核电站主管道缺陷控制分析

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0 引言

由于焊接在设备安装中起到连接管道的作用，其焊接质量直接影响安装质量，而焊缝缺陷直接影响到管道的使用寿命，在整个施工过程中，包括前期的筹备（焊材验收、工艺评定）、 以及焊后检验）以及焊后成品防护等，以上每个环节若出现问题，均可导致焊缝缺陷的产生，最终形成质量事件， 由于主管道连接设备的重要性，通过近几年施工管理经验，在核安全文化基础上对主管道焊接进行全面分析，确保现场焊接质量可控。

1 焊接缺陷分类

焊接缺陷按照所在层面分为外观缺陷（表面缺陷）和体积缺陷（内部缺陷），其中外观缺陷（VT、PT）可通过人员借助或不借助工具检测出，而体积缺陷通过相应的无损检验检（RT、UT）测出。

外观缺陷：焊缝及检测范围内表面出现的缺陷，如咬边、表面夹杂、焊瘤、凹陷、焊缝变形超标、未焊满、烧穿、成型不良、错边、塌陷、表面气孔及弧伤和缩孔等。

体积缺陷：焊缝及检测范围内内部出现的缺陷，如内部气孔、内部夹杂、裂纹、未熔合等。

以上外观缺陷和体积缺陷，根据对焊缝的有害影响的大小，如裂纹、未熔合为禁止出现的缺陷，其余缺陷根据形态、大小在一定范围内可接受，但均对焊接构件的质量产生不利影响，如引起应力集中、降低接头强度、影响焊缝的密封性以及承压能力等，在主管道前期准备、施焊过程以及焊后防护进行有效预防尤为重要。

2 主管道先决条件质量控制

由于前期准备为现场施焊的先决，以下按照六西格玛进行分析。

⑴人员管理：焊工和热处理工，重在前期培训及技能鉴定，人员技能在影响缺陷控制上起到决定性作用。

焊工：按照民用核安全要求，取得方法证书， 技能比武的形式选取手法稳定、技能娴熟的焊接操作工，在此基础上进行1：1 模拟进行 例如 VVER 堆型由于涉及到内部堆焊，焊工除氩电可覆盖基层碳钢层焊接的资格以外 接质量由于受焊接方法的制约和人为因素制约，考取资格证到现场焊口焊接期间需时刻进行适应性车间焊接练习，技能得到监督单位认可后进行现场焊口焊接。

热处理工：热处理工包括带班作业组长和现场配合人员，作业组长由考有电工资格的人担当，并且参与热处理设备调试及工艺评定开发，有相关的热处理设备操作经验并且热处理设备出现故障时，能第一时间按照热处理程序能够独立完成问题处理。⑵机器管理：焊机和热处理设备，重在保障设备的稳定性。

焊机：除人员因素影响焊接质量以外， ，焊机稳定、焊接过程中电流不变化或在要求范围内进行变化成为设备首选因素，由于相 明确要求时，可选用设备稳定的进口 ESAB焊机或国产威特力焊机，如果对热输入有特别要求时， 要素，选用设备上根据需要增加相应的红外线自动监控系统，连接焊接设备，配备打印机，根据需求打印出速度、 电压和热输入曲线报告，跟随质量文件进行交工、存档。

热处理设备（仅复核钢需要加热的适用）：包括电阻加热设备和感应加热设备，设备入场后均应调试合格，打印出的曲线温差跳动控制在 5℃以内，设备上所使用的仪表均应经过标定合格。

⑶材料管理：焊材和母材

焊材：焊材的选型及质量符合性直接影响到电弧是否稳定燃烧，熔池是否得到有效保护，焊缝中的合金成分，缺陷是否在可控范围，力学性能是否满足设计要求，由于主管道焊材属于QA1 级质保级别。焊材由建设单位随设备进行统一供货，对于甲供物项，建设单位委托施工单位或外委第三方进行复验工作。

施工单位应建立一套完整的主管道专用焊接材料管理台账，焊材存储库房以及焊材烘干库房，控制好库房的温、湿度，专人负责管理做到专材专用。

母材：母材为主管道，为锻造管段，按照相关标准要求管道需经相应的无损检验，合格后运至施工现场，包括生产检验接头和现场管段，验收时检验生产检验接头母材炉批号与现场其中一段主管道炉批号一致，厂家已加工的坡口满足设计文件要求，成品未得到破坏，现场使用前坡口进行相关的无损检验（VT、PT、UT）合格。

