核反应堆堆内构件焊接工艺评定

王庆田

（中国核动力研究设计院，四川 成都 610041）

核反应堆堆内构件是压水堆核电站的主要设备之一。堆内构件包括反应堆压力容器内除燃料组件及其相关组件、堆芯测量仪表和辐照监督管以外的所有堆芯支承结构件和堆内结构件。堆内构件在高温、高压和高辐照的环境条件下运行，并长期承受冷却剂的高速冲刷，环境条件十分苛刻。在反应堆设计寿期内，堆内构件应具有良好的性能，以确保反应堆结构的完整性及反应堆运行的经济性。作为反应堆压力容器内部重要的支承、定位和导向部件，反应堆堆内构件的制造质量关系着核电厂安全、稳定、可靠的运行。堆内构件结构复杂，零部件较多，且多为精密结构件，对焊缝的质量及焊接变形控制的要求较高，焊接质量的优劣与堆内构件的制造、安装质量直接相关。

目前国内在建核电厂大多采用二代改进型技术，其设计规范为法国《压水堆核岛机械设备设计建造规则》（RCC-M）2000年版+2002年补遗版，其设计、制造、安装、调试和运行必须满足RCC-M相关要求。此外，浙江三门及山东海阳核电站采用引进的第三代AP1000核电技术，设计规范为《ASME锅炉及压力容器规范》1998年版及至2000年版补遗。焊接工艺评定一方面要详细记录各种工艺的性能参数和金属的特性（特别是确定有效范围的主要可变参数），另一方面要验证所得到的焊接接头与要求的质量标准是否符合。按照规定，在产品正式施焊之前，应对产品在制造过程中涉及的所有焊接工艺进行评定，且评定合格后才允许对产品进行焊接。目前国内核电建设采用的标准体系包括美国、法国、俄罗斯以及国内的相关标准和法律法规，各个标准之间存在差异，对产品焊接以及焊接工艺评定的规定也不尽相同。由于使用的规范不同，制造厂需要按照不同的设计规范，制定不同的焊接工艺评定项目，造成不必要的浪费。有些制造厂或安装单位由于对标准的理解不深或者质量意识差，导致焊接工艺评定的数量较多，甚至出现与标准规定不一致的地方，致使焊接工艺评定无效而重新评定。此外，对于标准规范的部分条款，焊接工程技术人员还存在理解上的争议。

1 焊接工艺评定变素

对于焊接工艺评定变素，不同的标准规范规定存在差异。RCC-M规范与ASME规范，使得焊接工艺评定无效的条件，无论是接头型式、填充金属、母材及熔敷金属的覆盖范围，还是电特性参数，都存在很大不同。此外，在力学性能试验方面的规定也不同，RCC-M规范（2000年版+2002年补遗版）SI100中规定的“如果板材或管材接头壁厚超过80mm，且拉伸机的容量不允许进行全厚度试验，则可以从接头的全厚度上取一组厚度至少为15 mm厚的试样。在这种情况下，不允许出现试样搭接（it is not permissible for test specimens to overlap）”，该规定无论是与国家标准（如GB/T 2649等）还是与ASME规范，都差异明显。此外，ASME规范规定的焊接接头弯曲试验用试样，与其他标准规定也存在很大不同。

焊接工艺评定的变素包括：

1）母材：不同的标准规范，都放宽了母材的适用范围，比如ASME规范规定的P-No、RCC-M规定的“化学成分相近似的材料”、JB 4708规定的类别号等。RCC-M规范2007年版，大量引用欧洲标准和国际标准，也引入了母材组别分类，更具有操作性。此外，对于母材厚度的适用范围，也都有一个区间，RCC-M规范2007年版，明确引入了角焊缝评定的覆盖区间，可操作性更强。

2）填充金属：填充金属包括焊条、焊丝、焊剂、气体、钨极、填充材料、附加金属粉和衬垫等。焊接工艺评定用焊材，包括ASME规定的F-No、RCC-M规定的“同一牌号名称的药皮焊条、焊剂和药芯焊丝，以及具有相同型号（技术要求）的焊接填充材料（焊丝、光焊条等）”以及“手工焊接所使用的药皮焊条，评定采用的公称直径为d0的焊条也包括紧邻的公称直径在内”等，利用规范的许可，扩大焊材的适用范围。RCC-M规范2007年版规定：对于手工TIG焊(141)和电弧焊(111) 而言，使用给定名义直径φ0的填充材料的评定，相邻名义直径的填充材料的评定有效。扩大了焊评用焊材的覆盖范围。

