ASME標(biāo)準(zhǔn)核級(jí)設(shè)備用焊接材料驗(yàn)收沖擊試驗(yàn)要求探討

陶新磊　楊曉巳　梁振新

摘要：焊材是核電設(shè)備制造過程中經(jīng)常使用的材料，也是核電質(zhì)量管理的薄弱環(huán)節(jié)。隨著第三代非能動(dòng)核電技術(shù)的引進(jìn)，ASME（美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)）規(guī)范在國(guó)內(nèi)核電設(shè)備設(shè)計(jì)制造中逐漸得到廣泛使用，ASME規(guī)范焊材的使用也日趨廣泛。但是在實(shí)踐過程中，國(guó)內(nèi)很多核電設(shè)備制造廠在使用ASME規(guī)范焊材時(shí)仍然存在對(duì)規(guī)范的理解偏差和混淆，尤其是焊材復(fù)驗(yàn)中的沖擊試驗(yàn)要求。夏比沖擊試驗(yàn)是評(píng)價(jià)材料韌性和缺口敏感性的重要試驗(yàn)，直接關(guān)系設(shè)備質(zhì)量、影響核安全。結(jié)合實(shí)際案例，辨析ASME焊材檢驗(yàn)中的沖擊試驗(yàn)要求，指明正確的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行要求，以便為類似項(xiàng)目的建造提供借鑒。

關(guān)鍵詞：ASME;沖擊試驗(yàn);焊材;核電

中圖分類號(hào)：TG42文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C文章編號(hào)：1001-2303（2020）05-0128-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.27

0 前言

美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME）頒布的《鍋爐及壓力容器規(guī)范》（簡(jiǎn)稱《ASME規(guī)范》），是目前世界上公認(rèn)的范圍最為廣泛、內(nèi)容最為詳盡的一部關(guān)于鍋爐及壓力容器的規(guī)范。ASME規(guī)范第Ⅲ卷是核電設(shè)備設(shè)計(jì)制造的主要依據(jù)，是國(guó)內(nèi)第三代非能動(dòng)核電站設(shè)備的主要設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)。ASME規(guī)范第Ⅱ卷是材料的通用技術(shù)要求，其C篇是焊材的通用技術(shù)要求，不僅被ASME規(guī)范第Ⅲ卷冊(cè)引用，也被其他卷冊(cè)如ASME規(guī)范第Ⅷ卷《壓力容器建造規(guī)則》等引用。隨著我國(guó)制造業(yè)與國(guó)際化接軌，ASME焊材也被廣泛應(yīng)用在核電項(xiàng)目和非核項(xiàng)目的壓力容器制造上。沖擊功是衡量材料韌性和缺口敏感性的重要指標(biāo)[1]。測(cè)量沖擊功的夏比沖擊試驗(yàn)是評(píng)價(jià)材料韌性和缺口敏感性的重要試驗(yàn)，是焊材復(fù)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，是核電設(shè)備制造的重要過程，直接關(guān)系到核設(shè)施安全。雖然已有很多文獻(xiàn)介紹了ASME焊材規(guī)范，并與國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比[2]，但在實(shí)際應(yīng)用中仍有很多設(shè)備制造商對(duì)ASME焊材規(guī)范的技術(shù)細(xì)節(jié)，如沖擊試驗(yàn)取樣數(shù)量等問題發(fā)生混淆，導(dǎo)致設(shè)備與ASME規(guī)范要求發(fā)生偏差，深入辨析ASME規(guī)范第Ⅱ卷C篇焊材沖擊試驗(yàn)要求很有必要。本文結(jié)合核電設(shè)備建造過程中的實(shí)際案例，指明正確的ASME標(biāo)準(zhǔn)焊材沖擊試驗(yàn)要求，以便為類似設(shè)備的建造提供借鑒。

