定數(shù)據(jù)單等文件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試件的試驗(yàn)，并發(fā)布相關(guān)焊材評(píng)定報(bào)告。焊材評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)試件的試驗(yàn)如下：射線檢測(cè)和滲透檢測(cè)、宏觀和可疑區(qū)的微觀檢測(cè)、焊縫金屬化學(xué)分析、面彎試驗(yàn)、背彎試驗(yàn)、側(cè)彎試驗(yàn)、焊縫金屬室溫縱向拉伸、焊縫金屬室溫橫向拉伸、焊縫金屬高溫縱向拉伸、0℃或-20℃下焊縫金屬KV沖擊試驗(yàn)。

3 焊材評(píng)定主要內(nèi)容

3.1 評(píng)定有效范圍

某種牌號(hào)的焊材在使用時(shí)應(yīng)明確變化的工藝參數(shù)滿足該焊材評(píng)定報(bào)告的有效范圍，否則應(yīng)重新進(jìn)行評(píng)定。

M310型壓水堆核電安裝工程中焊材評(píng)定有效范圍主要包含以下7個(gè)方面：

（1）母材的牌號(hào)和厚度的有效范圍。

根據(jù)評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果，按照RCC-M S5210確定的母材牌號(hào)、組別及焊材可使用的母材厚度范圍。

（2）焊接材料的幾何特性。

對(duì)于某種牌號(hào)的焊材，如果其直徑的上、下限均已評(píng)定合格，則可認(rèn)為直徑介于上、下限之間的該牌號(hào)焊材亦評(píng)定合格。

（3）焊接方法和電流類型。

改變焊接方法、電流類型（直流或交流、正接或反接），則需重新進(jìn)行評(píng)定。

（4）焊縫類型。

承載焊縫的評(píng)定適用于堆焊焊縫的評(píng)定，反之則需重新進(jìn)行評(píng)定。

（5）焊接位置和方向。

評(píng)定合格的焊接位置是有效的，不同的焊接位置不允許相互替代，但對(duì)于任意評(píng)定合格的基本位置之間的位置是有效的。

（6）焊接參數(shù)。

M310型壓水堆核電安裝工程的焊接參數(shù)主要指手工焊中的電流值。

（7）相關(guān)的熱處理。

評(píng)定試驗(yàn)所規(guī)定的層間溫度的提高或規(guī)定的預(yù)熱溫度的降低、影響評(píng)定有效范圍的消應(yīng)力處理及其他焊后熱處理的任何修改，都需重新進(jìn)行評(píng)定試驗(yàn)。

3.2 評(píng)定項(xiàng)目的設(shè)置

安裝承包商在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試件的試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各要素的有效范圍，合理地設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)試件的試驗(yàn)。M310型壓水堆核電安裝工程中常用焊材牌號(hào)評(píng)定的設(shè)置如表1所示，以供參考。

4 焊材評(píng)定易出現(xiàn)的問題

目前國(guó)內(nèi)M310型壓水堆核電安裝工程中的RCC-M規(guī)范級(jí)設(shè)備、管道安裝所選擇的焊材，主要源自國(guó)外進(jìn)口，其從原材料的選擇、制造工藝、焊接操作手法、人員、設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)的理解等方面都與國(guó)內(nèi)存在差異，焊材評(píng)定中的主要問題如下：

（1）推薦的焊接電流范圍較大，未注明各焊接位置對(duì)應(yīng)的焊接電流使用要求。

表1 M310型壓水堆核電安裝工程中常用焊材牌號(hào)評(píng)定的設(shè)置

（2）實(shí)心焊絲端部無鋼印標(biāo)識(shí)。

（3）不銹鋼焊材中部分化學(xué)元素接近標(biāo)準(zhǔn)下限，焊接理化試驗(yàn)易出現(xiàn)不合格的情況。

（4）焊接人員焊接經(jīng)驗(yàn)欠缺，操作習(xí)慣、操作手法不規(guī)范，易出現(xiàn)缺陷。

對(duì)于各焊接位置電流使用要求和部分焊絲端部無鋼印標(biāo)識(shí)的問題，其主要是標(biāo)準(zhǔn)理解差異或人因失誤造成的，若出現(xiàn)此類問題，需及時(shí)與制造商溝通解決。對(duì)于焊材化學(xué)成分接近下限和焊材操作要求的問題，涉及到生產(chǎn)廠家制造工藝，解決問題的難度相對(duì)較大，以下就這兩種問題進(jìn)行實(shí)例分析。