3）接头型式：接头型式包括坡口设计、垫板、坡口加工方法、清根等。关于焊接接头型式，RCC-M（2000年版+2002年补遗版）较ASME以及国内相关标准更严格。在ASME规范中，接头型式是非重要变素。RCC-M规范2007年版的规定略有放松。

4）焊接位置与方向：焊接位置包括平焊、横焊、立焊、仰焊等，而焊接位置又分为立向上焊和立向下焊。一般而言，平焊是基本的焊接位置，可用其他焊接位置覆盖。但要注意立焊方向的改变将可能导致焊接工艺评定无效。

5）焊接工艺参数：对于有冲击性能要求的焊缝，要特别注意焊接性能量的波动范围。RCC-M规范2007年版增加了手工焊焊接电压的记录要求。自动焊接型号的改变也会导致焊接工艺评定无效。

6）热处理：热处理包括预热、道间温度、后热和焊后热处理。一般而言，最高道间温度的提高、热处理保温温度和时间的改变等会导致焊接工艺评定无效。

2 堆内构件的焊缝分布

堆内构件包括上部堆内构件、下部堆内构件、压紧弹簧、径向支承键、U形嵌入件以及一些紧固件。堆内构件的主体结构材料为奥氏体不锈钢，其中按照法国RCC-M规范设计的M310堆型的堆内构件主体结构材料为Z2CN19-10（控氮）、Z2CN18-12（控氮）、Z6CND17-12奥氏体不锈钢、Z12CN13马氏体不锈钢及镍基合金NC15FeTNbA和NC15Fe。而按照ASME规范西屋设计的AP1000堆型堆内构件的主体结构材料为304H、304、304L、316L等奥氏体不锈钢以及镍基合金Inconel750和Inconel690。

堆内构件零部件多达一万余件，焊缝、焊点更多达两万余处。其中全焊透焊缝多达300余条，包括吊篮筒体纵焊缝和环焊缝、上支承组件纵焊缝和环焊缝、40根上支承柱（AP1000堆型为42根）、48仪表套管（M310堆型）及二次支承柱。此外，还包括各种制造厂和现场防松点焊、角焊缝、增厚堆焊、耐磨堆焊等。

3 核反应堆堆内构件焊接工艺评定

由于堆内构件焊缝较多，且焊接接头用母材牌号（不锈钢和镍基合金）、母材的形状和尺寸（焊缝尺寸从1.5 mm到75 mm）、焊接方法、焊接填充材料和保护介质、焊接接头型式（包括U形、V形、双U形、X形、J形、T形和I形等）焊接位置（平焊、横焊、立焊）和焊接方向、焊接工艺和参数以及热处理制度等存在不同。此外，还包括增厚堆焊、硬质合金耐磨堆焊等，焊接方法涉及手工电弧焊、手工TIG焊、埋弧自动焊、热丝TIG焊、电子束焊、氧乙炔焊、激光焊等。众多的焊接接头型式、不同的焊接工艺方法、母材类型及厚度范围决定了堆内构件焊接工艺评定的复杂性。

焊接工艺评定的确定是一项复杂的过程。首先，制定的焊接工艺评定应覆盖制造过程中所有的产品焊接的关键变素和附加重要变素。由于不同标准规范在焊接工艺评定变素的规定存在不同，焊接工艺评定应满足所遵循的设计规范的要求。其次，在确保焊接质量的前提下，焊接工艺评定数量应按照规范允许的覆盖范围，适当减少焊接工艺评定数量，缩减焊接工艺评定周期，提高经济性。RCC-M规范（2000年版+2002年补遗版）S3000以及ASME规范QW-400规定了焊接工艺评定变素所覆盖的范围，结合产品焊缝的焊接工艺及接头尺寸，合理组合、分类焊接接头，可大大减少焊接工艺评定数量。堆内构件主要焊缝的焊接工艺评定见表1。

