高溫反應(yīng)堆焊縫無損檢測驗收準則確定方法探究

付一鳴，高付海，齊 敏，王月英，徐海濤

(中國原子能科學研究院 核工程設(shè)計研究所，北京 102413)

以鈉冷快堆為代表的先進高溫反應(yīng)堆是目前核能技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略要地，其高溫機械設(shè)備在復(fù)雜服役環(huán)境中的結(jié)構(gòu)完整性直接影響反應(yīng)堆的安全與可靠性。機械結(jié)構(gòu)在制造焊接過程中不可避免地產(chǎn)生的各類缺陷是引起結(jié)構(gòu)失效的主要原因，所以需要通過各種無損檢測手段對制造缺陷進行嚴格、有效的控制。然而，過于嚴苛的缺陷驗收標準不僅會大幅增加制造工藝難度、提高生產(chǎn)成本，而且過多的、高約束條件下的返修有可能產(chǎn)生無損檢測不易察覺但實際危害更大的潛藏裂紋[1-3]。因此掌握科學合理的無損檢測缺陷評定與驗收技術(shù)是保障先進反應(yīng)堆安全性與提高經(jīng)濟性的重要技術(shù)支撐。

我國目前尚未建立起針對快堆等先進高溫堆型的無損檢測缺陷驗收標準體系。壓水堆在國際上已有超過50年的建造運行經(jīng)驗，因此可以直接參考國外的ASME、RCC-M等經(jīng)典規(guī)范中的缺陷驗收準則[4-8]。鈉冷快堆等先進堆型機械設(shè)備往往具有高溫、薄壁等特點，使用的金屬承壓材料也與壓水堆有顯著差別，所以直接沿用壓水堆的無損檢測驗收標準依據(jù)不足。此外，目前世界各國使用的高溫反應(yīng)堆無損檢測缺陷驗收標準差異較大，而且通過長期積累工程經(jīng)驗制定驗收標準的方式已不適合當前核工業(yè)的發(fā)展需求，因此需要考慮使用更先進的缺陷評估方法制訂高溫反應(yīng)堆關(guān)鍵設(shè)備制造驗收環(huán)節(jié)的缺陷驗收標準[1,9]。

本文擬比較分析ASME、RCC系列和PNAE G-7-010-89等國際上較成熟的核設(shè)備焊縫無損檢測驗收標準，分析其各自的特點及差異的原因，在此基礎(chǔ)上研究此類制造驗收環(huán)節(jié)所使用驗收準則的制定過程，及此類驗收準則的局限性；然后從斷裂力學和蠕變-疲勞損傷等角度出發(fā)分析焊接缺陷對結(jié)構(gòu)機械性能的影響，進而提出基于斷裂力學理論和損傷模型制定無損檢測驗收準則的基本思路。

1 經(jīng)典規(guī)范的比較

盡管目前國內(nèi)外許多較成熟的規(guī)范均給出了各自的焊縫無損檢測驗收準則，但部分規(guī)范之間的驗收標準差異較大，而且在快堆等先進堆型上的適用性尚未得到充分驗證。表1為常見核設(shè)施和壓力容器焊縫無損檢測驗收標準相關(guān)的規(guī)范及各自的適用場景。美國的ASME BPVC第Ⅲ卷[4]是國際公認的核設(shè)施設(shè)計建造標準規(guī)范，其焊縫無損檢測驗收準則沿襲了第Ⅷ卷民用壓力容器的驗收準則，這套驗收體系已經(jīng)在壓水堆的建造運行中得到了充分驗證。法國在ASME規(guī)范體系的基礎(chǔ)上結(jié)合自身積累的工業(yè)經(jīng)驗形成了RCC系列標準，其中RCC-M[5]適用于壓水堆機械設(shè)備的設(shè)計建造，RCC-MRx[6]可用于實驗堆、高溫堆和聚變堆等的設(shè)計建造。然而法國這些規(guī)范的焊縫無損檢測驗收標準并未根據(jù)不同的堆型而有所區(qū)分。我國在RCC-M無損檢測驗收準則的基礎(chǔ)上形成了《核電廠核島機械設(shè)備無損檢測》(NB/T 20003)標準[7]，同時根據(jù)ASME第Ⅲ卷編制了《核電廠核島機械設(shè)備無損檢測另一規(guī)范》(NB/T 20328)[8]作為補充，兩套規(guī)范在內(nèi)容上和RCC-M或ASME基本一致。俄羅斯的核動力裝置標準化工作起步較早，目前為止其設(shè)計建造的反應(yīng)堆均遵循PNAE G-7系列規(guī)范文件，如焊縫的檢驗與驗收遵循《核動力裝置設(shè)備和管道焊接接頭和堆焊的檢驗規(guī)程》(PNAE G-7-010-89)。這些規(guī)范制訂時雖然也參考了同時期的ASME規(guī)范，但主要方法、思路和形式與ASME差距較大[10-12]。