1 ASME焊材在國(guó)內(nèi)核電項(xiàng)目的使用

國(guó)內(nèi)第三代非能動(dòng)核電技術(shù)設(shè)備設(shè)計(jì)和制造主要以ASME規(guī)范第Ⅲ卷為主體設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也吸收和借鑒了國(guó)內(nèi)多年的核電工程建造經(jīng)驗(yàn)，例如對(duì)于重要的核級(jí)壓力容器，如蒸汽發(fā)生器、非能動(dòng)余熱排出換熱器等設(shè)備制造過程中增加了制作焊接見證件，對(duì)焊縫性能進(jìn)行破壞性檢測(cè)，這與國(guó)外的非能動(dòng)核電項(xiàng)目不同。焊接見證件是為了驗(yàn)證產(chǎn)品焊縫質(zhì)量的一致性，并保證與焊接工藝評(píng)定所確定的操作工藝相一致，制造廠在焊接過程中采用與產(chǎn)品焊縫相同的材料、工藝參數(shù)、操作人員，采用同一焊接設(shè)備在相同焊接環(huán)境下制作的試件。

ASME規(guī)范對(duì)焊材入廠復(fù)驗(yàn)并未做強(qiáng)制要求，規(guī)范案例NX-2400規(guī)定在滿足ASME授權(quán)質(zhì)保體系要求的焊材制造商提供焊材質(zhì)量證書（CMTR）的前提下，設(shè)備制造商可以不進(jìn)行焊材入廠復(fù)驗(yàn)。但核電設(shè)備制造廠使用ASME的焊材往往需要從美國(guó)經(jīng)海運(yùn)到中國(guó)，歷時(shí)較長(zhǎng)，從美國(guó)出廠到中國(guó)進(jìn)廠需要半年乃至更久時(shí)間。且國(guó)內(nèi)設(shè)備制造廠往往無法按ASME規(guī)范要求監(jiān)督進(jìn)口焊材生產(chǎn)商的質(zhì)保體系，因此進(jìn)行焊材入廠復(fù)驗(yàn)極有必要。為確保焊材質(zhì)量，核電設(shè)備最終用戶一般應(yīng)在相關(guān)設(shè)備采購(gòu)合同中對(duì)設(shè)備生產(chǎn)商補(bǔ)充要求對(duì)所采購(gòu)的ASME焊材進(jìn)行入廠復(fù)驗(yàn)。這一點(diǎn)與RCC-M規(guī)范《壓水堆核電站核島機(jī)械部件設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》及能標(biāo)體系規(guī)范存在差異。

2 焊材沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)問題

2.1 核級(jí)設(shè)備焊材沖擊試驗(yàn)溫度和沖擊功要求

ASME規(guī)范第Ⅱ卷和第Ⅲ卷對(duì)焊材沖擊試驗(yàn)溫度和沖擊功有相關(guān)規(guī)定，但是其技術(shù)細(xì)節(jié)并不相同。在實(shí)際工作中，為確保使用焊材焊接的最終產(chǎn)品性能滿足要求，在進(jìn)行ASME第Ⅱ卷規(guī)定的沖擊試驗(yàn)前提下，亦需要根據(jù)ASME第Ⅲ卷要求進(jìn)行焊材沖擊試驗(yàn)，二者不可偏廢。但制造廠容易忽視滿足ASME第Ⅱ卷要求是核級(jí)設(shè)備焊材沖擊性能合格的前提條件，執(zhí)行試驗(yàn)時(shí)混淆第Ⅱ卷和第Ⅲ卷沖擊試驗(yàn)要求的差異，造成產(chǎn)品不符合規(guī)范要求。

