劉金貴+薛源+楊春娥+王為輝

摘要： 某百萬(wàn)千瓦壓水堆核電項(xiàng)目主蒸汽超級(jí)管道橫向限制件角焊縫在役前檢查期間發(fā)現(xiàn)多處裂紋，經(jīng)打磨消缺及補(bǔ)焊處理后滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。從主要從焊接材料、工藝、熱處理等方面分析缺陷產(chǎn)生的原因，并對(duì)后續(xù)項(xiàng)目同類(lèi)產(chǎn)品避免出現(xiàn)同樣問(wèn)題提出了經(jīng)驗(yàn)反饋。

關(guān)鍵詞： 核電站；主蒸汽；超級(jí)管道；裂紋

中圖分類(lèi)號(hào)： TG444

Abstract：Many cracks were found on the main steam superpiping lateral restraint welding area during 1000MW nuclear power plant pre-service inspection. These Weld defects were removed by grinding and welding repair to satisfy the design requirements. This paper analyzed raw material and filing material procurement， welding process， post welding heat treatment etc. to draws out the reason， and made experience feedback to other projects to avoid the same problems.

Key words：nuclear power plant； main steam； superpiping； crack.

0 前言

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行的1 000 MW級(jí)CPR1000[1]核電機(jī)組主蒸汽管道上布置有超級(jí)管道或類(lèi)似結(jié)構(gòu)的管道部件。主蒸汽超級(jí)管道是指反應(yīng)堆安全殼外從主蒸汽管道的安全殼機(jī)械貫穿件起至主蒸汽管道橫向限制件下游第一道焊縫止的一段飽和蒸汽管道。超級(jí)管道熱工參數(shù)高、焊縫多、受力復(fù)雜，尤其在事故工況下所受沖擊力大，具有較高的安全性，要求較高。

1 超級(jí)管道簡(jiǎn)介

每條主蒸汽環(huán)路共布置4段超級(jí)管道，分別為T(mén)1，T2，T3，T4段，主蒸汽超級(jí)管道結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。除了作為主蒸汽管道的一部分以外，其超級(jí)管道上還安裝有主蒸汽安全閥、主蒸汽隔離閥、射線(xiàn)檢驗(yàn)插塞、保溫掛環(huán)等重要安全相關(guān)閥門(mén)裝置，其中一段超級(jí)管道上（T4段）布置的橫向限制件還有起到約束主蒸汽管道橫向位移的作用。

每條T4管段上有兩個(gè)橫向限制件，每個(gè)橫向限制件與管道之間有兩道環(huán)向全焊透角焊縫，故每條T4段共有4條全焊透角焊縫（編號(hào)：A8，A9，A10，A11，如圖2所示），該環(huán)焊縫為役前檢查（PT）[3]焊縫。

橫向限制件與管道固定在一起隨管道一起運(yùn)動(dòng)，外框架固定在樓層錨固板上，兩者之間形成滑動(dòng)面，從而使管道可以沿軸向滑動(dòng)。外框架限制了管道橫向的運(yùn)動(dòng)，把管道橫向的力傳遞給錨固的樓板。橫向限制件與管道固定在一起隨管道一起運(yùn)動(dòng)，外框架固定在樓層錨固板上，兩者之間形成滑動(dòng)面，從而使管道可以沿軸向滑動(dòng)。外框架限制了管道橫向的運(yùn)動(dòng)，把管道橫向的力傳遞給錨固的樓板。

超級(jí)管道材質(zhì)為法國(guó)RCC-M標(biāo)準(zhǔn)P280GH材質(zhì)，橫向限制件鋼板為P295GH牌號(hào)。相關(guān)尺寸及交貨狀態(tài)詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

2 橫向限制件角焊縫裂紋情況

在役前PT檢查期間，某項(xiàng)目主蒸汽管道橫向限制件角焊縫位置有100余條不可接受的線(xiàn)性顯示，其中最長(zhǎng)一條缺陷長(zhǎng)度約為726 mm。這些線(xiàn)性顯示經(jīng)打磨不能完全消除并沿焊縫熔合線(xiàn)發(fā)展，初步判斷該顯示為裂紋缺陷。

2.1 典型缺陷記錄舉例

位置：W630房間，焊縫/部件號(hào)：3W10908A9。缺陷數(shù)量：共21條，長(zhǎng)度4～85 mm的共18條，長(zhǎng)120～150 mm的2條，長(zhǎng)726 mm的1條。缺陷位置和形態(tài)，如圖3～4所示。

