王宇欣 馬迎兵 高宇 李哲 張躍
摘要:焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)是焊接標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域最核心、最基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)三代核電存在兩份焊評(píng)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 20002.3和NB/T 20450.3,這增加了設(shè)計(jì)制造成本和監(jiān)管難度,也不利于出口。本文比較了兩份標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容范圍差異,關(guān)于檢驗(yàn)試驗(yàn)項(xiàng)目及驗(yàn)收要求、焊接變素、覆蓋范圍等主要技術(shù)分歧,同時(shí)對(duì)差異項(xiàng)進(jìn)行分析研究,并在此基礎(chǔ)上給出標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的建議。焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)路線統(tǒng)一的開創(chuàng)性研究工作,對(duì)于完善我國核電標(biāo)準(zhǔn)體系,提升標(biāo)準(zhǔn)自主化水平,促進(jìn)我國核電“走出去”具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞:NB/T 20002.3;NB/T 20450.3;焊接工藝評(píng)定;技術(shù)路線統(tǒng)一
中圖分類號(hào):TG42文獻(xiàn)標(biāo)志碼:C文章編號(hào):1001-2303(2020)11-0109-06
DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.20
0 前言
截至2019年12月底,中國大陸共有47臺(tái)商業(yè)運(yùn)行核電機(jī)組、總裝機(jī)容量4 875萬kW,位列全球第三,核電總裝機(jī)容量占全國電力裝機(jī)總量的2.42%;此外還有15臺(tái)在建核電機(jī)組、19座民用研究堆[1]。焊接是核電設(shè)備制造、核電機(jī)組建造安裝中必不可少的主要工藝方法,焊接質(zhì)量直接關(guān)系著三道密閉屏障的功能實(shí)現(xiàn),進(jìn)而影響到核電站的安全水平。而焊接工藝評(píng)定(簡稱焊評(píng))是焊接質(zhì)量控制的基礎(chǔ)和核心環(huán)節(jié)。
NB/T 20002.3-2013《壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備焊接規(guī)范 第3部分:焊接工藝評(píng)定》[2],是對(duì)EJ/T 1027-1996的修訂,其編制主要依據(jù)法國RCC-M《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》(2007版)S3000章,同時(shí)又具有自己的特色,是根據(jù)國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)和我國核工業(yè)實(shí)際演化而來的。RCC-M 2007版符合法國AREVA公司EPR機(jī)組的技術(shù)要求。該標(biāo)準(zhǔn)目前已在福清5/6號(hào)、巴基斯坦卡拉奇K2/K3、漳州1/2號(hào)、昌江多用途模塊式小型堆(ACP100)、防城港3/4號(hào)等核電機(jī)組中應(yīng)用,效果良好。
NB/T 20450.3-2017《壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備焊接另一規(guī)范 第3部分:焊接工藝評(píng)定》[3],編制的主要依據(jù)是美國ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》(2010版)第III卷NB/NC/ND/NE/NF篇-4300章、第IX卷以及美國核管會(huì)RG導(dǎo)則,并且參考了西屋公司AP1000的技術(shù)規(guī)格書等,其目標(biāo)應(yīng)用對(duì)象是AP1000、CAP1400和CAP1700型號(hào)機(jī)組。
由于存在兩份焊評(píng)標(biāo)準(zhǔn),不利于我國核電技術(shù)的積累和長遠(yuǎn)發(fā)展,同時(shí)也增加了我國核島機(jī)械設(shè)備監(jiān)管的復(fù)雜度和制造成本;在核電“走出去”時(shí),無法以優(yōu)化統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系形象示人。國家及行業(yè)主管部門對(duì)此高度重視,國辦發(fā)[2018]71號(hào)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)核電標(biāo)準(zhǔn)化工作的指導(dǎo)意見》文件,明確要求“形成標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)路線統(tǒng)一、結(jié)構(gòu)完善的核電標(biāo)準(zhǔn)體系”;核電重大專項(xiàng)中,也專門規(guī)劃了中國先進(jìn)核電標(biāo)準(zhǔn)體系研究專項(xiàng),并分兩個(gè)階段開展。中國核電工程有限公司在上述兩個(gè)項(xiàng)目的焊接領(lǐng)域均為牽頭單位。