ASME規(guī)范第Ⅲ卷NB-2431.1 通用試驗(yàn)要求（f）規(guī)定，“當(dāng)產(chǎn)品焊縫的兩種母材中任何一母材要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，則焊縫金屬也應(yīng)進(jìn)行沖擊試樣的試驗(yàn)。焊縫金屬應(yīng)符合NB-2331（a）或NB-2332適用于母材要求的部分。當(dāng)兩種母材存在不同要求時(shí)，焊縫金屬可符合其中的任一個(gè)要求”[3]。該條文說明ASME第Ⅲ卷側(cè)重考核焊材與制造設(shè)備的母材的韌性匹配。其焊縫金屬?zèng)_擊試驗(yàn)溫度、沖擊吸收功合格標(biāo)準(zhǔn)也與母材的相應(yīng)合格標(biāo)準(zhǔn)相同。

對(duì)于核1級(jí)設(shè)備材料，ASME規(guī)范第Ⅲ卷NB分卷要求同時(shí)使用落錘試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)兩種方法檢驗(yàn)其韌性水平。對(duì)于參考無延性轉(zhuǎn)變溫度（RTNDT）的測(cè)量，ASME規(guī)范第Ⅲ卷NB-2331容器材料規(guī)定，應(yīng)按下列方法確定參考溫度RTNDT：

（1）選定一個(gè)TNDT溫度，該溫度等于或高于落錘試驗(yàn)測(cè)得的無延性轉(zhuǎn)變溫度。

（2）當(dāng)溫度不大于TNDT+60 °F（TNDT+33 ℃）時(shí)，每個(gè)Cv試樣（NB-2321.2）的橫向膨脹至少為35 mils（0.89 mm），以及吸收能量應(yīng)不小于50 ft.lb（68 J）。允許按NB-2350進(jìn)行復(fù)試。當(dāng)這些要求都得到滿足時(shí)，TNDT就是參考溫度RTNDT。

ASME第Ⅱ卷也對(duì)焊材有沖擊試驗(yàn)方面的要求，以代號(hào)為F9P4-EM-M2的焊材為例。根據(jù)ASME規(guī)范第Ⅱ卷C篇SFA5.23《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)焊材強(qiáng)制性類別代號(hào)的定義，F(xiàn)9P4-EM-M2指原始焊劑在本標(biāo)準(zhǔn)要求條件下，用EM2焊絲所得的焊縫金屬在焊態(tài)應(yīng)具有900～11 000 psi抗拉強(qiáng)度和在-40 °F下20 ft.lbf （27 J）的夏比沖擊韌性。類別號(hào)F9P4-EM-M2中“4”代表沖擊試驗(yàn)溫度-40 °F;“2”代表沖擊功不低于20 ft.lbf（27 J）[4]。

以采用F9P4-EM-M2焊接核1級(jí)壓力容器，其母材RTNDT為-21 ℃為例，根據(jù)ASME規(guī)范要求其焊縫金屬?zèng)_擊試驗(yàn)技術(shù)要求如表1所示。

可以明顯看出，采用該焊材焊接核1級(jí)壓力容器需要進(jìn)行3次沖擊試驗(yàn)，且其溫度和沖擊功各不相同，不存在涵蓋關(guān)系。對(duì)于核2級(jí)設(shè)備的焊材，ASME規(guī)范第Ⅲ卷NC、ND分卷不要求必須使用落錘試驗(yàn)方法檢驗(yàn)焊縫金屬韌性水平[5]。采用相同材料焊接核2、3級(jí)設(shè)備較焊接核1級(jí)設(shè)備會(huì)相應(yīng)減少為測(cè)RTNDT而進(jìn)行的沖擊試驗(yàn)。但是對(duì)由焊材與母材韌性匹配得到的沖擊試驗(yàn)要求和ASME第Ⅱ卷沖擊試驗(yàn)要求仍然容易發(fā)生混淆。

