M310型压水堆核电安装工程焊材牌号评定

王浩政，林磉熙，刘金平，马明豪

（1.中国核工业二三建设有限公司 福清项目部，福建 福清 350300；2.核工业工程研究设计有限公司，北京 101300）

0 前言

焊接填充材料牌号评定（以下简称：焊材评定）是民用核电安装过程中选择焊材品牌的过程，需按照相关标准进行检验试验[1-3]。目前国内M310型核电站安装工程RCC-M级别设备、管道焊接所用焊材主要为国外进口，焊材评定的试验结果直接关系到核电工程管道预制、安装能否顺利启动。

在生产制造阶段，因标准的理解和试验设备、检测方法方面的差异，安装承包商进行焊材评定时，化学分析、机械性能试验易产生问题。此外，国外进口焊材采购周期长，若焊材评定不合格，将导致核电工程管道预制、安装工期的严重滞后[4-5]。因此，焊材评定是核电站安装工程前期准备工作的重中之重。

1 焊材评定目的

焊材评定为核电站安装工程中碳钢、低合金钢、不锈钢以及镍基合金材质的RCC-M规范级设备、管道在进行承载焊缝、隔离层、堆焊层、密封焊缝和补焊焊缝焊接时焊材商标品牌的选择过程。

通过焊材评定确定核电站机械设备在安装过中所使用的各类焊材工艺参数的有效范围，如：母材的牌号与厚度、焊材规格、焊接方法、焊缝类型、焊接位置与方向、焊接参数、热处理要求等。焊接工艺过程中，焊材的使用必须满足焊材评定的有效范围。

2 焊材评定的要求

M310型压水堆核电安装工程中焊材评定包括两方面的内容：（1）由焊材生产厂家负责的焊接材料的试验和熔敷金属的试验；（2）由使用这些焊材的安装承包商负责的标准试件的试验。

本文主要描述的是安装承包商负责的标准试件的试验。安装承包商应编制焊材的采购技术文件，简称“焊材采购技术规格书”，作为焊材生产厂家焊材生产制造的技术要求。该文件中须明确相关焊材的化学成分及力学性能的指标，并确保其满足RCCM S2000章填充材料数据单的规定。

焊材生产厂家须确保其提供的焊材满足安装承包商“焊材采购技术规格书”的要求，并提供相关的质量证明书、评定数据单等文件，这些文件应包含但不限于如下内容：焊材的商标牌号、贮存、保管要求以及明确可能会导致焊材质量发生变化的各种可变的参数。

安装承包商根据焊材生产厂家所提供的质量证明书、评定数据单等文件进行标准试件的试验，并发布相关焊材评定报告。焊材评定标准试件的试验如下：射线检测和渗透检测、宏观和可疑区的微观检测、焊缝金属化学分析、面弯试验、背弯试验、侧弯试验、焊缝金属室温纵向拉伸、焊缝金属室温横向拉伸、焊缝金属高温纵向拉伸、0℃或-20℃下焊缝金属KV冲击试验。

3 焊材评定主要内容

3.1 评定有效范围

某种牌号的焊材在使用时应明确变化的工艺参数满足该焊材评定报告的有效范围，否则应重新进行评定。

M310型压水堆核电安装工程中焊材评定有效范围主要包含以下7个方面：

（1）母材的牌号和厚度的有效范围。

根据评定试验结果，按照RCC-M S5210确定的母材牌号、组别及焊材可使用的母材厚度范围。

（2）焊接材料的几何特性。

对于某种牌号的焊材，如果其直径的上、下限均已评定合格，则可认为直径介于上、下限之间的该牌号焊材亦评定合格。

（3）焊接方法和电流类型。

改变焊接方法、电流类型（直流或交流、正接或反接），则需重新进行评定。

（4）焊缝类型。

承载焊缝的评定适用于堆焊焊缝的评定，反之则需重新进行评定。

（5）焊接位置和方向。

评定合格的焊接位置是有效的，不同的焊接位置不允许相互替代，但对于任意评定合格的基本位置之间的位置是有效的。

（6）焊接参数。

M310型压水堆核电安装工程的焊接参数主要指手工焊中的电流值。

（7）相关的热处理。

评定试验所规定的层间温度的提高或规定的预热温度的降低、影响评定有效范围的消应力处理及其他焊后热处理的任何修改，都需重新进行评定试验。

3.2 评定项目的设置

安装承包商在进行标准试件的试验时，应根据标准规定的各要素的有效范围，合理地设置标准试件的试验。M310型压水堆核电安装工程中常用焊材牌号评定的设置如表1所示，以供参考。