⑷方法管理：设计文件和现场方案

设计文件：设计文件为现场施工方案编制的依据文件，过程中可能涉及到的设计类文件包括设计公司出具的专项技术规程、设计图纸、厂家图纸以及通用的标准，提前梳理出各类设计文件对主管道的规定，对不清楚、不熟悉或者模棱两可的要求通过澄清的形式进行确认，现场环境不可达的进行变更。

现场方案：现场施工方案为现场主管道焊接施工的依据，包括焊接、无损和热处理（若有）相关方案，重点提出的为梳理出已安装完成的相关核电堆型施工过程中出现的质量问题或安全问题，按照类别进行梳理，找出典型问题在方案中进行体现，制定出防控措施。⑸环境管理：车间管理和现场控制区管理

车间管理：车间管理为前期准备环境，涉及到的工作如焊材验收、焊工选拔、热处理设备调试、工艺评定开发等，在施工前期筹备期间，合理安排车间空间，规划出满足焊接需求的工位。

现场控制区管理：主管道施工区域的清洁度为Ⅱ级清洁区，除了必要的控制区清洁、门禁以外，还有影响焊接质量的外在因素，如：在焊接操作场所避免受到天气的影响。当出现下述任一情况时，须采取有效预防措施，否则禁止施焊：风速：氩弧焊时大于 2m/s，焊条电弧焊时大于 8m/s ；相对湿度大于 90%；环境温度低于-10℃；焊件的温度低于+5℃；焊接时，管内存在有穿堂风，承包商应记录焊接时的环境温度和干、湿度，超过时需要采取预热、加热、除湿措施，达到要求后才能进行焊接活动。⑹测量管理：工具管理和质检管理

工具管理：精确的尺寸测量是保证焊缝质量和核电安全的基础，而缺陷的大小通过工器具进行测量，工具维护不当或选用工具精度不达标直接导致测量数据偏差过大，直接影响到测量数据的真实性，为确保测量数据的真实有效性，所使用的仪器仪表及工器具，均应按照相关标准进行标定合格且在标定有效期内。

质检管理：质检作为质量检查的把控者，其测量数据的真实性与测量偏差与质检检查直接相关，如测量方法不对、使用工具精度不满足要求、责任心不强不作为等因素，由于主管道属于全程见证，监督单位监督质检的履职情况，对责任心不强、不作为的质检直接替换，对尺寸测量进行选点见证，确保测量的真实性。

3 主管道施工过程缺陷分析及控制

图1 现场主管道焊口布置图

3.1 VVER 堆型主管道简介

某核电A、B 号机组的反应堆冷却剂系统由四条并联到反应堆压力容器的传热环路组成。每条环路包含一台卧式蒸汽发生器（以下简称蒸汽发生器）和一台反应堆主冷却剂泵（以下简称主泵），其中一环路上有一台稳压器。每条环路由反应堆压力容器至蒸汽发生器的热段蒸汽发生器至主泵的过渡段和主泵至反应堆压力容器的冷段组成。

每条环路现场焊口 7 道，4 条环路共计 28 道焊口。焊接接头焊缝等级均为I 级（ПНАЭГ-7-010-89）。主管道的布置图如图1，焊接阶段焊接划分五个阶段，如图 2，根据各阶段焊接性质进行分析，过程中将会出现不同类别缺陷的概率也不同。

图 2 主管道阶段焊接示意图

3.2 氩弧焊接阶段

阶段介绍：焊材：СВ-08ГС/СВ-08Г2С（碳钢焊丝），焊接方法：氩弧焊接主要缺陷：气孔、夹杂、未熔合、未焊透。此阶段为氩弧焊接阶段，涉及到的施工有组对、分段点焊以及焊后打磨作业。

3.2.1 气孔

原因分析：气体存度不够；待焊母材表 锈等杂质 气湿度过大 焊接过程中人员走动产生定向风；管道内部穿堂风。预防措施：车间进行适应性练习，提前 %（高纯氩），为确保气体的连续性，使用集成气体或液氩为最佳；每日焊接前， 体的符合性；使用清洗剂对待焊母材和焊丝进行擦拭，保证表面无有油、污、锈等杂 、湿度表，确保湿度不超标，若湿度过大，建立独立的控制区使用除湿机进 人员外，无关人员禁止进入焊接区域，挡风防护禁止随便打开；为防止管道内部出现穿堂 过渡段存 人孔盖 需要封堵，如主管道冷端需要在管道内部制作防风堵板。