文中比較了兩份標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容范圍差異,關(guān)于檢驗(yàn)試驗(yàn)項(xiàng)目及驗(yàn)收要求、焊接變素、覆蓋范圍等主要技術(shù)分歧,同時(shí)對(duì)差異項(xiàng)進(jìn)行分析研究,并在此基礎(chǔ)上給出標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的建議。
1 NB/T 20002.3與NB/T 20450.3的內(nèi)容范圍差異
兩份焊評(píng)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容范圍存在著顯著差異:NB/T 20002.3中無回火焊道、耐磨堆焊內(nèi)容,焊接方法中無激光焊,詳細(xì)規(guī)定了有效期;而NB/T 20450.3中未對(duì)模擬補(bǔ)焊、鑄鋼件補(bǔ)焊專門設(shè)置要求,無摩擦焊方法,未規(guī)定有效期,具體分析如下。
1.1 回火焊道
回火焊道雖然在建造階段使用很少,但兩份標(biāo)準(zhǔn)中都有關(guān)于焊后免做熱處理的特殊規(guī)定,其實(shí)質(zhì)是采用回火焊道技術(shù),所以有必要將其工藝評(píng)定要求加以明確。此外,隨著我國核電建設(shè)的快速發(fā)展,更多機(jī)組將投運(yùn)、甚至延壽,這將不可避免地遇到設(shè)備部件焊接修復(fù)的問題?;鼗鸷傅雷鳛橐豁?xiàng)重要的焊接修復(fù)技術(shù),勢必會(huì)應(yīng)用到核電站中,所以有必要將回火焊道內(nèi)容納入到焊評(píng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)中。
1.2 耐磨堆焊
耐磨堆焊的焊材、焊接方法、焊評(píng)、焊接操作、無損檢驗(yàn)等均有特殊規(guī)定(在NB/T 20002.7中);其應(yīng)用用戶也以閥門廠為主,相對(duì)單一。綜上,可考慮將耐磨堆焊相關(guān)內(nèi)容放到一起,形成焊接標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)部分,而不在焊評(píng)標(biāo)準(zhǔn)中具體規(guī)定。
1.3 模擬補(bǔ)焊和鑄鋼件補(bǔ)焊
模擬補(bǔ)焊評(píng)定中不僅考慮到原母材,還考慮到原有焊縫的影響,從而更好地代表實(shí)際補(bǔ)焊情況,可納入到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)中,但應(yīng)注意,需要開展模擬補(bǔ)焊的情形是有限的,并非所有情況都需要模擬補(bǔ)焊。
關(guān)于鑄鋼件補(bǔ)焊,按照法國的實(shí)踐,對(duì)于材料廠而言(不是制造商),必須按鑄鋼件補(bǔ)焊專門條款進(jìn)行工藝評(píng)定。從技術(shù)角度,NB/T 20002.3也確實(shí)提出了一些特殊要求,例如評(píng)定件材料須是鑄件,坡口為挖槽形式,試件厚度代表實(shí)際補(bǔ)焊產(chǎn)品的最大厚度等,從而使得評(píng)定試件能更好代表產(chǎn)品實(shí)際補(bǔ)焊。因此有必要保留這些要求,并明確材料廠的鑄件焊補(bǔ)應(yīng)按此執(zhí)行。
1.4 焊接方法
篩選原則是根據(jù)核電建造中的應(yīng)用需求來確定是否列入。目前國內(nèi)堆內(nèi)構(gòu)件、燃料貯存格架焊接有采用激光焊,故應(yīng)該列入??紤]到ASME體系,在第Ⅲ卷NB/NC/ND-4311中,限制摩擦焊用于容器和管道的制造;另外在RCC-M體系中,摩擦焊僅在RPV貫穿件的套管adaptor sleeve(材料是MC 4108的NC 30Fe鎳基合金)有過應(yīng)用,但目前國內(nèi)均使用熔化焊完成此構(gòu)件,因此可去除摩擦焊的內(nèi)容。
1.5 有效期
NB/T 20450.3中認(rèn)為合格的工藝評(píng)定無有效期限制。NB/T20002.3的邏輯是需要考慮實(shí)施中的反饋以及制造商使用該工藝的技能水平。對(duì)于經(jīng)常性出現(xiàn)的補(bǔ)焊,或者產(chǎn)品焊接見證件出現(xiàn)問題的焊接工藝,應(yīng)該調(diào)查所使用的焊接工藝評(píng)定是否正確;另外,制造商的技能水平如果未得到證實(shí),也影響其使用該工藝的能力,所以按照國內(nèi)實(shí)踐,規(guī)定焊接工藝評(píng)定的有效期(或有效性)是合適的。
2 NB/T 20002.3與NB/T 20450.3的主要技術(shù)分歧