4 焊材评定易出现的问题

目前国内M310型压水堆核电安装工程中的RCC-M规范级设备、管道安装所选择的焊材，主要源自国外进口，其从原材料的选择、制造工艺、焊接操作手法、人员、设备及标准的理解等方面都与国内存在差异，焊材评定中的主要问题如下：

（1）推荐的焊接电流范围较大，未注明各焊接位置对应的焊接电流使用要求。

表1 M310型压水堆核电安装工程中常用焊材牌号评定的设置

（2）实心焊丝端部无钢印标识。

（3）不锈钢焊材中部分化学元素接近标准下限，焊接理化试验易出现不合格的情况。

（4）焊接人员焊接经验欠缺，操作习惯、操作手法不规范，易出现缺陷。

对于各焊接位置电流使用要求和部分焊丝端部无钢印标识的问题，其主要是标准理解差异或人因失误造成的，若出现此类问题，需及时与制造商沟通解决。对于焊材化学成分接近下限和焊材操作要求的问题，涉及到生产厂家制造工艺，解决问题的难度相对较大，以下就这两种问题进行实例分析。

5 实例分析

5.1 实例1

国外进口的不锈钢焊丝型号ER316L，规格为φ1.6 mm，此焊材评定进行了两次化学分析试验，存在以下现象：该焊材本身Ni元素含量在标准要求的下限浮动，与标准值相差数据很小。

实测数据③使用光谱法分析平、横、立、仰4个位置焊接试板的化学分析试样的Ni含量，3次昀略低于标准值，最大差值为0.08%；1次与标准值相同。实测数据④在堆焊焊缝试样上，采用湿法分析，平、横、立、仰4个位置的Ni含量试验结果均满足标准值，4组试验数据与厂家试验数据（焊材材质证）相比，差值不大。试验结果对比如表2所示。

通过对比试验数据，焊材评定焊缝熔敷金属元素Ni化学分析数据略低的直接原因是：

（1）在焊接过程中，焊缝金属化学元素含量受到两侧母材的稀释。由表2可知，焊材材质证①和②的化学分析试样制备方法为成品焊丝和焊缝金属堆焊，这两种方式可避免母材稀释的影响，因而相应的试验数据满足标准值的规定。安装承包商进行焊材评定时，实测数据③是在对接焊缝表面进行的，焊缝金属存在一定程度的母材稀释，致使最终结果的Ni含量略低于标准值。且在4组试验数据中，焊缝湿法化学分析Ni含量的试验数据均高于光谱分析试验数据。

表2 ER316L规格（φ%1.6 mm）化学分析试验Ni含量结果对比

上述结果证明，焊材熔敷金属化学结果是满足标准要求的，但对于该焊丝中Ni的含量，在生产制造阶段，焊材厂家在确保焊材各化学元素含量满足标准要求的前提下，对Ni等市场价格相对较高的元素控制较严，Ni含量预留的浮动区间较小（接近下限值）。实测数据③是在焊缝表面进行光谱化学分析试验，试验偏差超出了Ni含量预留的浮动区间，Ni元素的含量略低于标准规定。

（2）安装承包商焊材评定焊缝熔敷金属化学分析试验时，由于人员、设备、检测手段、试样制备方法的差异，致使实测数据③所示的异常结果。

（3）上述焊材的牌号评定化学分析试验是在焊缝表面进行的，而焊材厂家焊材材质证所提供的试验数据，第一次为成品焊丝湿法分析，第二次为堆焊的化学分析试样光谱分析。相比之下，生产厂家在出厂试验时采用的取样方法可以有效避免母材对焊接接头中各元素的稀释。

综上，上述焊材熔敷金属化学成分满足标准要求，但是生产厂家对Ni元素配比设置与标准下限较接近，买方在进行焊缝熔敷金属化学分析试验时，由于人员、设备、检测手段的差异或者业主方的特殊要求（不允许进行堆焊化学分析试样），买方焊材牌号评定化学分析试验易出现不理想的结果。