无损检验和破坏性试验是焊接工艺评定的一个组成部分。堆内构件焊接工艺评定后的检验包括目视、液体渗透、射线检验和超声波检验。破坏性试验包括化学成分、δ铁素体含量的测定、宏观和微观金相、熔敷金属的晶间腐蚀试验、弯曲试验、焊接接头的拉伸试验以及焊缝、热影响区和母材的冲击试样等。此外，RCC-M规范还要求考核熔敷金属的拉伸试验。在实施焊接工艺评定之前，应充分考虑试板的尺寸应足够制取所有试验及可能复验试验取样。

4 焊接工艺评定争议项的理解

4.1 尺寸稳定化处理

按照设计要求，堆内构件的吊篮筒体、上支承裙筒、控制棒导向筒组件应进行尺寸稳定化处理，尺寸稳定化处理的温度为（410±10）℃。为了防止奥氏体不锈钢的晶间腐蚀，要求保温温度不能超过425 ℃。而为了防止部件氧化，要求热处理的炉氛为弱氧化性。根据部件的尺寸，选择不同的保温时间，控制棒导向筒组件的保温时间为2 h，吊篮筒体的保温时间为8 h，裙筒的保温时间为12 h。尺寸稳定化的目的是为了降低峰值残余应力并提高在反应堆正常运行工况下的尺寸稳定性。M310和AP1000堆型反应堆的设计温度为343 ℃。尺寸稳定化的温度高于反应堆的设计温度，确保了在正常运行工况下，堆内构件的主体结构尺寸不会出现变形，从而保证堆内构件尺寸的稳定性。

表1 堆内构件主要焊缝的焊接工艺评定Table 1 Qualification of welding procedure for the main weld seam of reactor internals

堆内构件的吊篮筒体的纵焊缝、吊篮筒体与堆芯支承板的环焊缝以及双联管的电子束对接焊缝在焊接过程中需要同时焊接一个见证件。焊接见证件以及焊接工艺评定都涉及一个问题：是否需要进行尺寸稳定化处理，即尺寸稳定化处理是否是焊接工艺评定重要和附加重要变素，这是一个经常产生争议的问题。有设备制造厂制作的焊接见证件没有进行尺寸稳定化处理，或焊接见证件的尺寸稳定化处理时没有随炉进行，或焊接见证件的尺寸稳定化处理的时间与产品的实际热处理时间不一致，或焊接工艺评定是否需要进行尺寸稳定化处理，导致制造厂和设计人员产生争执。尺寸稳定化处理为焊接工艺评定的非重要变素，分析如下：

1）尺寸稳定化处理温度较低，达不到相变温度。不锈钢的尺寸稳定化处理与不锈钢的稳定化处理是两个概念。不锈钢的稳定化处理是炼钢时为了防止晶间腐蚀而在不锈钢中加入钛和铌稳定化元素，其稳定化处理的温度一般为850～950℃。尺寸稳定化处理的目的是为了消除残余应力，但由于温度较低，有资料表明，其只能消除大约10%的残余应力，对焊接接头的性能影响，尤其是耐晶间腐蚀性能、铁素体含量几乎没有影响，而对焊接接头的拉伸、弯曲和冲击性能的影响也不大，没有可靠的资料表明，取消或加入尺寸稳定化处理会改变焊接接头的力学性能。

2）奥氏体不锈钢的热处理包括消应力处理、固溶处理和稳定化处理。消应力处理包括消除机加工后的应力和消除焊接应力两种。前者的温度在480 ℃以下，通常为300～350 ℃。而后者的温度通常不低于850 ℃。RCC-M规范F8411也规定，机加工后为了确保部件的尺寸稳定性，可对不稳定奥氏体不锈钢部件进行尺寸稳定化处理。因此，尺寸稳定化处理是为了消除机加工产生的应力，即使尺寸稳定化处理可以消除一部分的焊接残余应力，也不应理解为重要和附加重要的焊接工艺评定变素。

3）RCC-M规范规定了导致焊接工艺评定无效的条件，包括规定温度范围的改变和入炉后的升温和降温速度的改变、保温时间的增加以及有或没有固溶处理或析出强化热处理等。但RCC-M规范规定的焊后消除应力热处理、固溶处理或析出强化热处理，其热处理温度都大于425℃，与尺寸稳定化处理的保温温度不同。因此，不应将尺寸稳定化处理理解为导致焊接工艺评定无效的条件。同样，堆内构件的焊接工艺评定也不应引入保温时间不低于产品焊缝热处理保温时间80%这一规定。