經(jīng)過國家重大專項(xiàng)以及能源局標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一兩個(gè)項(xiàng)目的科研攻關(guān),課題組(專業(yè)組)詳細(xì)地梳理分析出NB/T 20002.3與NB/T 20450.3技術(shù)上共有221項(xiàng)差異項(xiàng),整體對(duì)比結(jié)果如表1所示。文中僅對(duì)其主要差異點(diǎn)進(jìn)行初步分析。
2.1 母材分類分組
考慮到具有類似化學(xué)成分、組織和機(jī)械性能的材料具有相似的焊接性,為了減少焊評(píng)數(shù)量,因此在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)母材進(jìn)行分類分組。
NB/T 20002.3中的母材分類分組依據(jù)GB/T 19869.1-2005附錄B,其源于ISO 15608。類別號(hào)是根據(jù)化學(xué)成分和組織確定的;在同類中,又根據(jù)力學(xué)性能和化學(xué)成分劃分不同的組別號(hào)。目前,國際上ISO 20172、ISO 20173、ISO 20174分別給出了歐洲材料、美國材料和日本材料的所對(duì)應(yīng)的ISO 15608分類分組號(hào)。
NB/T 20450.3中的材料分類分組源于ASME第Ⅸ卷,其分類分組原則或方法未明確??傮w而言,ASME缺乏權(quán)威的、公認(rèn)的分類方法;而在分組方面,其劃分更加模糊。對(duì)于要求沖擊的,不允許不同分組號(hào)間覆蓋,然而有時(shí)不同分組號(hào)的材料,其沖擊性能要求并無差異,例如SA-106 B(P-No.1,Group No.1)和SA-106 C(P-No.1,Group No.2)。在我國核電用材料中,約80%的碳鋼牌號(hào)按ASME分類方法劃為P-No.1 Group No.1,其按ISO 15608則對(duì)應(yīng)不同的類組1.1、1.2、11.1。按ISO 15614,11.1可以覆蓋1.1、1.2,反之則不可。另外按ISO 15614,還要求對(duì)于ISO 15608的1、11組的材料,評(píng)定覆蓋范圍是規(guī)定屈服強(qiáng)度等于或小于評(píng)定材料的材料。綜上所述,對(duì)于ASME中的P-No.1 Group No.1而言,按ISO 15608的分類方法和ISO 15614的評(píng)定覆蓋范圍規(guī)定更為嚴(yán)格,對(duì)于P-No.1 Group 2情況類似。
2.2 焊接變素
對(duì)接試件評(píng)定要素是焊評(píng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)、核心內(nèi)容,決定了焊評(píng)的覆蓋范圍(詳見2.4節(jié)),下面以此為例進(jìn)行分析。一些特殊焊縫的類型,是在對(duì)接的基礎(chǔ)上進(jìn)行專項(xiàng)規(guī)定,例如帶隔離層的異種金屬接頭和插套焊接頭等。
NB/T 20450.3中有57項(xiàng)重要變素和附加重要變素,其均在NB/T 20002.3中5.5.1-5.5.5節(jié)有對(duì)應(yīng)條款。規(guī)定進(jìn)一步分析比較兩者的具體:對(duì)應(yīng)的條款中,有17項(xiàng)相同或等效;40項(xiàng)不同,其中的35項(xiàng)NB/T 20002.3要求相對(duì)嚴(yán)格,3項(xiàng)NB/T 20450.3中要求相對(duì)嚴(yán)格,2項(xiàng)需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究(電參數(shù)中第一層焊道的熱輸入增加超過10%;堆焊層數(shù)和順序)。NB/T 20450.3中的非重要變素是梳理的差異項(xiàng)。以最常見的焊條電弧焊(111)為例,在NB/T 20450.3表7中規(guī)定了15項(xiàng)非重要變素。對(duì)于其中8個(gè)非重要變素,在NB/T 20002.3中有相關(guān)規(guī)定,且改變后會(huì)影響焊評(píng)有效性,如表2所示。綜上所述,總體上NB/T 20002.3的技術(shù)要求更為嚴(yán)格。
2.3 試驗(yàn)和檢驗(yàn)項(xiàng)目
2.3.1 無損檢驗(yàn)項(xiàng)目
兩份標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了評(píng)定試件均應(yīng)經(jīng)過實(shí)際產(chǎn)品接頭在制造過程中規(guī)定的所有無損檢測(這是根據(jù)AP1000工程實(shí)踐,對(duì)于ASME標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充)。但在驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)上,NB/T 20450.3需滿足產(chǎn)品級(jí)別的規(guī)定,而NB/T 20002.3規(guī)定需滿足一級(jí)焊縫的要求。
