核电厂安全壳喷淋管道焊接及质量控制研究

 苟健颀  ,梁鹏程 ,陈西田

中国核工业二三建设有限公，222000

摘要：安全壳喷淋管道是核电厂安全壳重要的承压设备，其主要作用是吸收核反应过程中产生的放射性物质并将其排出。在核电站运行过程中，核电厂安全壳喷淋管道属于易腐易损设备，其焊缝质量直接关系到核电厂的运行安全。因此，在核电站运行过程中要高度重视安全壳喷淋管道焊接工作的质量控制。本文结合某核电厂安全壳喷淋管段焊接工艺和质量控制方案，分析了核安全级压力容器内的喷淋管道焊缝焊接技术和质量控制方案，为后续核电站安全壳喷淋管段焊接工作提供参考。

关键词：核电厂；质量控制；管道焊接

安全壳喷淋管道是核电厂安全壳重要的承压设备，其主要作用是吸收核反应过程中产生的放射性物质，并将其排出。随着核电站机组的逐步投运，喷淋管道焊缝出现缺陷和断裂等问题的概率也随之增大。因此，在核电站运行过程中，要高度重视安全壳喷淋管道焊缝的焊接质量控制工作，保证焊缝质量满足相关标准及设计要求。通过分析安全壳喷淋管道焊缝缺陷产生的原因，从焊接准备、焊材选择、焊接工艺制定、焊工技能培训、过程控制等方面加强对安全壳喷淋管道焊缝质量控制工作，并通过开展相关检测试验，从而确保核电施工过程中对安全壳喷淋管道焊缝质量的控制能够达到预期效果，从而提高核电厂整体运行安全性。

一、工程概况

核电厂喷淋系统的辅助功能是带走随一回路失水所散布在安全壳内大气空间中的气载裂变产物，限制喷淋的硼酸对金属设备的腐蚀；当反应堆厂房发生火灾时，可手动喷淋灭火；在冷停堆工况下，作为最后冷源以再循环模式冷却安全壳内置换料水箱（IRWST）；在核电厂发生失水事故后15天，作为安全注入系统低压安注泵的备用；在再循环喷淋阶段，从安全壳地坑吸水，在安全壳外的管段为第3道屏障的一部分。

某核电厂以工程设计安全等级为一级，工程总投资约25亿元，本期工程建设两台百万千瓦级压水堆核电机组。一期工程建设两台机组，分别为1号和2号机组，两台机组额定功率均为125万千瓦，为国内首次引进的第三代核电技术。核电厂安全壳喷淋管道设计压力为1 MPa，工作压力为0.4 MPa，工作温度范围-40℃~105℃。喷淋管道由DN600×1 0-5不锈钢无缝钢管组成。钢管表面光滑、无气孔、夹渣和裂纹等缺陷，管壁厚均匀，并满足设计要求。该安全壳喷淋管道焊缝数量多、工艺要求高，且每一条焊缝都会对安全壳安全产生影响。因此在该工程建设期间，要按照相关技术文件要求和工艺标准严格进行质量控制。

二、焊接材料及要求

焊丝采用的是直径为4 mm的焊丝，其化学成分需符合标准GB50245-2005 《核安全级压力容器制造及验收规范》中规定的要求，碳当量不大于0.25%；含氢量不大于1.5%；镍含量不大于9%；硫含量不大于0.5%。焊条在使用前须经60℃烘干1h，并在焊丝上取一定数量的试件进行力学性能试验，其强度不得低于母材的70%。焊条使用前必须用焊工专用溶剂清洗干净。当环境温度低于5℃时，可采用预热，但预热温度不应高于80℃。焊缝焊接时，需对堆焊位置进行定位焊，焊接完成后对其进行清理和探伤，并由有资质的检验单位出具《无损检测报告》（JB/T4730-2015）。

三、焊接工艺评定试验

在焊接前，焊工必须进行试板的试焊，试焊完成后要对试板进行各项焊接性能测试。该核电厂喷淋管道焊接均采用手工钨极氩弧焊（TIG），焊条型号为J507。其中，对不锈钢材质的焊缝质量要求较高，需要进行100%射线探伤。现场检测焊接工艺时，需通过调整焊工的坡口角度、长度、角度等参数来确保焊接工艺评定试验的准确性。在试板焊接前，应对其进行水压试验、爆破试验。水压试验后应进行100%射线探伤测试，确认合格后方可进行喷淋管道焊接工作。同时，在试焊前还要对其进行100%100%的超声波检测，确保焊缝质量合格才可继续下一步工作。焊接完成后需要对焊缝表面进行打磨处理。

焊接填充材料采购及验收：焊接填充材料采购前，按照标准的要求编制φ1.6 mm ER316L焊丝的采购技术规格书，生产商按照RCC-M 2007及2009补遗中S5000章要求进行制造，现场安装单位按照RCC-M2007及2009补遗中S2000章要求进行复验。复验项目包括：①文件验收：焊接填充材料供应商/生产商出厂的质量证明文件；②外观验收：包装、数量、外观质量、尺寸等，并形成外观验收记录，此时焊材贮存标识应处于待验收状态；③熔敷金属试验（含光焊丝化学分析）：对焊接材料进行熔敷金属试验。