4.2 焊接接头拉伸试验要求

按照ASME规范和RCC-M规范要求，焊接接头的横向拉伸试验是焊接工艺评定破坏性试验的一部分。焊接接头横向拉伸试验用试样缩截面受拉平行部分应很短，大部分标准，如ASME、JB 4708、GB 150等都规定试样受拉伸平行长度等于焊缝宽度加12 mm，即焊缝宽度加两侧热影响区宽度，然后立即以半径为25 mm的圆弧过渡到夹持部分，其目的是强迫拉伸试样在焊接接头内(焊缝区和热影响区)断裂，以测定焊接接头的力学性能。按照RCC-M规范MC1211B规定，焊接接头拉伸试样的取样按照NF EN 895的要求执行。NF EN 895规定的拉伸试样的缩截面平行部分的长度不小于焊缝最大宽度+60mm。再考虑到焊接工艺评定用母材可以为化学成分相近似的材料（RCC-M规范规定）或同组别号（ASME规范规定）材料，将可能出现工艺评定的横向拉伸试验断裂在母材部位而不是焊缝或热影响区部位。笔者曾了解某制造厂按照RCC-M规范制备的一个50mm对接埋弧焊的焊接工艺评定。产品用母材为304LN（抗拉强度为不低于520 MPa），制造厂焊接工艺评定用母材为304L（抗拉强度为不低于490 MPa），焊材为308L焊丝和焊剂组。破坏性试验的耐晶间腐蚀试验、金相、铁素体含量测量、焊接接头的弯曲试样、熔敷金属的拉伸试验、焊接接头的冲击试验等都合格，可设计要求的2个焊接接头的横向拉伸试验都断裂在母材部位，抗拉强度值分别为511 MPa和509 MPa，不满足RCC-M规范要求的极限，抗拉强度至少应等于母材规定的最低抗拉强度。制造厂又在余料上制取4个试样进行复验，其抗拉强度值都在510 MPa左右。该焊接工艺评定失败，制造厂只能报废该焊接工艺评定，而重新选取材料为304LN的母材做焊评。

RCC-M规范规定的焊接接头横向拉伸试验用试样尺寸不是很合理，由于非固溶处理态焊接接头的强度一般大于母材，很容易导致试样的断裂部位出现在焊缝及热影响区以外，尤其是选用抗拉强度低于产品抗拉强度的“化学成分相近”的母材做焊评。而ASME规范规定的焊接接头横向拉伸试验用试样的尺寸较为合理，确保了试样断裂在焊缝及热影响区区域。此外，ASME规范规定，如果试样断在焊缝或焊缝界面以外的母材上，只要强度低于母材规定最小抗拉强度的量不超过5%，可以认为试验满足要求。这一规定，可规避由于母材存在局部缺陷而导致整个焊接工艺评定失败。同时，焊接工艺评定用母材的选取，也不应选取极限抗拉强度低于产品极限抗拉强度5%以上的母材，尤其是按照RCC-M规范制定的焊接工艺评定。

4.3 手工焊与自动焊的争议

堆内构件吊篮筒体与堆芯支承板的对接环焊以及上部吊篮筒体与下部吊篮筒体的对接环焊为全焊透接头，接头厚度分别为28.4 mm和50.8 mm，制造厂采用的焊接方法均为热丝TIG焊，焊接时，筒体为立式，垂直轴转动，即对接横焊。按照RCC-M规范进行焊接工艺评定，是采用板材对接焊还是采用管材对接焊，这是一个争议的地方。RCC-M规范（2000年版+2002年补遗版）S3313规定，对于外径≥460mm的管子，板材的焊接工艺评定同样适用于管子的对接焊。百万千瓦级核电厂堆内构件吊篮筒体的内径为3397.2 mm，远大于460mm的要求，但吊篮筒体与堆芯支承板焊接位置为垂直轴转动的对接横焊。按照常规理解，热丝TIG焊应为自动焊，如表2所示，RCC-M规范只规定了水平轴转动部件的平焊位置自动焊板材的对接焊可适用于管材的焊接，没规定垂直轴转动的横焊位置自动焊可用板材对接焊覆盖。那么，吊篮筒体与堆芯支承板的对接环焊以及上部吊篮筒体与下部吊篮筒体的对接环焊是否必须采用管材对接焊来评定。