5 實(shí)例分析

5.1 實(shí)例1

國(guó)外進(jìn)口的不銹鋼焊絲型號(hào)ER316L，規(guī)格為φ1.6 mm，此焊材評(píng)定進(jìn)行了兩次化學(xué)分析試驗(yàn)，存在以下現(xiàn)象：該焊材本身Ni元素含量在標(biāo)準(zhǔn)要求的下限浮動(dòng)，與標(biāo)準(zhǔn)值相差數(shù)據(jù)很小。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)③使用光譜法分析平、橫、立、仰4個(gè)位置焊接試板的化學(xué)分析試樣的Ni含量，3次昀略低于標(biāo)準(zhǔn)值，最大差值為0.08%；1次與標(biāo)準(zhǔn)值相同。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)④在堆焊焊縫試樣上，采用濕法分析，平、橫、立、仰4個(gè)位置的Ni含量試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)值，4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)與廠家試驗(yàn)數(shù)據(jù)（焊材材質(zhì)證）相比，差值不大。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2所示。

通過對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，焊材評(píng)定焊縫熔敷金屬元素Ni化學(xué)分析數(shù)據(jù)略低的直接原因是：

（1）在焊接過程中，焊縫金屬化學(xué)元素含量受到兩側(cè)母材的稀釋。由表2可知，焊材材質(zhì)證①和②的化學(xué)分析試樣制備方法為成品焊絲和焊縫金屬堆焊，這兩種方式可避免母材稀釋的影響，因而相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足標(biāo)準(zhǔn)值的規(guī)定。安裝承包商進(jìn)行焊材評(píng)定時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)③是在對(duì)接焊縫表面進(jìn)行的，焊縫金屬存在一定程度的母材稀釋，致使最終結(jié)果的Ni含量略低于標(biāo)準(zhǔn)值。且在4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，焊縫濕法化學(xué)分析Ni含量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均高于光譜分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 ER316L規(guī)格（φ%1.6 mm）化學(xué)分析試驗(yàn)Ni含量結(jié)果對(duì)比

上述結(jié)果證明，焊材熔敷金屬化學(xué)結(jié)果是滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的，但對(duì)于該焊絲中Ni的含量，在生產(chǎn)制造階段，焊材廠家在確保焊材各化學(xué)元素含量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，對(duì)Ni等市場(chǎng)價(jià)格相對(duì)較高的元素控制較嚴(yán)，Ni含量預(yù)留的浮動(dòng)區(qū)間較小（接近下限值）。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)③是在焊縫表面進(jìn)行光譜化學(xué)分析試驗(yàn)，試驗(yàn)偏差超出了Ni含量預(yù)留的浮動(dòng)區(qū)間，Ni元素的含量略低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（2）安裝承包商焊材評(píng)定焊縫熔敷金屬化學(xué)分析試驗(yàn)時(shí)，由于人員、設(shè)備、檢測(cè)手段、試樣制備方法的差異，致使實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)③所示的異常結(jié)果。

（3）上述焊材的牌號(hào)評(píng)定化學(xué)分析試驗(yàn)是在焊縫表面進(jìn)行的，而焊材廠家焊材材質(zhì)證所提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，第一次為成品焊絲濕法分析，第二次為堆焊的化學(xué)分析試樣光譜分析。相比之下，生產(chǎn)廠家在出廠試驗(yàn)時(shí)采用的取樣方法可以有效避免母材對(duì)焊接接頭中各元素的稀釋。

綜上，上述焊材熔敷金屬化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是生產(chǎn)廠家對(duì)Ni元素配比設(shè)置與標(biāo)準(zhǔn)下限較接近，買方在進(jìn)行焊縫熔敷金屬化學(xué)分析試驗(yàn)時(shí)，由于人員、設(shè)備、檢測(cè)手段的差異或者業(yè)主方的特殊要求（不允許進(jìn)行堆焊化學(xué)分析試樣），買方焊材牌號(hào)評(píng)定化學(xué)分析試驗(yàn)易出現(xiàn)不理想的結(jié)果。

5.2 實(shí)例2

焊接人員焊接經(jīng)驗(yàn)欠缺，操作習(xí)慣、操作手法不規(guī)范，焊接易出現(xiàn)缺陷。國(guó)外進(jìn)口的碳鋼核級(jí)焊絲ER70S-6，規(guī)格φ2.0 mm，焊材牌號(hào)評(píng)定2G、3G1位置，所有項(xiàng)目的理化試驗(yàn)全部合格。1G位置宏觀金相試驗(yàn)存在層間未熔合，如圖1所示；4G位置微觀金相試驗(yàn)，在焊縫熔合線區(qū)域存在微裂紋，如圖2所示。

圖1 宏觀金相：層間未熔合

圖2 微觀金相：微裂紋

由圖1可知，此缺陷為焊縫道間未熔合，其產(chǎn)原因主要為：

（1）焊接規(guī)范選擇不當(dāng)。電流過小，填充焊道時(shí)焊接速度太快，焊接電流的強(qiáng)度不夠，產(chǎn)生的熱能量小，致使下層焊道未完全熔化。