2.2 核級(jí)設(shè)備焊材沖擊試驗(yàn)取樣數(shù)量及判定方法

ASME第Ⅲ卷對(duì)焊材的沖擊試驗(yàn)取樣要求按ASME SA-370執(zhí)行;ASME第Ⅱ卷的取樣要求按ANSI/AWS B4.0執(zhí)行，二者試驗(yàn)方法都間接引用ASTM E23的要求，但取樣存在一些細(xì)微差異。以ASME第Ⅱ卷SFA5.23《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑》要求為例：“5個(gè)試樣應(yīng)按照ANSI/AWS B4.0的沖擊試驗(yàn)一節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)。在評(píng)判試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，所得的最低值和最高值應(yīng)不予考慮。剩下3個(gè)值中的2個(gè)值應(yīng)等于或大于規(guī)定的27 J的能量水平，3個(gè)值中的一個(gè)值可以低些，但不得低于20 J，并且3個(gè)值的平均值應(yīng)不小于要求的27 J能量水平”。ASME第Ⅲ卷NB分冊(cè)規(guī)定“當(dāng)要求進(jìn)行夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)（Cv）時(shí)，應(yīng)按SA-370規(guī)定進(jìn)行。試驗(yàn)應(yīng)由一組3個(gè)10 mm×10 mm的全尺寸試樣組成”。

雖然ASME第Ⅱ卷對(duì)不同焊材的沖擊功數(shù)值大小判定標(biāo)準(zhǔn)存在差異，但各種焊材的沖擊試驗(yàn)均取5個(gè)試樣;而ASME第Ⅲ卷焊材沖擊試驗(yàn)均取3個(gè)試樣。此外，這一點(diǎn)也容易與國(guó)內(nèi)能源行業(yè)系列標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求混淆：NB/T 20009.21《壓水堆核電廠用焊接材料 第21部分：安全級(jí)設(shè)備用碳鋼手工電弧焊焊條》、NB/T20009.22《壓水堆核電廠用焊接材料第22部分安全級(jí)設(shè)備用低合金鋼手工電弧焊焊條》等焊材試驗(yàn)取樣為一次取3個(gè)試樣[6-7]。設(shè)備制造廠極易根據(jù)國(guó)內(nèi)制造檢驗(yàn)習(xí)慣，忽視取樣數(shù)量和判定方法差異，從而導(dǎo)致焊材檢驗(yàn)不符合規(guī)范要求。不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖擊試驗(yàn)取樣數(shù)量對(duì)比和判定方法的對(duì)比如表2所示。

3 核級(jí)設(shè)備焊材沖擊試驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用錯(cuò)誤的案例

在實(shí)踐中，很多核電設(shè)備制造廠在焊材沖擊復(fù)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)上容易發(fā)生混淆。國(guó)內(nèi)某核電主設(shè)備制造廠使用AWS類別號(hào)為F9P4-EM-M2的埋弧焊焊絲和焊劑制造一件核1級(jí)壓力容器設(shè)備，焊材原材料出廠報(bào)告如圖1 所示;對(duì)焊材復(fù)驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖1、圖2可知，焊材沖擊試驗(yàn)與ASME規(guī)范第Ⅲ卷2331節(jié)要求相符，滿足與母材韌性匹配的要求，但制造廠據(jù)此判斷焊材沖擊試驗(yàn)合格、性能滿足要求，是存在瑕疵的。焊材提供方和設(shè)備制造廠都混淆了ASME規(guī)范第Ⅱ卷和第Ⅲ卷對(duì)焊接沖擊試驗(yàn)的要求。ASME規(guī)范第Ⅱ卷側(cè)重焊材本身合格性能，ASME規(guī)范第Ⅲ卷側(cè)重考核焊材與制造設(shè)備母材的韌性匹配。對(duì)于本例，其焊材應(yīng)按ASME規(guī)范第Ⅱ卷C篇SFA5.23《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑標(biāo)準(zhǔn)》中的相應(yīng)要求補(bǔ)充-40 ℃下的沖擊試驗(yàn)，取5個(gè)試樣，所得的最低值和最高值應(yīng)不予考慮。剩下3個(gè)值中的2個(gè)值應(yīng)等于或大于規(guī)定的27 J的能量水平，3個(gè)值中的一個(gè)值可以低些，但不得低于20 J，并且3個(gè)值的平均值應(yīng)不小于要求的27 J能量水平。