5.2 实例2

焊接人员焊接经验欠缺，操作习惯、操作手法不规范，焊接易出现缺陷。国外进口的碳钢核级焊丝ER70S-6，规格φ2.0 mm，焊材牌号评定2G、3G1位置，所有项目的理化试验全部合格。1G位置宏观金相试验存在层间未熔合，如图1所示；4G位置微观金相试验，在焊缝熔合线区域存在微裂纹，如图2所示。

图1 宏观金相：层间未熔合

图2 微观金相：微裂纹

由图1可知，此缺陷为焊缝道间未熔合，其产原因主要为：

（1）焊接规范选择不当。电流过小，填充焊道时焊接速度太快，焊接电流的强度不够，产生的热能量小，致使下层焊道未完全熔化。

（2）焊接操作不当。电弧偏吹，下层焊道还未完全熔化就被熔化的铁水覆盖。

（3）焊缝层间清理、打磨处理不好。下层焊道未清理干净或者是打磨处理未圆滑过渡，形成较大的沟槽。

经核实，焊接人员从事焊接活动时间短，工艺试验焊接经验和信心不足，且周围见证人员较多，导致其未发挥正常水平；其次，试件厚度较大（t=20mm），焊接人员急于尽快完成，焊接速度快，操作手法产生了变形。

通过微观金相试验确定缺陷产生部位为焊缝根部（见图2），同时根据其形态特征判断裂纹为热裂纹。

焊缝热裂纹主要形态特征如下：（1）多产生于接近固相线的高温下，有沿晶界分布，有沿晶界开裂；（2）通常产生于焊缝金属内，也可能产生在焊接熔合线邻近的热影响区组织内；（3）通常发生在杂质较多的碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢等材料焊缝中。

通过核查与分析焊接过程，初步判断此位置焊缝熔合线出现裂纹的主要原因为：试板焊接时电流较小，层间温度较低，接头冷却速度快，在熔合线附近晶粒粗化；其次，组对时焊缝变形控制不好，焊接完成后试板收缩量已远超出组对时设置的反变形量，经测量焊后角变形分别为4°～4.5°；仰焊位置打底焊接时焊道厚度较薄（每层厚度约1.1～1.6mm），受试板变形拉力的影响，打底焊道的力学性能减弱，熔合线处晶间塑性变形能力不足以承受当时变形所发生的塑性应变量，导致产生裂纹。

根据上述分析结果，变更变形控制方法，在试板背面使用强度较大的型钢以减小焊接应力；合理选用焊接参数，适当提高层间温度以减小冷却速度。重新焊制试板进行理化试验，结果合格。

6 结论

焊材评定作为M310型压水堆核电安装工程施工阶段焊材管理工作的重点，是安装施工阶段目标顺利实现的先决条件，也是核电安装焊接质量的重要保证。焊材评定出现异常结果时，首先应对照标准自查焊接工艺、参数、取样方式、试验方法等方面的不足之处；其次，加强各单位之间，如焊材厂家、其他核电项目之间的横向交流，对比自身焊材牌号评定的过程，分析出现异常结果的原因，从而加以改进和处理。

（1）加强与焊材生产厂家技术人员的沟通交流，向厂家明确项目焊材牌号评定具体规定和业主方的特殊要求。

（2）为确保购买方焊材牌号评定工作中人员、设备、试验方法的差异不会影响到化学分析试验的结果，建议在焊材采购技术规格书中或者在与厂家进行合同签订时，以补充协议或其他方式，在满足标准要求的前提下，将Cr、Ni等贵重金属指标下限提高0.5%。

（3）焊材牌号评定试板焊接尽量选择技术熟练稳定、有一定焊接评定试验经验的焊工施焊，避免因客观条件所导致的不理想结果。

（4）进口焊材使用前，应根据现场实际情况进行适应性的培训练习，以便焊工能够尽快地掌握其操作要求及其注意事项。

（5）试板焊接后进行无损检测时，保证理化试验试样的切取在熔敷金属的无缺陷区。若有必要，可对加工后的理化试样进行射线检测，避免在试样中存在影响理化试验结果的缺陷。