方家山核电不锈钢覆面安装与焊接技术

魏连峰，王 群

（1.中国核动力研究设计院，四川 成都 610041；2.秦山核电有限公司工程管理部，浙江 海盐 341300）

方家山核电工程不锈钢覆面安装主要应用于反应堆厂房内的堆腔水池、换料水池、-3.5 m标高的集水坑，燃料厂房内的燃料转运舱、乏燃料储存水池、容器准备井和容器装载井，以及核辅助厂房的集水坑等部位。

作为核燃料及废料运输、存储的场所及核燃料和废料的放射性屏障，不锈钢覆面的安全等级为2级，质保等级为QA1级，其安装质量的重要性不言而喻。水池一旦泄漏，将存在放射性物质外泄的重大风险；另外水池一旦泄漏，泄漏点的定位检验及焊接修复存在较高的技术难度，目前国内尚没有形成成熟的不锈钢覆面泄漏定位检测技术及水下焊接技术。

众多水池失效案例表明泄漏事故大多直接或间接与建造期间原始缺陷相关。因此核电建设不锈钢覆面施工质量的保证有着重要的现实意义。

1 不锈钢覆面的结构

不锈钢覆面的施工首先是一定间距的不锈钢角块用膨胀螺栓固定在混凝土上，或在土建施工阶段将不锈钢锚固件预埋在混凝土中，再用一定间距的纵横不锈钢衬垫型钢或钢结构框架焊接在角块上，最后将不锈钢板焊接于衬垫型钢或专用钢结构之上而组成的，不锈钢板与衬垫型钢的连接方式如图1所示，与专用钢结构的连接方式如图2所示。

2 不锈钢焊接的主要问题及防治措施

核电工程基本上都采用奥氏体不锈钢作为覆面材料，由于奥氏体不锈钢含有较高的铬,可形成致密的氧化膜,所以具有良好的耐蚀性。当含Cr18%,含Ni8%时,即可获得单一的奥氏体组织,故奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性、塑性、高温性能和焊接性能。但在不同工况条件下,奥氏体不锈钢焊接接头往往面临着一些特殊的问题,易造成包括晶间腐蚀、应力腐蚀、刀蚀、焊接热裂纹、α相脆变等施工缺陷。

2.1 焊接接头的腐蚀性分析

（1）焊接接头的晶间腐蚀

晶间腐蚀是奥氏体不锈钢最主要的腐蚀问题之一，一旦产生晶间腐蚀，严重时其强度几乎丧失，施加一定应力就会产生沿晶断裂。导致奥氏体不锈钢焊接接头发生晶间腐蚀的原因主要是由于碳化铬析出引起的。奥氏体不锈钢在500～800 ℃温度区间进行敏化处理时，过饱和固溶的碳向晶粒间界扩散比铬的扩散速度较快，在晶界附近与铬结合成(Cr,Fe)23C6的碳化物，并在晶界沉淀析出，形成了晶粒边界附近的贫铬现象，当该区域的铬含量降低到钝化所需的极限含量（W(Cr）12.5%）以下时，就会加速该区域的腐蚀，形成晶间腐蚀。热影响区敏化温度区的晶间腐蚀发生在热影响区中加热峰值温度在600～1000 ℃范围的区域，产生晶间腐蚀的原因仍是奥氏体晶界析出碳化铬所致。

减少和防止晶间腐蚀的主要防治措施包括：①采取小规范（小电流、大焊速）、多道焊等工艺措施；②尽量降低母材、焊材中碳元素的含量，采用C含量小于0.03%的焊材；③使焊缝由单一的奥氏体相改变为奥氏体加铁素体双相，Cr在铁素体中扩散速度比在奥氏体中快，因此，铬在铁素体中较快地扩散到晶界，减轻了奥氏体晶界贫铬现象；④在钢材和焊接材料中加入Ti、Nb等与碳的亲和力比铬强的元素，能够与碳结合成稳定的化合物，从而避免在奥氏体晶界造成贫铬。

（2）焊接接头的应力腐蚀

不锈钢的应力腐蚀开裂是危害性最大的腐蚀行为，开裂时没有任何变形，事故往往是突发性的，后果严重。不锈钢在使用条件下产生应力腐蚀开裂的影响因素很多，包括钢的成分、组织和状态、介质的种类、温度、浓度、应力性质、大小及结构特点等。

减少和防止应力腐蚀的措施主要有：①避免强力组装、机械撞伤和电弧烧伤，减小冷作变形和应力；②严格控制介质与环境中的杂质（特别是氯化物、氟化物等）；③合理选材（母材、焊材）：避免晶粒粗化及硬化的马氏体组织；④焊缝成形良好，不产生任何应力集中（如咬边等）；⑤合理安排焊接顺序，降低应力；⑥防腐处理：涂层、衬里或阴极保护等位置添加缓蚀剂。

