在役期間焊接修補要求與建造期間的差異性和特點

鄧峰，李哲，郭利峰

中國核電工程有限公司 北京 100840

1 序言

近年來，隨著我國浙江、山東、福建、海南等省數(shù)臺核電機組裝料運行，截止2019年12月底，我國共有47臺商業(yè)核電機組在運行，因此在役期間焊接修補的問題變得更加迫切起來。

核電站投運后，受復(fù)雜工況和環(huán)境的影響（機械疲勞、熱老化、流體加速腐蝕等），在運行期間可能產(chǎn)生缺陷，或?qū)е轮圃炱陂g原有缺欠擴展為缺陷，因而在役檢查與維修處理是電站在役期間及時發(fā)現(xiàn)、處置各類缺陷，保證核電站安全水平必不可少的手段，而焊接修補是在役期間一種非常重要的缺陷處理方法。在役期間的焊接修補具有其特殊性，不能簡單照搬電站建造期間的要求。目前，我國關(guān)于核電在役期間焊接修補的標準規(guī)范要求還是空白，一些重要在役焊接修補技術(shù)方面嚴重依賴國外。

對于回火焊道技術(shù)及不銹鋼同質(zhì)堆焊返修技術(shù)應(yīng)用于核電廠在役返修，國內(nèi)已有初步研究應(yīng)用，在運行和退役的標準體系研究中，核電在役期間焊接修補的研究是其不可或缺的一環(huán)。國內(nèi)對于在役期間焊接修補規(guī)范尚無系統(tǒng)、完整的研究。本文以ASME第Ⅺ卷相關(guān)條款為指引，研究核電站在役期間的焊接修補要求，從而形成完整、系統(tǒng)的核電在役期間焊接修補規(guī)范要求，為在役期間相關(guān)標準制定提供堅實支撐。

2 對比構(gòu)建

作為研究目標，我們對ASME 2010版中建造期間要求的NB-4400[1]、NX-4453.4、NX-4622.9內(nèi)容和以在役期間要求的ASME第Ⅺ卷IWA[2]和非強制性附錄Q進行了對比。

2.1 建造期間的要求

建造期間[3]缺陷的去除和焊接按照NB 4400的要求進行，包括對缺陷的去除方法、缺陷去除后的無損檢測要求，以及焊接補修后的要求。

建造期間修補的檢測按照NX 4453.4要求進行,包括磁粉檢測、液體滲透檢測、超聲波檢測和射線檢測等要求。

建造期間回火焊道返修技術(shù)要求在ASME第Ⅲ卷NX 4622.9中規(guī)定，包括一般要求、母材和焊縫的返修、堆焊層返修，以及帶有隔離層的異種鋼焊縫的回火焊道返修等內(nèi)容。

水下焊接技術(shù)要求和Overlay返修要求在ASME第Ⅲ卷未做出規(guī)定。

2.2 在役期間的要求

在役期間焊接、釬焊、金屬去除和安裝、檢測和試驗要求、回火焊道返修技術(shù)，以及水下焊接技術(shù)、非強制性附錄Q（Overlay返修要求），分別在ASME第Ⅺ卷IWA-4400、IWA-4500、IWA-4600和非強制性附錄Q中規(guī)定，見表1。

表1 ASME第Ⅺ卷IWA在役部分框架結(jié)構(gòu)

3 對比分析

通過從缺陷去除、缺陷評價、去除后的檢測、焊工資質(zhì)要求、修補方法等幾個方面對比異同，發(fā)現(xiàn)總體上在役期間規(guī)范與建造規(guī)范的關(guān)系是：在役標準的缺陷去除、修補、修補后檢查等活動是在建造規(guī)范基礎(chǔ)上的修訂或補充，在役標準內(nèi)容不足以支撐單個標準，獨特的焊接修補方法、回火焊道、Overlay等，整體可形成一份在役期間的焊接標準。

除了IWA-4600、附錄Q這些特殊的在役焊接技術(shù)要求外，IWA-4400與IWA-4500涉及的焊接、釬焊、缺陷去除、焊后檢測和試驗只是建造期間制造及檢測內(nèi)容（NX-4000/NX-5000）的一部分。因此，在役期間的焊接修補規(guī)范必須以建造規(guī)范為基礎(chǔ)，而不是一個獨立的規(guī)范。