热丝TIG焊机由直流氩弧焊电源、预焊丝的附加电源、送丝机构及控制、协调的控制部位组成。虽然制造厂的热丝TIG焊机可实现自动送丝焊接，但焊接过程中依然需要人工手动调节，如同一层之间的不同焊道的转换等。按照ASME规范QW490规定，自动焊定义为焊接时，无须焊机操作工调节控制设备的焊接。机械焊定义为由焊机操作工通过目视观察对由机械装置夹持的焊嘴、焊枪或电极夹进行手工调节控制、使用设备进行的焊接。因此，应将热丝TIG焊理解为机械焊，而不是自动焊。由于RCC-M规范没有定义机械焊，也没有明确定义手工焊和自动焊，故在制定横焊位置的筒体对接热丝TIG焊焊接工艺评定时，能否用板材对接焊评定代替，存在较大的争议。RCC-M规范2007年版对该规定进行了修改，焊接工艺评定引用ISO 15614-1标准。在ISO 15614-1标准8.3.2.3节中规定，当管子外径大于500mm，或者在平焊和横焊转动位置上的管子外径大于150mm时，板材的评定适用于管子。按照该规定，吊篮筒体与堆芯支承板的对接环焊以及上部吊篮筒体与下部吊篮筒体的对接环焊可以用板材对接焊的工艺评定替代，减少了不必要的争议。

表2 板材的焊接工艺评定适用于管子的条件Table 2 Conditions of welding qualification of butt welding applicable to pipe welding

4.4 破坏性试验的复验要求

RCC-M规范（2000年版+2002年补遗版）S3152关于焊接工艺评定破坏性试验的复验规定，如果某一不合格的结果是由于试验的实施过程有问题或由于在试样中存在缺陷引起的，则有关结果不予认可，并应重新进行试验。且规定对于冲击试验，若试验结果不合格只是由于某一个测试值不满足要求，则可以在试验结果不合格试样位置附近，再取2组试样进行试样。至于其余的破坏性试验是否允许复验，未明确表述（RCC-M规范S2543关于焊材的验收中，对于所有的不合格试验，则都允许双倍复验），工程实际中一般都是允许双倍复验。但RCC-M规范2007年版S3200中规定，只有冲击试验不合格时才允许复验。这一规定引起了很大的争议。

RCC-M规范2007年版S3200的规定较为苛刻，破坏性试验不合格时，应允许复验，分析如下：

1）影响破坏性试验结果的因素很多，包括人员的资质、设备的校验与否、试样的正确制备等。例如，晶间腐蚀试验用试样若由于与碳钢的不当接触，可能导致出现弯曲裂纹。虽然RCC-M规范规定，力学性能试验的试样取在经无损检验显示的质量最好部位，但由于缺陷漏检，也会导致拉伸和弯曲试验结果不合格，给后续的判断带来麻烦。

2）很多其他的标准、规范都允许双倍复验，或者没明确禁止不允许双倍复验。焊接工艺评定手册中规定，任何一个试样的任何一个试样检验结果不合格，则应从焊接工艺评定试件上截取不合格试样的双倍试样作重复检验。每一个试样的重复检验结果均应符合试验要求。GB/T 19869.1中也规定，如果试样仅因焊接缺陷而不符合规定的破坏性试验要求，每个不符合项应附加两块试样。这些附加试样可取自同一块试件，或取自一个新焊制的试件。如果拉伸试样不符合要求，则应做两个同样的拉伸试样。

3）禁止复验，会导致试验人员将所有的试验不合格的原因归结为“试验的实施过程有问题或试样中存在缺陷”，不利于分析试验结果不合格的真正原因。如拉伸试验不合格，试验人员会将不合格原因分析为试样的装卡不正确，从而达到标准允许复验的条件。

同时，出现某一项破坏性试验不合格时，当剩余试板的尺寸不足以截取要求的双倍试样时，可再重新焊接一块足够截取该不合格试验用双倍试样的试板，而不必如RCC-M规范S2543中规定的“复试试样应从产生不合格试样的同一试板中切取。如果无法做到这点，应重新准备一个能切取所有试样的试板，并且所有试验结果均应满足规定要求”。