原因分析：焊后熔渣（杂）残存在焊缝中的现象， 主要分为金属夹渣和非金属夹渣。金属夹杂为夹钨、夹铜，非金属夹杂为硫化物、氧化物、氮化物。主要原因：坡口尺寸不合理； 多层焊时 ，钨极融化脱落于熔池中；预防措施：按照图纸要求对主管道坡口进行加工，特别注意检查坡口的斜度； 加强焊接过程的层道清理 焊接下道焊缝前对焊缝表面进行检查； 加强焊工基本技能培训，使用合适的电流参数，焊接过程中若出现钨极熔化或钨极触碰到焊丝铁水坠入熔池，需严格对焊缝进行打磨处理。

3.2.3 未熔合

原因分析：未熔合是焊接过程中焊缝金属与母材或相邻焊道未完全熔化结合形成的面积型缺陷，其危害程度仅次于裂纹，分为根部未熔合、坡口未熔合和层间未熔合，原因：根部电流间隙过小或钝边过厚，焊接电流不足熔深不够；坡口表面有氧化物、油、污、锈等杂物未清理干净，焊条摆动幅度不足，边缘停留时间过短；层间温度过低，热输入小，铁水（熔池）流动性差，焊道间氧化物清理不彻底。预防措施：选用与现场主管道同规格、同材质的管段制定合适的工艺评定，选择适合现场操作的电流参数，焊接前严格检查管道钝边厚度；加强焊接过程的层道清理，焊接下道焊缝前对焊缝表面进行检查，参与现场主管道焊接的焊工均经过工艺评定焊接或适应性 1：1 鉴定合格，间接性熟悉现场焊接操作； 加强焊工基本技能培训，使用合适的电流参数，每道焊道焊接前，焊工对待焊区域质量进行检查，专业质检进行检查合格后方可允许后续焊接。

3.2.4 未焊透

原因分析：未焊透是焊接过程中，接头根部未完全熔透，也就是焊缝金属未进入接头根部的部分，导致焊件之间未形成完全的金属结合，包括根部未焊透、边缘未焊透以及中间未焊透， 原因：焊接参数选择不当；焊件组对不满足要求；焊工操作不当。预防措施：优化焊接参数，确保足够的热输入；控制组对内错边量，如出现错边需修复后再焊接，定位焊牢靠，防止点焊过程中发生管道位移； 提高焊工技能，在现场开始前定期进行技能评定。

3.3 基层手弧焊接阶段

此阶段包括基层手弧阶段及基层手弧最终阶段，阶段介绍：焊材：ПТ-30（碳钢焊条），焊接方法：手工电弧，焊接主要缺陷：气孔、夹杂、未熔合。此阶段为手弧焊接阶段，涉及到的施工有管道预热、手弧焊接以及焊后打磨作业。

3.3.1 气孔

原因分析：焊材未按照要求进行烘干；焊材偏芯；焊工操作手法不熟练，收弧甩接头未清除干净；空气湿度过大。预防措施：按照厂家推荐的要求对焊材进行烘干及保温，焊材使用按照相关焊材管理规定执行，逐根抽取使用，领取的焊材及时插电保温；焊材烘干时，烘干员对偏芯焊材进行筛选，焊工使用过程中焊工进行操作甄别，对弧偏吹较大对熔池保护不好的焊材进行舍弃，有必要对已焊接焊缝进行打磨；对俄供焊材进行操作性培训，每根焊条焊接后接头甩出焊道以外（禁止甩到母材上），下道焊接前对接头进行打磨处理；每个焊口控制区配置温湿度记，环境湿度超大（控制在 80%以内），配备除湿机进行除湿；

3.3.2 夹杂

原因分析：多层焊时，层间清渣不彻底。预防措施：基层手工电弧焊接后打磨，采用焊工焊接、钳工打磨、焊工自检、质检放行的管控方式进行管理，对层道间打磨进行严格把控。

原因分析：焊接电流不足熔深不够，热输入小，铁水（熔池）流动性差；焊条摆动幅度不足，边缘停留时间过短；焊道间氧化物清理不彻底。预防措施：预热温度达到设定值后再进行焊接操作，选择合适的电流参数，焊接过程中时刻关注铁水流动性，流动性不足及时通过设置电参数进行控制；参与现场主管道焊接的焊工均经过工艺评定焊接或适应性1：1 鉴定合格，间接性熟悉现场焊接操作，由于特殊情况导致焊工长期未进行焊接，焊接前要进行评定合格； 对负责主管道打磨的钳工进行针对性培训、授权，对打磨注意事项进行重点宣贯，加强焊工基本技能培训，使用合适的电流参数，每道焊道焊接前， 格按照钳工打磨、 焊工自检、质检放行进行控制，施焊时焊缝每层（焊道）的厚度不应超过7mm。