4 沖擊試驗(yàn)的補(bǔ)充說明

需要補(bǔ)充說明的是，ASME規(guī)范第Ⅲ卷NB-2122并不能作為這種情況下的免除條件。ASME規(guī)范第Ⅲ卷NB-2122 同許用的材料技術(shù)規(guī)格書相矛盾的特殊要求規(guī)定：“當(dāng)本章規(guī)定的特殊要求同材料技術(shù)規(guī)格書要求[NCA-3856]有矛盾時(shí)，應(yīng)以本章所規(guī)定的特殊要求為準(zhǔn)。當(dāng)特殊要求中包括材料技術(shù)規(guī)格書中也要求的檢測(cè)、試驗(yàn)或處理時(shí)，則檢測(cè)、試驗(yàn)或處理只需進(jìn)行一次”[3]。ASME規(guī)范第Ⅲ卷的沖擊功要求主要針對(duì)產(chǎn)品焊縫的沖擊試驗(yàn)，而ASME規(guī)范第Ⅱ卷的沖擊功要求主要針對(duì)焊材，是制造過程中的不同階段，遵守ASME規(guī)范第II卷要求是執(zhí)行ASME 規(guī)范第Ⅲ卷的前提。

ASME第Ⅱ卷側(cè)重考核焊材是否符合ASME焊材分類號(hào)的要求，簡(jiǎn)而言之就是考核是否達(dá)到合格焊材的指標(biāo);而ASME第Ⅲ卷側(cè)重考核焊材能否得到滿意的產(chǎn)品焊縫性能。焊材沖擊試驗(yàn)取樣和熱處理過程的差異很好地說明了這一點(diǎn)。ASME第Ⅲ卷的試樣尺寸規(guī)格與ASME第Ⅱ卷一致，但通常ASME第Ⅱ卷會(huì)給出試樣母材的范圍和推薦的預(yù)熱溫度、層間溫度、焊后熱處理溫度;而ASME第Ⅲ卷規(guī)定“試件焊接應(yīng)在產(chǎn)品焊接采用的預(yù)熱溫度和層間溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。試件應(yīng)在焊后狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn);當(dāng)產(chǎn)品焊縫要做焊后熱處理時(shí)，試件就應(yīng)在適用的焊后熱處理狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。焊后熱處理的保溫時(shí)間至少應(yīng)為生產(chǎn)中焊縫金屬的最長(zhǎng)焊后熱處理保溫時(shí)間的80%”。通常為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)，制造廠會(huì)根據(jù)ASME第Ⅱ卷C篇的推薦進(jìn)行焊接工藝評(píng)定（WPQ），并用于所有的焊材復(fù)驗(yàn)項(xiàng)目，并不單獨(dú)制定焊材復(fù)驗(yàn)的焊接規(guī)程和采用其他ASME第Ⅱ卷允許的焊接母材。但是仍應(yīng)當(dāng)注意ASME第Ⅱ卷沖擊試驗(yàn)通常規(guī)定了試件取樣為焊態(tài)、焊后熱處理態(tài)或二者都需要取樣，而ASME第Ⅲ卷規(guī)定的試件狀態(tài)是與產(chǎn)品最終狀態(tài)相同。二者可能存在不一致。

根據(jù)ASME規(guī)范第Ⅲ卷NB-2121規(guī)定“在物項(xiàng)制造中所使用的焊接材料和釬焊材料，應(yīng)滿足第Ⅱ卷C篇的SFA技術(shù)規(guī)格書的規(guī)定（第Ⅸ卷另有允許則除外），同時(shí)還應(yīng)滿足本章的適用要求”。制造廠采購(gòu)的焊材性能應(yīng)當(dāng)既能夠滿足ASME規(guī)范第Ⅱ卷要求，也應(yīng)當(dāng)滿足ASME規(guī)范第Ⅲ卷的要求。因此為保證焊材滿足最終產(chǎn)品要求，對(duì)于用于核1級(jí)設(shè)備的焊材往往需要進(jìn)行ASME規(guī)范第Ⅲ卷要求考核與母材韌性匹配的沖擊試驗(yàn)、測(cè)算RTNDT的沖擊試驗(yàn)和ASME第Ⅱ卷要求的沖擊試驗(yàn)，而對(duì)于核2、3級(jí)設(shè)備則需要進(jìn)行ASME規(guī)范第Ⅲ卷要求考核與母材韌性匹配的沖擊試驗(yàn)和ASME規(guī)范第Ⅱ卷要求的沖擊試驗(yàn)。