表1 核設(shè)施和壓力容器焊縫無損檢測驗收標準相關(guān)規(guī)范及適用場景Table 1 Main standard of weld NDT acceptance criteria and applicability

1.1 ASME與RCC系列規(guī)范的相似性

ASME規(guī)范第Ⅲ卷給出了滲透、磁粉、射線和超聲等不同無損檢測手段對應(yīng)的驗收標準，這些驗收標準對于不同規(guī)范等級的設(shè)備是無差異的。此外作為表面檢測手段，滲透和磁粉檢測使用同一套驗收標準；作為體積檢測手段的超聲和射線檢測同樣使用一套驗收標準。ASME規(guī)范第Ⅲ卷針對核級設(shè)備的無損檢測驗收標準是從第Ⅷ卷民用壓力容器的驗收標準直接沿襲而來的[9]。

RCC-M、RCC-MR、RCC-MRx等法國核島機械設(shè)備的設(shè)計制造規(guī)范雖然規(guī)定了各自適用的堆型，但其無損檢測驗收標準部分是一致的。與ASME不同的是，RCC系列規(guī)范針對不同規(guī)范等級的設(shè)備給出了不同嚴苛程度的驗收標準，而且超聲檢測使用了不同于射線檢測的驗收方法。

ASME與RCC規(guī)范一級設(shè)備滲透檢測缺陷驗收標準的對比列于表2。ASME和RCC都不允許裂紋等條形缺陷的存在，ASME允許5 mm以下的圓形缺陷，RCC給的圓形缺陷限值為4 mm，因此此處RCC略嚴于ASME；但就二者對于需要記錄的缺陷限值，ASME稍嚴。對于鏈狀缺陷，RCC標準嚴于ASME，但對于集群缺陷則ASME更嚴。

表2 ASME與RCC規(guī)范中滲透檢測驗收準則比較Table 2 Comparison of penetration testing acceptance criteria for ASME and RCC

對于射線檢測出的體積缺陷，ASME將缺陷分為條形缺陷、圓形缺陷，分別給出了不同的允許缺陷尺寸限值；RCC則分為氣孔和夾渣兩類缺陷分別驗收。對于超聲檢測，二者使用的評判標準不同，因為RCC使用反射波幅度對缺陷評判，因此兩套驗收準則很難直接比較嚴苛度。RCC系列規(guī)范對于二、三級設(shè)備適當放寬了驗收限值，因此對于除一級設(shè)備以外的設(shè)備，RCC系列規(guī)范中的驗收標準相比ASME要寬松。

總的來說，不能完全證明ASME和RCC中哪一個更嚴格或更科學，它們各自結(jié)合了本國的焊接技術(shù)和實踐經(jīng)驗；就基本思路和框架體系，二者是一脈相承的。

1.2 俄羅斯PNAE G-7-010-89標準的特殊性

俄羅斯的《核動力裝置設(shè)備和管道焊接接頭和堆焊檢驗規(guī)程》(PNAE G-7-010-89)專門對焊接部位的檢驗程序和驗收標準做出了規(guī)定。與ASME和RCC系列規(guī)范相比，俄羅斯的這套規(guī)范差異顯著。首先該標準的驗收準則制定得更詳細具體，同時總體也更嚴苛。標準不僅對焊接接頭公稱厚度的分類更細，而且根據(jù)不同壁厚對缺陷的最大允許數(shù)量也給出了詳細的規(guī)定，這與ASME、RCC等國際上常用的標準規(guī)范均有很大差異。俄羅斯的焊縫檢驗規(guī)范不僅區(qū)別了不同的規(guī)范等級，還對高溫服役設(shè)備做了專門區(qū)分；但在強度計算時3個規(guī)范等級使用相同的評價方法[10-12]。

《核動力裝置設(shè)備和管道焊接和堆焊檢驗規(guī)程》(PNAE G-7-010-89)是和《核動力裝置設(shè)備和管道強度計算規(guī)范》(PNAE G-7-002-86)相匹配的檢驗規(guī)范，因此前者對焊接接頭的較嚴苛的驗收標準與后者評價焊接部位不需要乘以焊縫減弱系數(shù)的設(shè)計方法應(yīng)是一致的。而ASME在測定材料的疲勞-壽命曲線時，主要根據(jù)是母材的疲勞性能測試結(jié)果，因此得到的疲勞-壽命曲線不能包絡(luò)焊接接頭性能差異帶來的不確定因素[9]，所以需要引入焊縫減弱系數(shù)以保證設(shè)計的保守性。

