M310型壓水堆核電安裝工程焊材牌號評定

王浩政，林磉熙，劉金平，馬明豪

（1.中國核工業二三建設有限公司 福清項目部，福建 福清 350300；2.核工業工程研究設計有限公司，北京 101300）

0 前言

焊接填充材料牌號評定（以下簡稱：焊材評定）是民用核電安裝過程中選擇焊材品牌的過程，需按照相關標準進行檢驗試驗[1-3]。目前國內M310型核電站安裝工程RCC-M級別設備、管道焊接所用焊材主要為國外進口，焊材評定的試驗結果直接關系到核電工程管道預制、安裝能否順利啟動。

在生產制造階段，因標準的理解和試驗設備、檢測方法方面的差異，安裝承包商進行焊材評定時，化學分析、機械性能試驗易產生問題。此外，國外進口焊材采購周期長，若焊材評定不合格，將導致核電工程管道預制、安裝工期的嚴重滯后[4-5]。因此，焊材評定是核電站安裝工程前期準備工作的重中之重。

1 焊材評定目的

焊材評定為核電站安裝工程中碳鋼、低合金鋼、不銹鋼以及鎳基合金材質的RCC-M規范級設備、管道在進行承載焊縫、隔離層、堆焊層、密封焊縫和補焊焊縫焊接時焊材商標品牌的選擇過程。

通過焊材評定確定核電站機械設備在安裝過中所使用的各類焊材工藝參數的有效范圍，如：母材的牌號與厚度、焊材規格、焊接方法、焊縫類型、焊接位置與方向、焊接參數、熱處理要求等。焊接工藝過程中，焊材的使用必須滿足焊材評定的有效范圍。

2 焊材評定的要求

M310型壓水堆核電安裝工程中焊材評定包括兩方面的內容：（1）由焊材生產廠家負責的焊接材料的試驗和熔敷金屬的試驗；（2）由使用這些焊材的安裝承包商負責的標準試件的試驗。

本文主要描述的是安裝承包商負責的標準試件的試驗。安裝承包商應編制焊材的采購技術文件，簡稱“焊材采購技術規格書”，作為焊材生產廠家焊材生產制造的技術要求。該文件中須明確相關焊材的化學成分及力學性能的指標，并確保其滿足RCCM S2000章填充材料數據單的規定。

焊材生產廠家須確保其提供的焊材滿足安裝承包商“焊材采購技術規格書”的要求，并提供相關的質量證明書、評定數據單等文件，這些文件應包含但不限于如下內容：焊材的商標牌號、貯存、保管要求以及明確可能會導致焊材質量發生變化的各種可變的參數。

安裝承包商根據焊材生產廠家所提供的質量證明書、評定數據單等文件進行標準試件的試驗，并發布相關焊材評定報告。焊材評定標準試件的試驗如下：射線檢測和滲透檢測、宏觀和可疑區的微觀檢測、焊縫金屬化學分析、面彎試驗、背彎試驗、側彎試驗、焊縫金屬室溫縱向拉伸、焊縫金屬室溫橫向拉伸、焊縫金屬高溫縱向拉伸、0℃或-20℃下焊縫金屬KV沖擊試驗。

3 焊材評定主要內容

3.1 評定有效范圍

某種牌號的焊材在使用時應明確變化的工藝參數滿足該焊材評定報告的有效范圍，否則應重新進行評定。

M310型壓水堆核電安裝工程中焊材評定有效范圍主要包含以下7個方面：

（1）母材的牌號和厚度的有效范圍。

根據評定試驗結果，按照RCC-M S5210確定的母材牌號、組別及焊材可使用的母材厚度范圍。

（2）焊接材料的幾何特性。

對于某種牌號的焊材，如果其直徑的上、下限均已評定合格，則可認為直徑介于上、下限之間的該牌號焊材亦評定合格。

（3）焊接方法和電流類型。

改變焊接方法、電流類型（直流或交流、正接或反接），則需重新進行評定。

（4）焊縫類型。

承載焊縫的評定適用于堆焊焊縫的評定，反之則需重新進行評定。

（5）焊接位置和方向。

評定合格的焊接位置是有效的，不同的焊接位置不允許相互替代，但對于任意評定合格的基本位置之間的位置是有效的。

（6）焊接參數。

M310型壓水堆核電安裝工程的焊接參數主要指手工焊中的電流值。

（7）相關的熱處理。

評定試驗所規定的層間溫度的提高或規定的預熱溫度的降低、影響評定有效范圍的消應力處理及其他焊后熱處理的任何修改，都需重新進行評定試驗。

3.2 評定項目的設置

安裝承包商在進行標準試件的試驗時，應根據標準規定的各要素的有效范圍，合理地設置標準試件的試驗。M310型壓水堆核電安裝工程中常用焊材牌號評定的設置如表1所示，以供參考。