2.2 焊接接头的热裂纹敏感性分析

奥氏体不锈钢的热裂纹主要是结晶裂纹，是在焊缝金属液态金属凝固过程中产生的，此时熔点共晶存在一次晶，主要是树枝晶之间。其产生原因主要有以下3个方面：① S、P、C等与Ni形成低熔点共晶（如NiS+Ni的熔点为644 ℃），弱化晶界强度；② 奥氏体不锈钢液相线与固相线距离大，结晶时间长，枝晶方向性强，易产生杂质元素的偏析；③钢导热系数小，线膨胀系数大，易产生应力。

防治焊接热裂纹的主要措施包括：①严格控制母材和焊材有害杂质硫、磷的含量；②焊缝中产生有5%左右铁素体的双相组织，打乱奥氏体柱状晶的方向；③工艺上的措施：采用碱性焊条、小规范（小电流、快速焊），防止产生热裂纹。

2.3 焊接接头的铁素体含量的控制

奥氏体钢焊缝金属中铁素体含量的多少，不仅关系到α(σ）相脆变的生成和热强性，还直接影响着接头的抗热裂性。工件经受一定时间高温加热后，会析出σ脆性相，加热时间越长，高温停留时间越长，析出越多，将严重影响接头的力学性能。从抗热裂性出发，要求焊缝金属内含有一定量的铁素体，但从α相脆变和热强性来考虑，要求铁素体含量越低越好。因此，对于高温强度要求较高的焊接接头，必须严格控制铁素体含量，在某些场合下，必须采用奥氏体的焊缝金属。

3 不锈钢覆面焊接施工技术控制要点

3.1 焊接工艺及操作规范

（1）焊接方法

钨极氩弧焊（TIG）热量相对集中，热影响区小，晶粒长大倾向小，且在氩气的保护下，焊接质量稳定；另外施焊时宜采用直流正接，电弧热量约70%产生于工件,30%产生在钨极,焊道窄而深,有很好的熔透性。因此方家山工程不锈钢覆面的安装采用了全氩弧焊的方法施焊，仅部分埋件采用了焊条电弧焊。

采用焊条电弧焊（SMAW）时，打底层宜运用“一点(或两点)击穿断弧焊的操作手法”。“断弧焊”类似于无基值电流的脉冲焊法。平均热输入量小，熔池凝固快，减少过热区域和晶粒长大倾向。

（2）焊接规范参数

众所周知，为了更好地改善焊接接头的抗热裂纹和耐腐蚀性能，不锈钢的焊接工艺评定及焊接，易采用小规范进行，即小电流、大焊速、小电压（短弧焊，利于提高电弧稳定性）。另外，层间温度是影响不锈钢焊接质量的另一重要因素，为了预防焊接热裂纹的产生和热影响区的晶粒长大以及碳化物析出，保证焊接接头的塑性、韧性及耐蚀性，在焊接过程中必须控制道间温度。通过多次试验验证和协调管理，方家山工程不锈钢覆面安装时，层间温度要求控制在60 ℃以下（可用手触摸），有效提高不锈钢覆面焊接质量，表面感观良好，焊缝多数呈现淡黄色。

（3）规范焊工操作

焊接施工应重视并做好技术交底，方家山工程不锈钢覆面安装过程中还要求监理对技术交底实施选择性的旁站监督。焊接过程中严格要求焊工实施快速焊接，同时注意焊丝续丝角度和手法，采用较小的焊接热输入；严格禁止在母材表面任何疏忽性的打火,烧伤母材。

3.2 采取有效焊接变形应力的控制措施

由于覆面不锈钢板较薄，为了更好地控制焊接变形，方家山工程不锈钢覆面施工过程中采取了一系列防止变形及应力的控制措施：①同一水池施焊时最好具有合适数量的焊工同时对称施焊，并且采用分段退焊,分段长度不超过500mm,冷却后再继续施焊；②受接头形式限制和影响，打底焊时易产生紊流，可适当采用较大的气流量、较小的电流和焊速度；③同一面墙体所有填充焊完成后再进行盖面焊接；④底板焊接时,原则上先焊短缝，后焊长缝；焊缝的打底、填充采用从中间向两边分段退焊；⑤在焊接时,相邻焊缝同时进行,并且相邻焊缝的施工顺序应保证协调一致；⑥可适当采用锤击等方式，在焊缝处产生一定的压应力，改善焊缝的应力状态。