在役期間規(guī)范其基礎(chǔ)在于，通常認為原建造規(guī)范是合理的，可以獲得滿足要求的質(zhì)量和安全水平（否則電站本身的質(zhì)量水平就存在問題）。此外，對于已建成的電站，將已有設(shè)備和系統(tǒng)升級到新的建造規(guī)范是耗資巨大且非常困難的。因此，在役期間使用原建造規(guī)范進行的焊接、缺陷去除和檢測等也在邏輯上可獲得同樣滿足要求的質(zhì)量和安全水平。

同時，考慮到在役期間的特點，某些適用于建造階段的建造規(guī)范要求可能并不適用于在役期間的要求，因而針對這些情況進行了修訂和補充。

總體來說，在役期間的焊接參數(shù)對于建造期間的焊接參數(shù)既有繼承，又有補充和修正。補充和修正的差異性和特點主要體現(xiàn)在以下幾點。

（1）遵循的規(guī)范版本 在役期間規(guī)范需要考慮在電站服役壽命期內(nèi)采用不同規(guī)范版本的問題，在役標準IWA-4411中專門給出了使用規(guī)范以及版本的要求，按原建造規(guī)范和版本開展活動無疑是允許的。同時與建造階段相比，電站服役壽命長達為40年甚至60年，在整個在役期間進行的焊接等活動，存在難以完全按建造時規(guī)定的標準規(guī)范版本執(zhí)行的情況，例如，難以采購按早期的標準規(guī)范供貨的設(shè)備或者調(diào)用其他電廠按早期的標準規(guī)范生產(chǎn)的庫存設(shè)備等，需要考慮執(zhí)行與建造時不同的規(guī)范和版本，以及需要遵循的條件。使用不同規(guī)范，或者第III卷的不同版本需要考慮它們之間差異的影響，這一過程被稱為協(xié)調(diào)。其中IWA-4222明確只對影響材料、設(shè)計、制造、檢測，以及影響壓力邊界、堆內(nèi)構(gòu)件、設(shè)備支撐件功能的技術(shù)要求進行協(xié)調(diào)。管理要求無需協(xié)調(diào)，可以使用被更換件的原建造規(guī)范的管理要求，也可以使用更換件的管理要求。IWA-4223中規(guī)定，對于部件（容器、熱交換器、泵、閥門等），如果使用更新的標準規(guī)范，無需進行規(guī)范的協(xié)調(diào)。

（2）焊接工藝評定和焊工資格 在建造規(guī)范中，制造商或安裝公司應(yīng)評定其使用的焊接工藝，不允許使用其他單位的焊接工藝評定。對于在役期間，可能存在下面這種情況，即修理/更換時間窗口短，而修理/更換單位沒有工作所需的焊接工藝評定，重新評定所需要的時間較長，可能難以滿足電廠的計劃，而其他單位具有所需的焊接工藝評定。這種需求是由于在役期間返修往往對于時間具有嚴格要求所產(chǎn)生的。

在役期間規(guī)范允許在滿足一定條件的前提下，業(yè)主可使用由其他業(yè)主轉(zhuǎn)移的焊接工藝評定。這些條件，包括使用轉(zhuǎn)移的焊接工藝評定的業(yè)主為了證明其具有實施能力，要使用該焊接工藝評定支持的焊接工藝規(guī)程完成一個演示試件?？偟膩碚f，在役期間的特點，使得建造期間的有些規(guī)定無法或難以實施。然而它又并非簡單地放松，為了保證質(zhì)量，又增加了一些條款，提供了另外的途徑，使得其達到類似的作用。

對于焊工也存在類似問題。規(guī)定允許在滿足一定條件（包括接受焊工的業(yè)主要對焊工進行資格更新試驗）的前提下，業(yè)主使用其他業(yè)主考核的焊工。

（3）缺陷去除 缺陷去除要求內(nèi)容與建造規(guī)范存在巨大的差異，這一部分在IWA-4412中被明確為按IWA-4420執(zhí)行，而不是在建造規(guī)范的基礎(chǔ)上進行修正、補充。