4 焊材評定易出現的問題

目前國內M310型壓水堆核電安裝工程中的RCC-M規范級設備、管道安裝所選擇的焊材，主要源自國外進口，其從原材料的選擇、制造工藝、焊接操作手法、人員、設備及標準的理解等方面都與國內存在差異，焊材評定中的主要問題如下：

（1）推薦的焊接電流范圍較大，未注明各焊接位置對應的焊接電流使用要求。

表1 M310型壓水堆核電安裝工程中常用焊材牌號評定的設置

（2）實心焊絲端部無鋼印標識。

（3）不銹鋼焊材中部分化學元素接近標準下限，焊接理化試驗易出現不合格的情況。

（4）焊接人員焊接經驗欠缺，操作習慣、操作手法不規范，易出現缺陷。

對于各焊接位置電流使用要求和部分焊絲端部無鋼印標識的問題，其主要是標準理解差異或人因失誤造成的，若出現此類問題，需及時與制造商溝通解決。對于焊材化學成分接近下限和焊材操作要求的問題，涉及到生產廠家制造工藝，解決問題的難度相對較大，以下就這兩種問題進行實例分析。

5 實例分析

5.1 實例1

國外進口的不銹鋼焊絲型號ER316L，規格為φ1.6 mm，此焊材評定進行了兩次化學分析試驗，存在以下現象：該焊材本身Ni元素含量在標準要求的下限浮動，與標準值相差數據很小。

實測數據③使用光譜法分析平、橫、立、仰4個位置焊接試板的化學分析試樣的Ni含量，3次昀略低于標準值，最大差值為0.08%；1次與標準值相同。實測數據④在堆焊焊縫試樣上，采用濕法分析，平、橫、立、仰4個位置的Ni含量試驗結果均滿足標準值，4組試驗數據與廠家試驗數據（焊材材質證）相比，差值不大。試驗結果對比如表2所示。

通過對比試驗數據，焊材評定焊縫熔敷金屬元素Ni化學分析數據略低的直接原因是：

（1）在焊接過程中，焊縫金屬化學元素含量受到兩側母材的稀釋。由表2可知，焊材材質證①和②的化學分析試樣制備方法為成品焊絲和焊縫金屬堆焊，這兩種方式可避免母材稀釋的影響，因而相應的試驗數據滿足標準值的規定。安裝承包商進行焊材評定時，實測數據③是在對接焊縫表面進行的，焊縫金屬存在一定程度的母材稀釋，致使最終結果的Ni含量略低于標準值。且在4組試驗數據中，焊縫濕法化學分析Ni含量的試驗數據均高于光譜分析試驗數據。

表2 ER316L規格（φ%1.6 mm）化學分析試驗Ni含量結果對比

上述結果證明，焊材熔敷金屬化學結果是滿足標準要求的，但對于該焊絲中Ni的含量，在生產制造階段，焊材廠家在確保焊材各化學元素含量滿足標準要求的前提下，對Ni等市場價格相對較高的元素控制較嚴，Ni含量預留的浮動區間較?。ń咏孪拗担?。實測數據③是在焊縫表面進行光譜化學分析試驗，試驗偏差超出了Ni含量預留的浮動區間，Ni元素的含量略低于標準規定。

（2）安裝承包商焊材評定焊縫熔敷金屬化學分析試驗時，由于人員、設備、檢測手段、試樣制備方法的差異，致使實測數據③所示的異常結果。

（3）上述焊材的牌號評定化學分析試驗是在焊縫表面進行的，而焊材廠家焊材材質證所提供的試驗數據，第一次為成品焊絲濕法分析，第二次為堆焊的化學分析試樣光譜分析。相比之下，生產廠家在出廠試驗時采用的取樣方法可以有效避免母材對焊接接頭中各元素的稀釋。

綜上，上述焊材熔敷金屬化學成分滿足標準要求，但是生產廠家對Ni元素配比設置與標準下限較接近，買方在進行焊縫熔敷金屬化學分析試驗時，由于人員、設備、檢測手段的差異或者業主方的特殊要求（不允許進行堆焊化學分析試樣），買方焊材牌號評定化學分析試驗易出現不理想的結果。