1.3 最新通用焊接質(zhì)量分級標準的先進性

以《焊縫缺陷分級體系》(ISO 5817)為代表的行業(yè)通用焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量分級標準較上述規(guī)范更具時效性[13]。這些規(guī)范已基本拋棄了根據(jù)無損檢測手段制定驗收準則的方式，而是專注于缺陷本身，如缺陷的類型、位置、大小等。這種質(zhì)量評定方式結(jié)合了近幾十年無損檢測技術(shù)本身的發(fā)展情況，對缺陷的驗收也從簡單的質(zhì)量控制手段開始向科學的缺陷評估方法轉(zhuǎn)變。然而這類規(guī)范尚未在核島機械設(shè)備的驗收中得到應(yīng)用。

通過比較上述標準規(guī)范可知，不同標準對制造缺陷的驗收沒有完全統(tǒng)一的衡量標準或判定依據(jù)。此外國際上近年來不再過分強調(diào)射線檢測和超聲檢測等檢測手段對缺陷探測的差異性，因此最近發(fā)布的焊縫缺陷分級體系沒有根據(jù)檢測手段區(qū)分不同的驗收標準；但ASME、RCC等規(guī)范仍沿用了20世紀七八十年代確立的驗收準則，隨著無損檢測技術(shù)手段及缺陷評價方法的發(fā)展，這些準則的適用性亟待進一步探討[9]。

2 質(zhì)量評定標準的制定過程與局限性

國內(nèi)外普遍認為，ASME等經(jīng)典規(guī)范的無損檢測驗收準則主要根據(jù)工程經(jīng)驗得來，主觀性和保守性較大[1-3,9]。最早的無損檢測驗收準則是針對射線檢測制定的，由于射線檢測對氣孔和夾渣等體積缺陷的檢測能力遠大于裂紋等面積型缺陷，因此從一開始驗收標準就對氣孔等體積缺陷給出了詳細的規(guī)定，而對于裂紋直接采用了不予驗收的概括性規(guī)定[9]。一般裂紋等平面型缺陷確實對結(jié)構(gòu)危害更大，因此這種規(guī)定也容易接受，但射線檢測對裂紋的檢測能力實際上不足以完全保證結(jié)構(gòu)的可靠性。對于體積型缺陷，經(jīng)典規(guī)范制訂的主要參考依據(jù)是當時本國的焊接工藝水平，發(fā)展過程中各自結(jié)合了一些結(jié)構(gòu)件失效原因的經(jīng)驗總結(jié)，因此各國的驗收標準存在一定差異。

針對體積型缺陷的驗收準則并非越嚴越好。安全性方面，數(shù)量不多、尺寸較小的內(nèi)部氣孔、夾渣等缺陷對結(jié)構(gòu)的服役性能影響較為有限，在高度約束條件下進行返修反而有形成裂紋的風險。由于射線檢測對裂紋的檢測能力有限，因此對體積型缺陷設(shè)立過于嚴苛的驗收標準反而不利于保證焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。經(jīng)濟性方面，大量的返修或判廢必然造成不必要的浪費，制造成本也將大幅提高[3]。因此在無明確根據(jù)的情況下，不應(yīng)輕易提高體積型缺陷的驗收標準。此外，由于無損檢測技術(shù)本身的發(fā)展，許多過去難以檢出的微小缺陷目前已可以檢出，然而過去的建造運行經(jīng)驗實際上證明了此類缺陷的危害是極為有限的，因此對于此類缺陷的驗收標準也應(yīng)重新考量[9]。

基于工程經(jīng)驗制定缺陷驗收標準的方法已不能滿足目前核工業(yè)的發(fā)展需求。一方面這種對工藝質(zhì)量進行控制的驗收標準沒有建立起焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)機械性能之間的量化關(guān)系，因此用這種方法驗收的焊接結(jié)構(gòu)的安全可靠性得不到充分證明；另一方面由于這種驗收標準的保守性得不到有效評估，因此在實際使用過程中很難根據(jù)實際需求適當放寬或加嚴。

3 不同類型缺陷對焊接接頭性能的影響

最早的焊接壓力容器無損檢測條款大約出現(xiàn)在20世紀30年代，當時對于焊接缺陷可能引起的結(jié)構(gòu)性能下降的方式和程度尚未明確[9]。而隨著斷裂力學和疲勞損傷等理論的發(fā)展，常見缺陷對焊接接頭性能的影響方式和危害程度的研究已經(jīng)較為深入。近年來Macdonald[2]在前人基礎(chǔ)上結(jié)合疲勞損傷和斷裂力學的方法，對焊接缺陷引起的結(jié)構(gòu)性能的變化進行了更加系統(tǒng)的研究。