2.2 設(shè)計(jì)尺寸和無(wú)損檢測(cè)要求

2.2.1 設(shè)計(jì)尺寸要求

超級(jí)管道壁厚46 mm，尺寸公差（0，+3 mm），橫向限制件鋼板壁厚45 mm，尺寸公差（0，+0.5 mm）。按RCC-M C3253.2.a規(guī)定焊縫焊喉尺寸c需滿(mǎn)足c=min（0.7Ts，6 mm），如圖5所示。

2.2.2 無(wú)損檢測(cè)要求

采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書(shū)和RCCM S7720.2要求該焊縫需進(jìn)行PT或MT。制造廠(chǎng)廠(chǎng)內(nèi)進(jìn)行MT檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)役前檢查采用PT檢測(cè)。

3 裂紋產(chǎn)生原因分析方案

3.1 裂紋及母材檢測(cè)

3.1.1 覆膜金相檢查

采用現(xiàn)場(chǎng)覆膜金相的方式，對(duì)發(fā)生裂紋的角焊縫母材、裂紋、焊縫金屬和熱影響區(qū)進(jìn)行覆膜金相檢驗(yàn)，并對(duì)裂紋形貌進(jìn)行觀(guān)察。從圖6～8中金相照片上可以看出母材組織為鐵素體+貝氏體滿(mǎn)足要求，焊縫部位組織為鐵素體+索氏體屬正常，但在熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)了板條狀的淬硬性馬氏體組織。馬氏體組織是產(chǎn)生冷裂紋的三個(gè)因素之一[4]。

3.1.2 硬度檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊縫和母材進(jìn)行了硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。硬度為134～148 HB，較為均勻，焊縫硬度為168～183 HB，也較均勻正常，說(shuō)明焊后熱處理工藝規(guī)范及執(zhí)行到位。

3.1.3 化學(xué)成分分析

采用光譜法對(duì)取樣的母材進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。超級(jí)管道P280GH牌號(hào)母材化學(xué)成分滿(mǎn)足采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。

3.1.4 殘余應(yīng)力測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)采用盲孔法[5]對(duì)未發(fā)生開(kāi)裂的角焊縫焊趾部位的殘余應(yīng)力進(jìn)行了檢測(cè)，如圖9所示，測(cè)量結(jié)果表明焊接殘余應(yīng)力值處于相對(duì)合理范圍，見(jiàn)表4，焊后進(jìn)行了較為充分的消應(yīng)力熱處理。

3.2 制造過(guò)程文件檢查

3.2.1 母材和焊材采購(gòu)

經(jīng)核查母管和橫向限制件鋼板材料符合采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書(shū)要求，制造廠(chǎng)采用的焊條為E7016-1，焊條的強(qiáng)度較管道母材P280GH相當(dāng)，可滿(mǎn)足要求。排除原材料原因?qū)е碌牧鸭y問(wèn)題。

3.2.2 無(wú)損檢測(cè)

制造廠(chǎng)在熱處理后采用UT和MT檢驗(yàn)，檢測(cè)報(bào)告顯示合格。但存在兩個(gè)問(wèn)題：第一，盡管RCCM允許采用PT或MT進(jìn)行檢測(cè)，但現(xiàn)場(chǎng)役前檢查采用PT，制造廠(chǎng)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法不同，有廠(chǎng)內(nèi)MT未檢出的可能；第二，從現(xiàn)場(chǎng)缺陷情況來(lái)看，盡管制造廠(chǎng)MT檢測(cè)程序沒(méi)有明顯的問(wèn)題，但因?yàn)橹圃鞆S(chǎng)檢測(cè)人員操作不當(dāng)?shù)仍蛟斐纱竺娣e漏檢的可能性較大。

3.2.3 焊接數(shù)據(jù)包

制造廠(chǎng)焊接前已進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，規(guī)定焊前預(yù)熱，焊后進(jìn)行整體消應(yīng)力熱處理。RCCM S1321對(duì)焊后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理的P280GH，P295GH焊接接頭無(wú)焊前125 ℃預(yù)熱的強(qiáng)制規(guī)定，但制造廠(chǎng)沒(méi)有考慮氣溫較低的情況下焊接接頭溫度下降快的問(wèn)題，焊接需要有足夠的預(yù)熱溫度，僅要求不低于30 ℃預(yù)熱不合理，至少需要根據(jù)實(shí)際焊接操作的地理環(huán)境溫度制定相對(duì)應(yīng)的預(yù)熱溫度。

3.2.4 焊接工藝和時(shí)機(jī)選擇

制造廠(chǎng)制造過(guò)程中編制了質(zhì)量計(jì)劃，從中可看出焊前對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行了打磨、UT+MT檢測(cè)，焊接后進(jìn)行了整體消應(yīng)力熱處理，熱處理后進(jìn)行UT+MT檢測(cè)。整體來(lái)看，這個(gè)制造工藝沒(méi)有問(wèn)題，但焊接的時(shí)間選擇和熱處理時(shí)間控制上出現(xiàn)了問(wèn)題。第一，焊接選擇在11月份，當(dāng)?shù)貧鉁叵鄬?duì)較冷，焊接期間溫度下降較快，容易出現(xiàn)冷裂紋；第二，從焊接到消應(yīng)力熱處理經(jīng)歷近2個(gè)月，期間很可能存在焊接完成后沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行消應(yīng)力熱處理的問(wèn)題。