5.2 實例2

焊接人員焊接經驗欠缺，操作習慣、操作手法不規范，焊接易出現缺陷。國外進口的碳鋼核級焊絲ER70S-6，規格φ2.0 mm，焊材牌號評定2G、3G1位置，所有項目的理化試驗全部合格。1G位置宏觀金相試驗存在層間未熔合，如圖1所示；4G位置微觀金相試驗，在焊縫熔合線區域存在微裂紋，如圖2所示。

圖1 宏觀金相：層間未熔合

圖2 微觀金相：微裂紋

由圖1可知，此缺陷為焊縫道間未熔合，其產原因主要為：

（1）焊接規范選擇不當。電流過小，填充焊道時焊接速度太快，焊接電流的強度不夠，產生的熱能量小，致使下層焊道未完全熔化。

（2）焊接操作不當。電弧偏吹，下層焊道還未完全熔化就被熔化的鐵水覆蓋。

（3）焊縫層間清理、打磨處理不好。下層焊道未清理干凈或者是打磨處理未圓滑過渡，形成較大的溝槽。

經核實，焊接人員從事焊接活動時間短，工藝試驗焊接經驗和信心不足，且周圍見證人員較多，導致其未發揮正常水平；其次，試件厚度較大（t=20mm），焊接人員急于盡快完成，焊接速度快，操作手法產生了變形。

通過微觀金相試驗確定缺陷產生部位為焊縫根部（見圖2），同時根據其形態特征判斷裂紋為熱裂紋。

焊縫熱裂紋主要形態特征如下：（1）多產生于接近固相線的高溫下，有沿晶界分布，有沿晶界開裂；（2）通常產生于焊縫金屬內，也可能產生在焊接熔合線鄰近的熱影響區組織內；（3）通常發生在雜質較多的碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼等材料焊縫中。

通過核查與分析焊接過程，初步判斷此位置焊縫熔合線出現裂紋的主要原因為：試板焊接時電流較小，層間溫度較低，接頭冷卻速度快，在熔合線附近晶粒粗化；其次，組對時焊縫變形控制不好，焊接完成后試板收縮量已遠超出組對時設置的反變形量，經測量焊后角變形分別為4°～4.5°；仰焊位置打底焊接時焊道厚度較?。繉雍穸燃s1.1～1.6mm），受試板變形拉力的影響，打底焊道的力學性能減弱，熔合線處晶間塑性變形能力不足以承受當時變形所發生的塑性應變量，導致產生裂紋。

根據上述分析結果，變更變形控制方法，在試板背面使用強度較大的型鋼以減小焊接應力；合理選用焊接參數，適當提高層間溫度以減小冷卻速度。重新焊制試板進行理化試驗，結果合格。

6 結論

焊材評定作為M310型壓水堆核電安裝工程施工階段焊材管理工作的重點，是安裝施工階段目標順利實現的先決條件，也是核電安裝焊接質量的重要保證。焊材評定出現異常結果時，首先應對照標準自查焊接工藝、參數、取樣方式、試驗方法等方面的不足之處；其次，加強各單位之間，如焊材廠家、其他核電項目之間的橫向交流，對比自身焊材牌號評定的過程，分析出現異常結果的原因，從而加以改進和處理。

（1）加強與焊材生產廠家技術人員的溝通交流，向廠家明確項目焊材牌號評定具體規定和業主方的特殊要求。

（2）為確保購買方焊材牌號評定工作中人員、設備、試驗方法的差異不會影響到化學分析試驗的結果，建議在焊材采購技術規格書中或者在與廠家進行合同簽訂時，以補充協議或其他方式，在滿足標準要求的前提下，將Cr、Ni等貴重金屬指標下限提高0.5%。

（3）焊材牌號評定試板焊接盡量選擇技術熟練穩定、有一定焊接評定試驗經驗的焊工施焊，避免因客觀條件所導致的不理想結果。

（4）進口焊材使用前，應根據現場實際情況進行適應性的培訓練習，以便焊工能夠盡快地掌握其操作要求及其注意事項。

（5）試板焊接后進行無損檢測時，保證理化試驗試樣的切取在熔敷金屬的無缺陷區。若有必要，可對加工后的理化試樣進行射線檢測，避免在試樣中存在影響理化試驗結果的缺陷。