5 结束语

由于行业的不同，目前我国吸收采纳了不同国家的标准。由于标准规范的差异，在制定焊接工艺评定时，难免出现争议。同时，不同的标准、规范也在借鉴其他规范、标准合理的规定，并吸收、采纳工程实践的反馈进行自身的修订，这也是很多标准、规范不断更新、升版、增加补遗的原因。针对堆内构件制造过程中遇到的争议项，提出了以下观点：

1）尺寸稳定化处理的目的是为了消除机加工产生的应力，由于其热处理温度较低，不属于奥氏体不锈钢焊接接头固溶处理、稳定化处理、消应力处理等3种常见的热处理，且不属于RCC-M规范规定的焊后消除应力热处理、固溶处理或析出强化热处理，故尺寸稳定化处理为焊接工艺评定的非重要变素。

2）RCC-M规范规定的焊接接头横向拉伸试样的尺寸，存在不合理的地方。由于缩截面受拉平行部分较长，在采用极限抗拉强度低于产品要求的“化学成分相近”的母材进行焊接工艺评定时，可能导致试样的断裂部位在母材部位，达不到考核焊接接头抗拉强度的目的。同时，RCC-M规范应借鉴ASME规范的规定，允许试样断在焊缝或焊缝界面以外的母材上，只要强度低于母材规定最小抗拉强度的量不超过5%，可以认为试验满足要求。

3）对于吊篮筒体的热丝TIG对接环焊的焊接工艺评定，是将热丝TIG焊理解为手工焊还是自动焊，是由于RCC-M规范规定未明确而存在争议的地方。而RCC-M规范2007年版明确了板材的焊接工艺评定适用于管子的条件，减少了不必要的争议。

4）考虑到影响破坏性试验的不确定因素较多，RCC-M规范2007年版“只有冲击试验不合格才允许复验”的规定要求过于苛刻。应参考其他标准的规定，允许破坏性试样不合格时，进行双倍复验。双倍复验时，只要余料足够，在不符合项试样的取样部位附近取样即可，而不用再重新焊制一块足够截取所有破坏性试验用试样的试板。

[1]RCC-M 2000年版+2002年补遗版，压水堆核岛机械设备设计建造规则[S].（RCC-M 2000 and 2002 addendum, Design and Manufacture Rules for PWR NI Mechanical Equipment [S].）

[2]RCC-M 2007年版，压水堆核岛机械设备设计建造规则[S].（RCC- M 2007, Design and Manufacture Rules for PWR NI Mechanical Equipment [S].）

[3]ASME锅炉及压力容器规范1998年版及至2000年补遗版，IX 焊接和钎接工艺，焊工、钎焊工、焊接和钎焊操作工评定标准[S].（ASME 1998 and 2000 addendum, Boiler and Pressure Vessel Code,IX: Qualification Standards for Welding and Brazing Processes, Welder, Brazer, Welding and Brazing Operator Performance [S].）

[4] GB/T 2649—1989,焊接接头机械性能试验取样方法[S].（GB/T 2649—1989, Sampling Methods for Welding Joint Mechanical Performance Test [S].）

[5] JB 4708—2000，钢制压力容器焊接工艺评定[S].（JB4708—2000, Welding Procedure Qualification for Steel Pressure Vessels [S].）

[6]ISO 15614-1—2004，金属材料焊接工艺规程及评定—焊接工艺评定试验 第一部分：钢的弧焊和气焊、镍及镍合金的弧焊[S].（ISO 5614-1-2004, Specification and Qualification of Welding Procedure for Metallic Materials—Welding Process Test - Part 1: Arc and Gas Welding of Steels and Arc Welding of Nickel and Nickel Alloys[S].）

[7]NF EN 895-1995，Destructive tests on welds in metallic materials-Transverse tensile test[S].

[8]GB/T 19869.1—2005，钢、镍及镍合金的焊接工艺评定试验[S].（GB/T 19869.1—2005, Welding Procedure Qualification Test for Steels, Nickel and Nickel Alloys[S].）

[9] GB 150—1998，钢制压力容器[S].（GB 150-1998,Steel Pressure Vessel [S].）

[10] 陈裕川.焊接工艺评定手册[M].北京：机械工业出版社，1999:281.（CHEN Yu-chuan.Welding Procedure Qualification Mannual [M].Beijing:Mechanical Industry Press, 1999:281.）