第一個明顯的差異就是IWA-4421中規(guī)定了缺陷去除方法。在建造規(guī)范中，缺陷應(yīng)通過機加工或熱加工方式去除，如果去除的厚度不滿足要求，還要求進行補焊。而在役期間，采用機加工方式或熱加工方式去除缺陷后，可以保留一定尺寸的缺陷（部分去除缺陷），在焊接時可以采用缺陷緩解（Mitigation）的方式（如Overlay），還可以通過IWA-4340改造（Modification）的方式，對于缺陷緩解和改造的情況，原缺陷可以仍然保留。這些方式為在役期間的缺陷處理提供了更多選項，有利于在保證安全的前提下以更方便快捷的方式處理缺陷。實際上，“缺陷去除”（Defect Removal）改為“缺陷處理”（Defect Treatment）可能更為合適。

第二個差異是關(guān)于缺陷的評價。IWA-4422.1a規(guī)定允許缺陷減小到可接受的尺寸，對于一定深度的表面缺陷，可以將缺陷完全去除（假設(shè)此時不滿足最小壁厚）再焊接（這是建造規(guī)范中的做法），也允許去除部分缺陷，使得剩余缺陷滿足在役檢查的驗收標準，且剩余厚度滿足最小壁厚要求，這樣就給了業(yè)主更多的處理選項。另外是使用Overlay，通過在外壁增加承壓邊界厚度的方式，使得原來不滿足要求的缺陷變成符合在役檢查的驗收標準。此外，對于剩余壁厚小于最小壁厚的情形，IWA-4422.1b規(guī)定可以采用評價的方式，判斷其是否可以接受。

第三個差異是缺陷去除后的檢測要求。對于缺陷去除后無需后續(xù)焊接的操作，缺陷去除后的狀態(tài)就是最終狀態(tài)，此時要求采用最初發(fā)現(xiàn)缺陷的檢測方法進行重新檢測。由于最終允許采用建造規(guī)范的驗收標準或在役的驗收標準，所以不要求缺陷完全去除，可以是部分去除。除此之外，還要進行IWA-4530要求的役前檢查。

對于缺陷去除后進行后續(xù)焊接的操作，IWA-4422.2.2規(guī)定了缺陷去除后、焊接前的檢查要求是表面檢測，并允許在3種情況下可免除。第1種情況是去除缺陷處全部壁厚，這一要求同建造規(guī)范。第2種情況是去除后的表面檢測不可行或不能提供有意義的結(jié)果，例如，管道存在穿透性漏孔，而維修后僅去除部分壁厚（此時漏孔仍存在，表面檢測總有顯示，不能提供有意義的結(jié)果），后續(xù)的補焊厚度能保證足夠的承壓邊界。第3種情況是補焊后的檢測與發(fā)現(xiàn)缺陷的方法相同。

需要注意的是，此處僅規(guī)定的是缺陷去除后、焊接前的檢測要求，且規(guī)定驗收標準可以滿足建造規(guī)范或在役規(guī)范要求。由于焊接后的檢測要求還需要按IWA-4520進行，IWA-4520通常要求驗收標準滿足建造規(guī)范的要求（規(guī)定了例外情況除外），所以缺陷去除后的驗收要求與焊接后的檢測要求存在不一致的情況。對于缺陷去除后、焊接前的檢測要求，除了IWA-4520規(guī)定的特殊情況（以及附錄Q）外，驗收標準應(yīng)按建造規(guī)范執(zhí)行為宜。

（4）檢測 IWA-4520規(guī)定了在役期間制造、安裝、修理、更換等涉及的焊接，應(yīng)按建造規(guī)范的要求進行檢測。同時，并針對在役期間的特點增加以下差異。

首先，如果在同樣部位的全焊透對接焊縫無體積檢測要求時，可以免除3級設(shè)備母材補焊后的檢測要求。這個條款是合理的，但是涉及面很小，可以不用保留。其次，對于IWA-4600的特殊焊接方法（回火焊道、水下焊接等），使用其相應(yīng)的專門要求，而不是使用這里的通用要求。最后，在IWA-4520b和IWA-4521中規(guī)定了一定條件下可以使用其他檢測方法和驗收標準代替建造規(guī)范中的要求，例如使用UT代替RT（源于Code Case N-587）。需要注意的是，IWA-4520b和IWA-4521的這些規(guī)定，NRC在10CFR50.55a中并未認可。