3.4 复合层焊接阶段

复合层焊接阶段包括过渡层焊接及复层焊接阶段，阶段介绍：焊材：过渡层焊条采用ЦЛ-25/1，复层焊条采用ЭА-898/21Б，焊接方法：手工电弧，焊接主要缺陷：气孔、夹杂、未熔合。此阶段为手弧焊接阶段，涉及到的施工有手弧焊接以及焊后打磨作业，原因分析及预防措施如同 3.3 章节。

4 施工后缺陷分析及控制

主管道焊接完成后，需按照要求对焊缝进行防腐及成品保护，容易出现的焊缝缺陷为生锈、焊缝机械损伤，原因分析：环境湿度大，焊接完成后未及时进行涂油/喷漆防腐；焊缝未进行硬性防护，导致焊缝被损伤。预防措施：对已完工的焊缝及时进行防腐，若因为施工制约而无法进行防腐，提前在管段使用标准所允许的材料使管道与空气隔离；使用硬性材料制作管道防护工装，隔离物体与管道直接碰撞。

5 主管道焊接缺陷分析及缺陷控制

5.1 主管道缺陷分析

某核电A、B 号机组主管道焊接，28 道焊口探伤 140 次共计 1400 张底片，其中 A 机组共出现 14 张底片返修，B 机组共出现 7 张底片，通过图3、图 4 对比分析，整体焊接质量有所提升，出现同类缺陷的概率有所降低，从图 3 中分析，缺陷主要是气孔和夹渣。

图3：A 机组、B 机组各类缺陷分析图

图4：A 机组、B 机组缺陷对比分析图

5.2 主管道缺陷控制

5.2.1 施工控制

先决检查控制：每次启动质量计划前，核查焊工资格（是否上过类似的焊口，是否进行技能鉴定），焊接设备、仪器仪表（有效期）及记录人员履职，技术交底是否涵盖；

焊道厚度控制：关注碳钢焊条焊接过程中单道起的厚度，不超过 7mm，随时对过程中记录进行检查；焊条摆动的幅度不得超过焊条直径的三倍；

道间温度控制：道间温度应小于 100℃，焊道宽度不得超过所使用间温度的测量；

焊接材料控制：焊材使用过程中，注意焊材药皮是否偏芯，及时更换易出现质量问题人员状态控制：及时关注焊工的状态，发现集体性状态不佳及时进行更换。

5.2.2 技术控制

工艺参数控制：研发合适的工艺评定，涉及到车间练习件、车间模拟件以及工艺评定件均采用与现场主管道材料一致、规格一致、焊材一致、人员一致进行焊接，深究出适合现场使用的打底电流以及填充电流等参数；

技术交底管控：技术交底要求针对性，对容易出现问题的施工阶段进行重点宣贯，对经验反馈章节机械能分类划分，找到交底的侧重点，禁止出现“宣读文章式”交底；

打磨专项技能鉴定：包括管工及焊工打磨，精细化做各阶段打磨要求以及打磨注意细节。5.2.3 管理控制

四位一体质量管控：定期、定频率对现场施工进行联合监督、巡检，针对焊接问题，定期召开焊接专项会议，制定出质量管控目标健全焊接管理体系；

旁站监督管控：对主管道重要工序如：氩弧打底焊接、热处理及探伤底片审查进行重点跟踪，指正并改正施工过程中违规操作及违反工艺纪律异常状况，协助并帮扶处理施工过程中质量问题。

6 主管道焊接技术未来发展趋势

高效焊接：目前国内堆型除 VVER 堆型使用手工电弧焊以外，其他核电堆型，如华龙一号、M310 以及 EPR 等压水堆以及高温气冷堆主管道均采用了自动焊焊接，未来主管道手工焊将会被自动焊所取代。

数字化焊接：焊接技术涉及到焊接设备、焊接工艺知识、传感检测、信息处理、施工过程建模、过程控制器、机器人机构，以及采用智能化途径进行复杂系统集成的实施等诸多方面，根据不同缺陷产生及机理去分析、管控，智能化控制缺陷出现的概率，届时缺陷出现的概率将会大面积减少。

总之，主管道焊接根据设计文件所规定的不同的焊接方法去分析，控制缺陷产生的概率，从而避免超标缺陷的产生为后续主管道质量控制的重中之重。

参考文献：

[1]王建，试析管道焊接施工技术管理要点. 防护工程，2019 年第 6 期