3.1 體積型缺陷對焊接接頭性能的影響

體積型缺陷主要指焊接過程中出現(xiàn)的氣孔和夾渣。氣孔常見的形態(tài)有單個球形、單個條形或蟲形、局部密集顯示等。這類缺陷的危害程度主要取決于氣孔數(shù)量、尺寸和幾何形態(tài)等。局部密集氣孔容易在服役過程中發(fā)展、合并從而顯著降低焊接接頭的有效截面積，嚴重降低結(jié)構(gòu)強度，同時影響壓力容器的氣密性，因此各類規(guī)范均專門針對密集顯示制訂了驗收標準。

夾渣的危害程度取決于夾雜物屬性、數(shù)目、尺寸大小、幾何形態(tài)，其幾何形狀不規(guī)則，尤其是存在棱角或尖角時危害嚴重，易造成應(yīng)力集中，進而誘發(fā)疲勞裂紋的萌生[14]。同時夾雜物與母材性能差異越大，應(yīng)力集中越明顯，疲勞裂紋萌生速率也越快。

體積型缺陷位于內(nèi)部時危害程度較有限，但位于表面時易引發(fā)疲勞裂紋的萌生和擴展，表面裂紋的應(yīng)力強度因子也往往更大，因此對應(yīng)更高的斷裂風險。一般認為，當表面體積型缺陷的長寬比大于3時，缺陷尖端處極易誘發(fā)疲勞裂紋，因此幾乎所有標準規(guī)范都對此類缺陷做出了嚴格限制[4-6,10,13]。

滲透檢測和磁粉檢測等表面檢測手段均可檢出大多數(shù)表面體積缺陷，而深層體積缺陷主要依賴射線檢測手段進行檢查，部分深層體積缺陷也可使用超聲檢測探出，但普通的超聲探傷儀對體積型缺陷的靈敏度和精確度差于射線探傷裝置[9,15]。

3.2 平面型缺陷對焊接接頭性能的影響

平面型缺陷可以是裂紋、未熔合、未焊透、咬邊等缺陷類型。此類缺陷一般具有裂紋的特征，容易在服役過程中擴展形成長裂紋，嚴重影響焊接結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。大多數(shù)規(guī)范都不允許在制造環(huán)節(jié)出現(xiàn)平面型缺陷，在役檢查中如果檢出了此類缺陷，則要根據(jù)斷裂力學等理論全面評估缺陷風險，確保平面型缺陷沒有失穩(wěn)擴展的可能方可繼續(xù)使用。平面型缺陷主要靠超聲檢測手段檢出，位于表面時也可通過表面檢測手段檢出[15]。

由于不同標準規(guī)范之間的差異主要集中在對體積型缺陷設(shè)定的限值上，各類規(guī)范對平面型缺陷的限制都很嚴格，因此制定無損檢測驗收準則主要應(yīng)關(guān)注體積型缺陷。現(xiàn)階段核級設(shè)備在制造驗收環(huán)節(jié)仍應(yīng)嚴格限制平面型缺陷的出現(xiàn)。

在對焊接缺陷有更深入、完整研究的基礎(chǔ)上，通過強度理論、斷裂力學和疲勞損傷等方法制定無損檢測驗收準則的條件已經(jīng)具備，可以使用這些缺陷評價手段對缺陷影響進行系統(tǒng)性總結(jié)，根據(jù)需要制定出更科學合理且有針對性的無損檢測驗收標準。

4 確定驗收標準可使用的缺陷評價方法

4.1 基于斷裂力學的缺陷評價方法

隨著斷裂力學理論的發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，基于斷裂力學的缺陷評估方法已在國際上逐漸成熟起來[1-3,16-17]。如ASME規(guī)范在役檢查部分就使用了應(yīng)力強度因子的裂紋擴展判定手段，英國的R5和R6規(guī)范也都介紹了較成熟的裂紋評價流程和判據(jù)。目前國際上主要的涉及斷裂力學的缺陷評價方法列于表3，相關(guān)技術(shù)理論包括應(yīng)力強度因子判據(jù)[4]、COD方法[18-21]和失效評定圖[22]等。

表3 涉及到斷裂力學的缺陷評價方法Table 3 Main defect analysis method related to fracture mechanics