總體看來，除了個別特殊情況外，焊接后的檢測項目和驗收標準要滿足建造規(guī)范的要求。

IWA-4530規(guī)定，對于在役期間的修理/更換活動（包括僅去除缺陷、無后續(xù)焊接的情況），如果涉及需要在役檢查的部位，那么需要在投入使用前，重新進行役前檢查，從而為后續(xù)的在役檢查提供一個比較的基準，顯然這是在役期間特有的。規(guī)范允許焊接后檢測與役前檢查同時進行，例如焊接后要求進行PT檢測，而役前檢查也要求進行PT檢測，那么可以進行一次PT檢測而不要求重復(fù)進行兩次。注意此時，PT檢測要同時滿足建造和役前檢查的要求（例如，檢測區(qū)域）。

（5）回火焊道 回火焊道的差異不能被理解為因在役實施的條件而產(chǎn)生的差異，建造階段的回火焊道（ASME III）和在役期間的回火操作（ASME XI）目的都是通過精確控制焊接的能量和位置，使用焊縫金屬來對于母材熱影響區(qū)的粗晶區(qū)進行回火處理，使得其沖擊性能滿足要求。由于在役期間的回火焊接具有非常廣泛的應(yīng)用經(jīng)驗，如前所述，1973版的XI補遺就引入了焊條電弧焊的半焊道回火返修條文。后期也在電站在役中不斷研究應(yīng)用，ASME XI卷 1991年補遺按規(guī)范案例N-432引入了GTAW方法，2015版的XI卷增加了室溫下的回火返修技術(shù)，從而可以在設(shè)備不排空水的條件下開展返修等，而建造期間的應(yīng)用相對較少（且建造規(guī)范中有限制性條款），所以來自現(xiàn)實的應(yīng)用需求和反饋，使得第XI卷的回火返修技術(shù)內(nèi)容較建造規(guī)范更加細致、完善。對比標準表中內(nèi)容也體現(xiàn)了這一點。

需要注意的是，與缺陷去除類似，挖除缺陷后的無損檢測驗收標準是ASME XI，而回火焊道返修后的無損檢測驗收標準是建造規(guī)范，存在不協(xié)調(diào)。

后續(xù)標準草案中的處理方式：回火焊道的總體要求應(yīng)符合ASME第XI卷，對于缺陷去除后、焊接前的檢測要求，除了IWA-4520規(guī)定的特殊情況外，驗收標準應(yīng)按建造規(guī)范執(zhí)行。

4 結(jié)束語

通過A S M E對比在役期間規(guī)范和建造期間規(guī)范，可以得到以下結(jié)論。

1）在役期間的焊接參數(shù)不是獨立成篇的，而是在建造規(guī)范的基礎(chǔ)上，進行的補充和修訂。

2）這些補充和修訂是考慮到在役期間的特點而確定的，主要包括：①允許采用不同于建造期間的要求。這是由于電站運行壽命期很長，所以在整個在役期間進行的焊接等活動，存在難以完全按建造時規(guī)定的標準規(guī)范版本執(zhí)行的情況。②焊接工藝評定和焊工資格允許在滿足一定條件下，從一個業(yè)主轉(zhuǎn)移到另一個業(yè)主。這種需求是因在役期間返修往往對于時間具有嚴格要求而產(chǎn)生的。③在役階段缺陷去除包含更豐富的方法，甚至允許保留原缺陷。實際上，“缺陷去除”（Defect Removal）改為“缺陷處理”（Defect Treatment）可能更為合適。缺陷處理后的驗收標準可以使用建造的標準，也可以使用在役的標準。需要注意的是目前ASME XI中使用機加工或熱加工方法去除缺陷后、補焊前的無損檢測驗收標準與補焊后的驗收標準存在不協(xié)調(diào)的地方。④除了個別特殊情況外，焊接后的檢測項目和驗收標準要滿足建造規(guī)范的要求。另外，需要注意的是，IWA-4520b和IWA-4521規(guī)定了一定條件下可以使用其他檢測方法和驗收標準代替建造規(guī)范中的要求，這并未被NRC認可。⑤在役階段的回火焊道返修內(nèi)容更為豐富、細致，這可能是由于在役期間豐富的應(yīng)用反饋和需求造成的。例如，室溫下的GTAW回火返修技術(shù)，使得在設(shè)備不排空水的情況下也可以進行。需要注意，挖除缺陷后的無損檢測驗收標準是ASME XI，而回火焊道返修后的無損檢測驗收標準是建造規(guī)范，存在不協(xié)調(diào)。