（2）焊接操作不當(dāng)。電弧偏吹，下層焊道還未完全熔化就被熔化的鐵水覆蓋。

（3）焊縫層間清理、打磨處理不好。下層焊道未清理干凈或者是打磨處理未圓滑過渡，形成較大的溝槽。

經(jīng)核實(shí)，焊接人員從事焊接活動(dòng)時(shí)間短，工藝試驗(yàn)焊接經(jīng)驗(yàn)和信心不足，且周圍見證人員較多，導(dǎo)致其未發(fā)揮正常水平；其次，試件厚度較大（t=20mm），焊接人員急于盡快完成，焊接速度快，操作手法產(chǎn)生了變形。

通過微觀金相試驗(yàn)確定缺陷產(chǎn)生部位為焊縫根部（見圖2），同時(shí)根據(jù)其形態(tài)特征判斷裂紋為熱裂紋。

焊縫熱裂紋主要形態(tài)特征如下：（1）多產(chǎn)生于接近固相線的高溫下，有沿晶界分布，有沿晶界開裂；（2）通常產(chǎn)生于焊縫金屬內(nèi)，也可能產(chǎn)生在焊接熔合線鄰近的熱影響區(qū)組織內(nèi)；（3）通常發(fā)生在雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼等材料焊縫中。

通過核查與分析焊接過程，初步判斷此位置焊縫熔合線出現(xiàn)裂紋的主要原因?yàn)椋涸嚢搴附訒r(shí)電流較小，層間溫度較低，接頭冷卻速度快，在熔合線附近晶粒粗化；其次，組對(duì)時(shí)焊縫變形控制不好，焊接完成后試板收縮量已遠(yuǎn)超出組對(duì)時(shí)設(shè)置的反變形量，經(jīng)測(cè)量焊后角變形分別為4°～4.5°；仰焊位置打底焊接時(shí)焊道厚度較薄（每層厚度約1.1～1.6mm），受試板變形拉力的影響，打底焊道的力學(xué)性能減弱，熔合線處晶間塑性變形能力不足以承受當(dāng)時(shí)變形所發(fā)生的塑性應(yīng)變量，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。

根據(jù)上述分析結(jié)果，變更變形控制方法，在試板背面使用強(qiáng)度較大的型鋼以減小焊接應(yīng)力；合理選用焊接參數(shù)，適當(dāng)提高層間溫度以減小冷卻速度。重新焊制試板進(jìn)行理化試驗(yàn)，結(jié)果合格。

6 結(jié)論

焊材評(píng)定作為M310型壓水堆核電安裝工程施工階段焊材管理工作的重點(diǎn)，是安裝施工階段目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)的先決條件，也是核電安裝焊接質(zhì)量的重要保證。焊材評(píng)定出現(xiàn)異常結(jié)果時(shí)，首先應(yīng)對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)自查焊接工藝、參數(shù)、取樣方式、試驗(yàn)方法等方面的不足之處；其次，加強(qiáng)各單位之間，如焊材廠家、其他核電項(xiàng)目之間的橫向交流，對(duì)比自身焊材牌號(hào)評(píng)定的過程，分析出現(xiàn)異常結(jié)果的原因，從而加以改進(jìn)和處理。

（1）加強(qiáng)與焊材生產(chǎn)廠家技術(shù)人員的溝通交流，向廠家明確項(xiàng)目焊材牌號(hào)評(píng)定具體規(guī)定和業(yè)主方的特殊要求。

（2）為確保購買方焊材牌號(hào)評(píng)定工作中人員、設(shè)備、試驗(yàn)方法的差異不會(huì)影響到化學(xué)分析試驗(yàn)的結(jié)果，建議在焊材采購技術(shù)規(guī)格書中或者在與廠家進(jìn)行合同簽訂時(shí)，以補(bǔ)充協(xié)議或其他方式，在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，將Cr、Ni等貴重金屬指標(biāo)下限提高0.5%。

（3）焊材牌號(hào)評(píng)定試板焊接盡量選擇技術(shù)熟練穩(wěn)定、有一定焊接評(píng)定試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的焊工施焊，避免因客觀條件所導(dǎo)致的不理想結(jié)果。

（4）進(jìn)口焊材使用前，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行適應(yīng)性的培訓(xùn)練習(xí)，以便焊工能夠盡快地掌握其操作要求及其注意事項(xiàng)。

（5）試板焊接后進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)，保證理化試驗(yàn)試樣的切取在熔敷金屬的無缺陷區(qū)。若有必要，可對(duì)加工后的理化試樣進(jìn)行射線檢測(cè)，避免在試樣中存在影響理化試驗(yàn)結(jié)果的缺陷。