3.2.5 消應(yīng)力熱處理程序

制造廠(chǎng)在爐溫低于200 ℃時(shí)裝爐；加熱速率不大于100 ℃/h，一直達(dá)到消應(yīng)力熱處理溫度；當(dāng)爐溫達(dá)到610±5 ℃時(shí)按6 min/mm保溫，至少3 h。隨爐冷卻到300 ℃，冷卻速率為100 ℃/h，然后空冷。熱處理程序沒(méi)有問(wèn)題，但如上面所述很可能存在消應(yīng)力熱處理不及時(shí)的情況。

4 其他電站類(lèi)似情況

經(jīng)與其他核電單位進(jìn)行交流得知，某核電站1號(hào)機(jī)組在大修期間發(fā)現(xiàn)主蒸汽管道上用于連接阻尼器的護(hù)板也出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的裂紋，如圖10所示。該項(xiàng)目1號(hào)機(jī)安裝期間于3月份進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接，焊前、焊后均未作任何形式熱處理，導(dǎo)致運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)裂紋。同樣的焊接工藝，因2號(hào)機(jī)在夏季施焊，就沒(méi)有出現(xiàn)裂紋。

5 裂紋類(lèi)型及產(chǎn)生原因分析

綜上所述，該主蒸汽超級(jí)管道橫向限制件焊縫缺陷類(lèi)型及產(chǎn)生原因分析如下：

（1） 裂紋位于焊趾部位，穿晶開(kāi)裂，在部分位置存在沿晶特征，以及發(fā)現(xiàn)馬氏體組織、存在應(yīng)力集中等方面考慮，該裂紋為冷裂紋。

（2）預(yù)熱是有效防止冷裂紋的方法[6]。制造廠(chǎng)焊前預(yù)熱溫度低，盡管P280GH材料總體上焊接性良好，但預(yù)熱溫度低于50 ℃時(shí)，熱影響區(qū)存在較大的淬硬傾向，而當(dāng)預(yù)熱溫度大于125℃時(shí)，可基本消除冷裂紋的影響。未合理預(yù)熱也是裂紋產(chǎn)生的主要原因。

（3）由于是在秋冬季焊接，焊縫在焊后冷卻速度較快，未及時(shí)進(jìn)行整體熱處理，在焊縫熔合線(xiàn)附近的熱影響區(qū)形成了粗大的脆性板條馬氏體組織，馬氏體組織硬度高，內(nèi)應(yīng)力大，對(duì)殘余應(yīng)力和氫（環(huán)境）的綜合作用敏感。在沒(méi)有適當(dāng)預(yù)熱和保溫情況下，焊接時(shí)間選擇不當(dāng)。

（4）橫向限制件焊縫較厚，焊接面積較大，該結(jié)構(gòu)角焊縫拘束度較大等因素，在未及時(shí)進(jìn)行熱處理的情況下，將導(dǎo)致焊接產(chǎn)生的較大殘余應(yīng)力無(wú)法得到及時(shí)釋放。

綜上所述，由于焊接預(yù)熱溫度低、焊接時(shí)間選擇不當(dāng)并未進(jìn)行合適保溫、焊后熱處理不及時(shí)等原因，導(dǎo)致焊后在角焊縫焊趾部位產(chǎn)生了冷裂紋。

6 后續(xù)借鑒意義

該問(wèn)題的處理對(duì)后續(xù)工程建設(shè)有很多積極的借鑒意義，列舉如下：

（1）焊前不低于125 ℃預(yù)熱，焊后進(jìn)行后熱或及時(shí)進(jìn)行整體消應(yīng)力熱處理，以消除出現(xiàn)冷裂紋產(chǎn)生的條件[7]。

（2）廠(chǎng)內(nèi)無(wú)損檢測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)役前檢查保持一致。盡管RCCM允許PT或MT選擇其一進(jìn)行檢測(cè)，廠(chǎng)內(nèi)檢測(cè)應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)保持一致，即采用PT檢測(cè)。有條件的情況下推薦進(jìn)行PT+MT檢測(cè)。

（3）加強(qiáng)無(wú)損檢測(cè)的廠(chǎng)內(nèi)監(jiān)督，合理設(shè)置質(zhì)量監(jiān)督見(jiàn)證點(diǎn)。

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