2.3.2 試驗(yàn)項(xiàng)目
NB/T 20450.3中,對(duì)接試件應(yīng)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、晶間腐蝕試驗(yàn)(奧氏體不銹鋼);對(duì)于角焊縫試件,只需進(jìn)行宏觀金相檢驗(yàn)。NB/T 20002.3中,板對(duì)接試件還應(yīng)進(jìn)行熔敷金屬的縱向室溫、高溫拉伸(如需)、化學(xué)成分分析、δ鐵素體含量測試(奧氏體不銹鋼),金相檢驗(yàn)、硬度試驗(yàn)(鐵素體鋼);對(duì)于T型接頭和支管接頭,需進(jìn)行金相試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)[4]。
上述差異性的試驗(yàn)項(xiàng)目是很有必要性的,原因有:(1)金相檢驗(yàn):包括宏觀和微觀,可以考察接頭的顯微組織,進(jìn)而會(huì)影響到力學(xué)性能。宏觀金相檢驗(yàn)應(yīng)無裂紋、未焊透、未熔合及超標(biāo)的氣孔、夾渣等缺陷。微觀金相檢驗(yàn),對(duì)于奧氏體不銹鋼和鎳基合金應(yīng)無影響性能的顯微裂紋和沉淀相,對(duì)于其他鋼種,應(yīng)無顯微裂紋和由于淬火而形成的異常組織。(2)硬度試驗(yàn):限制硬度上限,可以有效地避免冷裂紋的發(fā)生,也是判斷鐵素體鋼接頭是否存在淬硬組織的客觀檢測手段。(3)鐵素體含量:對(duì)于奧氏體不銹鋼,一定數(shù)量鐵素體的存在可以形成對(duì)熱裂紋不敏感的FA凝固模式;但其含量不宜過高,否則會(huì)給接頭韌性以及耐腐蝕性帶來不利影響。總之,這些試驗(yàn)項(xiàng)目技術(shù)上是合理的,符合現(xiàn)有核工業(yè)實(shí)踐,有利于保證接頭質(zhì)量。
2.3.3 常規(guī)機(jī)械性能試驗(yàn)
拉伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)是在NB/T 20002.3和NB/T 20450.3中均規(guī)定的常規(guī)機(jī)械性能試驗(yàn),但其具體試驗(yàn)要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)存在差異。對(duì)于上述試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差異、產(chǎn)生的原因和分析說明如表3所示。
需要說明的是,在焊評(píng)層面,暫不需要考慮兩套標(biāo)準(zhǔn)由于力學(xué)性能試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不同,而對(duì)結(jié)果帶來的具體影響。在這方面,國內(nèi)外已經(jīng)開展了一些深入研究,例如通常認(rèn)為拉伸試樣標(biāo)距4D或5D,對(duì)抗拉強(qiáng)度影響很小,但對(duì)延伸率有顯著影響[5];沖擊試驗(yàn)中錘韌半徑2 mm或8 mm,在60 J以下的結(jié)果中無明顯差異[6]。
2.4 覆蓋范圍
覆蓋范圍的差異和試驗(yàn)檢驗(yàn)項(xiàng)目以及變素設(shè)置上密切相關(guān)。例如,NB/T 20450.3中對(duì)角焊縫只進(jìn)行金相檢驗(yàn),檢查成形以其橫截面的不連續(xù)和根部熔合情況,由于母材厚度對(duì)該檢驗(yàn)無影響,因此覆蓋范圍中對(duì)于角焊縫母材厚度、直徑和角焊縫尺寸無限制。類似的,在NB/T 20002.3奧氏體不銹鋼評(píng)定中有鐵素體含量測試的規(guī)定,而母材中的N含量對(duì)于鐵素體含量有較大影響,因而覆蓋范圍里規(guī)定了N含量超過0.11%時(shí)應(yīng)使用相同N含量規(guī)定的母材進(jìn)行評(píng)定。
類似的重大技術(shù)差異項(xiàng)還有:厚度、支管直徑和角度、焊接方法、接頭類型、填充材料及尺寸、電流、熱輸入、預(yù)熱、后熱、焊后熱處理、道間溫度、特殊要求等,這些差異項(xiàng)的技術(shù)路線統(tǒng)一需從整體通盤考量,有些難度較大。
3 技術(shù)路線統(tǒng)一的思路
3.1 分歧產(chǎn)生的原因
兩份焊評(píng)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)路線分歧,源自于參考標(biāo)準(zhǔn)ASEM第Ⅸ卷和RCC-M的差異,這與參考標(biāo)準(zhǔn)版本的變化、國家工業(yè)基礎(chǔ)環(huán)境和具體堆型實(shí)踐的不同息息相關(guān)。具體而言,RCC-M在早期版本(2000Ed.+2002Ad及以前)遵守了ASME第Ⅸ中的要素,幾乎ASME第Ⅸ卷中所有要素均可在RCC-M中找到對(duì)應(yīng)的要求,同時(shí)也存在一些重大不同,如試驗(yàn)項(xiàng)目,插套焊、支管等特殊規(guī)定等;后期RCC-M(2007 Ed.及以后)受地區(qū)影響和EPR堆型的推廣考慮,評(píng)定規(guī)則基于ISO 15614-1,脫離了ASME第 Ⅸ卷的框架。