5 結(jié)論

在執(zhí)行ASME 規(guī)范的核級(jí)設(shè)備制造過程中，應(yīng)注意ASME規(guī)范第Ⅱ卷和ASME規(guī)范第Ⅲ卷在對(duì)焊縫金屬?zèng)_擊試驗(yàn)都提出了要求，二者均需滿足，同時(shí)二者技術(shù)細(xì)節(jié)方面存在差異，不可混淆。ASME規(guī)范第Ⅲ卷的沖擊試驗(yàn)要求側(cè)重于考核焊縫金屬與母材的韌性匹配，達(dá)到滿意的產(chǎn)品焊縫性能。ASME規(guī)范第Ⅱ卷C篇《焊條、焊絲及填充金屬材料》的要求側(cè)重于判定焊材本身是否符合AWS分類號(hào)的要求。雖然試樣尺寸規(guī)格一致，制造廠也可以簡(jiǎn)化處理采用同時(shí)滿足二者要求的母材和焊接規(guī)程，但二者在溫度、沖擊功、取樣數(shù)量、判定方法上存在差異，試件狀態(tài)也可能存在不同，在試驗(yàn)中應(yīng)注意區(qū)別。焊材如果不用于核級(jí)設(shè)備制造，滿足ASME第Ⅱ卷要求即可判定焊材符合ASME材料規(guī)格書要求。

此外，雖然能標(biāo)系列焊材標(biāo)準(zhǔn)（如NB/T 20009.21等）是參考和借鑒了ASME規(guī)范第Ⅱ卷C篇《焊條焊絲及填充材料》轉(zhuǎn)化而來，較為相似，但二者并不等效，在具體技術(shù)細(xì)節(jié)，如沖擊試驗(yàn)取樣數(shù)量上存在差異，切不可混淆。

雖然ASME焊材在國(guó)內(nèi)核電設(shè)備制造中已有一定的使用經(jīng)驗(yàn)，也有國(guó)內(nèi)相關(guān)焊材標(biāo)準(zhǔn)借鑒和參考ASME規(guī)范第Ⅱ卷C篇《焊條焊絲及填充材料》，但是在技術(shù)細(xì)節(jié)上仍存在差別，在執(zhí)行規(guī)范時(shí)應(yīng)注意辨析。

參考文獻(xiàn)：

[1] 史巨元. 鋼的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與應(yīng)用[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1993：93-98.

[2] 王恒，李哲. AP1000核電技術(shù)中ASME規(guī)范第Ⅱ卷C篇與我國(guó)焊材標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比研究[J]. 電焊機(jī)，2015，45（2）：155-158.

[3] ASME BPVC-III-2004，核設(shè)施部件建造規(guī)則[S].

[4] ASME BPVC-II-C-2004，焊條、焊絲及填充金屬[S].

[5] 郭晶，王平安，馮愛秀，等. ASME核電建造規(guī)范對(duì)材料韌性的要求[J]. 石油化工設(shè)備，2011，40（1）：42-48.

[6] NB/T 20009.21《壓水堆核電廠用焊接材料 第21部分：安全級(jí)設(shè)備用碳鋼手工電弧焊焊條》[S].

[7] NB/T 20009.22《壓水堆核電廠用焊接材料 第22部分：安全級(jí)設(shè)備用低合金鋼手工電弧焊焊條》[S].