3.3 严格做好施工过程的清洁度控制

环境清洁度、焊材与母材的清洁度是影响不锈钢覆面安装质量的又一重要因素，方家山核电工程不锈钢覆面施工前，采用专项检查、设置专项控制点等方式督促施工方严格做好环境清洁度控制；另外在安装过程中，主要采取了以下控制措施：①督促总承包单位做好施工的协调管理,避免钢覆面的安装和土建的交叉施工；②在不锈钢水池衬里板安装前,应对整个水池的环境进行彻底的清扫,保证空气质量；③用铝基砂轮片仔细打磨底肋表面的焊缝区域,去除表面的氧化层及杂物,直至露出金属光泽；④衬里板在车间切割下料后,将切割边的毛刺清理干净,保证坡口的平直、光滑；⑤钢覆面专用工具专项专用，钢刷必须只能用不锈钢（M）；在预制、运输过程中,加强对不锈钢板的保护,防止铁素体、灰尘及其他杂物造成的污染；⑥覆面板在组对前,用不起毛的纯棉白布蘸丙酮擦拭底肋表面及衬里板组对坡口附近；⑦焊接前，对焊丝也应用丙酮用不起毛的纯棉白布蘸丙酮擦拭。

3.4 优化工序保证安装精度

不锈钢水池内部某些埋件、支撑件安装精度要求极高（位置公差仅有2 mm，如抗震拉杆埋件、换料机构支架埋件等），因此安装时需对构件结构认真研究，对加工和安装工序合理优化，以尽量减小由变形及零部件安装累计偏差等造成的验收尺寸超差。在其他很多电厂，此类埋件安装过程中，出现了各种各样的缺陷，需要实施拆除重新装配，重复焊接对埋件材料产生了较坏影响，开启不符合项；甚至有些电厂实施多次拆装才得以满足公差要求。

方家山工程不锈钢水池埋件主要采用了车间组装—机械加工—整体安装的方法实施安装，即先将构件在车间进行焊装，焊装时适当考虑采用构件预变形和预留加工余量；然后根据设计尺寸及安装公差的要求，采用机加工的方法对构件进行加工；最后再向一次预埋板上焊接。此种方法有效避免了焊装累积误差的不良影响，一次安装成功。

3.5 加强无损检测控制

无损检测对于保证不锈钢覆面施工质量起着至关重要的作用，因此，施工前应重视对无损检测人员资质、经验、责任心等严格要求和审查；施工中，对特殊位置、特殊焊缝无法进行RT的部位，认真进行PT、LT复检；另外，方家山核电工程还引入了无损检测专业化公司的第三方独立验证，以更好地保证不锈钢覆面施工质量。

3.6 重视不锈钢板的保护及处理

为了对不锈钢板实施有效保护，出厂前钢板表面均贴附保护膜，现场组对焊接前，需对坡口两侧保护膜实施切除；操作者一般使用小刀对保护膜实施切割，然后揭除。保护膜切割时，会对不锈钢表面的钝化膜产生不同程度划伤，在长期运行考验下，特别是水池偏离水质状态下，会发生点蚀缺陷。另外，施工中交叉施工以及一些无意的碰撞都有可能造成类似的状况和缺陷。方家山核电工程不锈钢覆面安装期间要求对划伤部位进行标示或记录，水池整体施压前，将保护膜揭除后，对划伤及碰伤部位实施补充酸洗钝化。

4 不锈钢覆面施工监督与管理

焊接、材料、吊装是核电工程安装质量控制的三大重点，其中焊接质量的过程控制尤为重要。不锈钢覆面施工是一项焊接技术密集型的施工活动，且常会因焊接缺陷产生泄漏，需高度重视。在该物项开工前期，组织施工方和监督方开展了“不锈钢覆面经验反馈交流暨专项检查活动”，并开设了“不锈钢覆面施工技术管理”专题讲座，将国内核电厂外不锈钢水池失效的典型案例进行介绍和分析，对奥氏体不锈钢焊接特点及易出现的问题进行了分析，然后对方家山不锈钢覆面施工及质量监督管理进行了研讨；同时提出了“强化焊工技能培训和练习，通过焊接试验优化焊接参数，严格控制层间温度（60 ℃以下），高度重视施工环境清洁度，监理适时旁站监督，增加第三方无损检验”等要求。在后续施工过程中，对钢覆面施工活动实施重点监控，使施工单位各级人员都深刻认识到做好该项施工活动的意义，并自觉加强不锈钢覆面的投入和施工探索。目前，堆腔、换料水池池壁已安装完毕，从监督检查的结果看，不锈钢覆面焊接施工控制达到了很好的效果，无损检验一次合格率达到100%。

5 结论

1）核电不锈钢覆面容易出现泄漏现象，给核安全造成威胁，维修成本较高，需在建造期间严格控制，提高安装质量。

2）工艺及操作规范、变形、清洁度、物项保护等是影响不锈钢覆面安装及焊接施工质量的重要因素。

3）通过重要施工环节的有效控制，方家山核电工程不锈钢覆面安装有效解决了国内其他核电站的重大难题和质量问题，取得了无损检测一次合格率100%的效果。

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