ASME Ⅸ在Introduction指出“The purpose of the Procedure Specification and the Procedure Qu-alification Record (PQR) is to ensure the material joining process proposed for construction is capable of producing joints having the required mechanical properties for the intended application”,其目的僅為保證接頭機(jī)械性能,其他與接頭完好性有關(guān)的因素(例如管道外徑大?。?huì)在焊工考試中而不是焊評(píng)標(biāo)準(zhǔn)中處理。ISO 15614-1指出“The primary purpose of welding procedure qualification is to demonstrate that the joining process proposed for construction is capable of producing joints having the required mechanical properties for the intended application”。這里保證機(jī)械性能是主要目的,但不是唯一目的。還要求滿足無損檢測(缺陷控制)、硬度/金相(組織)、鐵素體含量(避免過低造成熱裂紋、過高影響服役性能)、晶間腐蝕等,增加的評(píng)定合格項(xiàng)目導(dǎo)致需要考慮的影響因素增多。由上述分析可知,分歧產(chǎn)生的根本原因是對(duì)評(píng)定合格接頭的要求不同,或者說焊接出發(fā)點(diǎn)不同,導(dǎo)致試驗(yàn)檢驗(yàn)項(xiàng)目和變素等規(guī)定產(chǎn)生較大的差異。
如果僅將機(jī)械性能作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),ASME Ⅸ是完善的;然而如需考慮其他檢驗(yàn)項(xiàng)目時(shí),ASME在要素上就存在一些不足,例如,背面保護(hù)氣體不當(dāng)發(fā)生氧化,會(huì)造成耐腐蝕性能下降,嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)菜花狀缺陷;不銹鋼或鎳基合金中的道間溫度過高,則促進(jìn)熱裂紋的產(chǎn)生;后熱不恰當(dāng)可能產(chǎn)生冷裂紋等,而這些在ASME中都不影響工藝評(píng)定的有效性。另一方面,ISO 15614-1則可能過于嚴(yán)苛,有些要素與評(píng)定接頭質(zhì)量無直接聯(lián)系,例如試件的外徑、焊接方法的自動(dòng)化程度、接頭有無襯墊等。
3.2 國際研究動(dòng)態(tài)
關(guān)于ISO與ASME第Ⅸ卷焊接工藝評(píng)定的融(harmonization),世界核協(xié)會(huì)(World Nuclear Assoc-iation)組織TWI、斗山、AREVA、Westinghouse、JSME等單位已經(jīng)開展了有關(guān)研究。階段性研究成果認(rèn)為,兩者完全融合是困難的[7-9]。
ISO/TC44已出版ISO 15614.1-2017,為了包容ASME第Ⅸ卷的要求,在標(biāo)準(zhǔn)中引入Level 1、Level 2兩種評(píng)定方法,Level 1對(duì)應(yīng)ASME第IX卷,level 2對(duì)應(yīng)原ISO 15614.1,且在第一章總則中明確規(guī)定:“In level 2,the extent of testing is greater and the ranges of qualification are more restrictive than level 1”、“Procedure tests carried out to level 2 automatically qualify for level 1 requirements,but not vice-versa”。以上表述與文中對(duì)比結(jié)果中有關(guān)焊接變素和試驗(yàn)項(xiàng)目方面的結(jié)論是一致的。
3.3 技術(shù)路線統(tǒng)一解決方案
綜合考慮,在焊接工藝評(píng)定的技術(shù)路線統(tǒng)一上,存在4種可選方案,各有利弊,如表4所示。
經(jīng)深入討論,立足于我國核電產(chǎn)業(yè)需求、工業(yè)基礎(chǔ)、監(jiān)管環(huán)境及核電技術(shù)多樣性的現(xiàn)狀,最終課題組(工作組)選擇第2種方案。這與目前國際上標(biāo)準(zhǔn)融合的實(shí)踐相一致。
當(dāng)然,在國內(nèi)自主化、開展獨(dú)立研究的同時(shí),應(yīng)跟蹤、消化ISO 15614-2017 版的變化,以及國際上相關(guān)研究動(dòng)態(tài),作為焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)路線統(tǒng)一的重要參考。
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