這些方法都需要明確材料的斷裂韌性等力學性能參數(shù)，還要對缺陷的尺寸進行規(guī)則化處理，這些均需通過計算裂紋尖端附近的應(yīng)力場或應(yīng)變量才能得出準確結(jié)論，因此對檢測和評估人員都提出了更高的要求。此外這類方法將氣孔和夾渣等體積型缺陷當作裂紋的處理方式也帶來了極大的保守性。但實際上焊縫缺陷中出現(xiàn)氣孔和夾渣等體積型缺陷的頻次遠高于其他平面型缺陷，所以這類方法在在役檢查中作用更明顯。

盡管斷裂力學對體積型缺陷的評估偏保守，但針對長寬比大于3的條形表面缺陷或鐵素體鋼等低溫下斷裂韌性明顯下降的金屬材料，仍可近似為平面裂紋開展計算，所得結(jié)果可用于支持體積型缺陷驗收準則的放寬，也可用于驗證驗收準則的安全性。

4.2 基于疲勞強度的質(zhì)量評估方法

目前大部分高溫反應(yīng)堆使用抗斷裂性能優(yōu)異的奧氏體鋼作為主要結(jié)構(gòu)材料，此時結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的風險降低，循環(huán)載荷帶來的疲勞損傷成為設(shè)計需要重點考慮的潛在失效原因。Jonsson等[1]通過實驗研究了焊接缺陷對焊縫疲勞壽命的影響，并基于實驗結(jié)果建立了焊接缺陷與結(jié)構(gòu)疲勞強度之間的關(guān)系。這種處理方式對氣孔和夾渣等體積型缺陷的適用性強，可以彌補傳統(tǒng)方法的不足。如通過研究焊接截面上氣孔所占總焊接面積的比值，即氣孔率對焊接結(jié)構(gòu)強度的影響，總結(jié)不同質(zhì)量等級的焊接接頭可允許的氣孔大小和數(shù)量。根據(jù)焊接氣孔率對結(jié)構(gòu)鋼疲勞強度的影響，可以得到不同IIW焊接等級下允許的氣孔率。相關(guān)研究成果已形成瑞典沃爾沃集團的企業(yè)標準，且已積累了相當?shù)慕?jīng)驗[1]。

借鑒基于疲勞強度質(zhì)量驗收標準的制定方法，可以開展高溫反應(yīng)堆含缺陷焊接接頭的疲勞實驗和高溫持久實驗，基于實驗結(jié)果綜合分析氣孔等缺陷對焊接接頭機械性能的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上使用合理的蠕變-疲勞損傷模型構(gòu)建出含缺陷焊接接頭的強度預(yù)測模型，最后考慮載荷、環(huán)境等因素形成一套裕量明確、科學合理的無損檢測驗收準則。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)的質(zhì)量評定標準難以直接應(yīng)用于高溫反應(yīng)堆的焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制。面對我國未來多種先進堆型的發(fā)展需要和科學、有效的無損檢測缺陷驗收技術(shù)相對匱乏之間的矛盾，必須盡早開展適用于先進堆型高溫設(shè)備的無損檢測缺陷評價和驗收技術(shù)研究，掌握核心技術(shù)方法，儲備基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，在保證反應(yīng)堆安全性的前提下進一步提升先進堆型的經(jīng)濟性。目前來看，在確定高溫反應(yīng)堆焊縫的無損檢測驗收標準時，應(yīng)考慮遵循以下原則。

1) 不需要根據(jù)無損檢測手段制定不同的驗收標準，僅對缺陷本身的性質(zhì)如類型、位置、大小和數(shù)量等進行區(qū)分即可；表面缺陷、集群缺陷使用較嚴的驗收標準，而內(nèi)部缺陷、孤立缺陷可適當放寬。

2) 考慮到標準規(guī)范在使用時的一致性，焊縫無損檢測的驗收準則也應(yīng)與所使用的焊縫評價方法保持一致，因此制定驗收準則應(yīng)首先明確所使用的標準體系。

3) 嘗試使用斷裂力學等手段指導焊接接頭制造環(huán)節(jié)的無損檢測驗收標準的制訂。結(jié)合焊接結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境和荷載特點，將體積型缺陷保守地視作平面裂紋開展計算，得出體積型缺陷較保守的臨界尺寸。

4) 針對奧氏體鋼等斷裂韌性較好的材料，可主要依據(jù)強度理論對體積缺陷的閾值開展研究。依據(jù)疲勞和蠕變實驗測試結(jié)果構(gòu)建含缺陷焊接接頭的疲勞-蠕變損傷模型，得到焊接接頭缺陷特征與使用壽命之間的關(guān)系，結(jié)合設(shè)備是否可以更換、是否容易在役監(jiān)測等特點確定包含不同裕度的驗收限值。