四、焊接方法的选择

为了满足核安全级设备对焊接质量的要求，应优先选用 TIG焊接工艺方法，以保证焊接质量。而在实际工程中，由于使用了ER50-6焊材，如果选用CO2气体保护焊（MAG），则在 TIG焊前需要进行预热操作，由于此时气体流量较大，其对熔池的冲击也较大。所以在焊接过程中需要设置一道预热工序，从而提高焊缝质量。除此之外，由于喷淋管焊缝较厚，而且内壁为金属材质，为了避免气孔、未熔合等缺陷产生，需要采用二氧化碳气体保护焊（CO

2）来进行补焊。在具体焊接时，可以先用CO2气体保护焊打底、填充，然后采用二氧化碳气体保护焊盖面、焊条电弧焊填充盖面。并且在施工过程中要加强对施工质量的控制，防止发生气孔等缺陷。

五、焊接质量控制措施

（一）控制焊接工艺参数

控制焊接工艺参数是保证焊接质量的重要手段，是焊接质量控制的重中之重。因此，在核电工程中要对焊接工艺参数进行严格管控，严格控制每一个焊道的焊接工艺参数。在焊接工艺参数的选取过程中，要按照相关标准要求，以保证每一个焊道焊接工艺参数的合理性与可靠性。在核电工程中，要对每一个焊道焊接工艺参数进行合理控制，通过工艺参数控制来确保每一个焊道焊接质量符合相关标准与技术要求。结合现场管道的管径、壁厚、焊工操作便捷程度和焊工技能水平等综合因素，选取手工钨极氩弧焊，使用单面焊双面成形的工艺进行焊接。钨极氩弧焊主要优点为电弧燃烧稳定、无飞溅，且焊接过程中钨极不熔化，弧长变化干扰因素相对较少，焊接过程非常稳定，焊缝成形美观且焊缝质量好。

（二）加强内部检验工作

对安全壳喷淋管道内壁进行内部检验是一项非常重要的工作，要将每一个焊缝都作为一个独立单元进行严格检验。在实际检验过程中，要特别注意焊缝和热影响区等区域的尺寸偏差、位置偏差等是否符合相关技术要求，必须通过无损检测手段来对焊缝进行质量控制。在核电工程中，要对每一道焊缝都进行全面的无损检测，对于内部检验不合格的焊缝，要立即停止其焊接工作。在焊接过程中，要充分发挥无损检测在质量控制中的作用，采用无损检测方法对焊缝进行全面检验。通过无损检测来确保每一道焊缝质量符合相关标准与技术要求。

（三）保证焊接参数稳定

焊接参数是影响焊缝质量的重要因素，为了确保焊缝质量满足相关技术要求，在核电工程中要采取相应措施来保证焊接参数的稳定。在焊接过程中，要加强对每一个焊道的焊接工艺参数进行严格控制，特别是对每一个焊道焊接工艺参数进行反复测试、调试，以确保每一道焊缝焊接工艺参数的合理性与可靠性。同时，在核电工程中要严格控制每一个焊道的焊缝成型质量，采用合理的焊接方法来提高焊道的成型质量。在核电工程中要根据具体情况采取相应措施来控制焊接参数稳定。例如，在核电工程中需要加强对管口组对工艺质量控制，因此在实际焊接过程中可以采用手工焊条电弧焊方式来进行组对，在此过程中要确保每一个焊道都能够通过自动焊进行组对。在自动化焊接过程中不能够出现变形现象，否则将会影响到手工焊的质量。为确保每一道焊缝都能够符合相关标准与技术要求，在核电工程中要进行焊缝成形质量控制。对此，在核电工程中要做好每一个焊道的成形质量控制工作，采取相应措施来保证每一个焊道的成形质量符合相关标准与技术要求。同时，要确保每一道焊缝成形质量能够满足相关要求。

（四）设备机具管理与控制

安全壳喷淋管道焊接中的设备机具主要包括电焊机、磨光机、无损检测设备机具等。为保证安全壳喷淋管道焊接的制作质量，车间所使用的设备机具均定期进行标定，合格后由标定人员贴上合格标签，并注明有效日期，质检人员对使用中的设备进行定期的检查和不定期的抽查，以确保所使用设备机具在使用中处于完好状态。此外，还要注意焊丝使用与控制。安全壳喷淋管道焊接过程中，对所使用的焊丝的保存、发放、使用、回收进行详细记录。质检人员对焊丝使用的全过程进行定期检查和不定期抽查，使焊丝在使用的全过程中处于受控状态。

（五）加强质量检查与考核工作

为了确保安全壳喷淋管道内壁焊接质量能够符合相关技术要求，在核电工程中要对安全壳喷淋管道内壁进行严格质量检查与考核工作。主要是对坡口间隙、错边量、管道平直度等进行检查，应与施工图样等技术条件一致。焊前清理坡口处铁锈和油污，定位焊焊缝不应有裂纹、咬边和气孔，引弧及熄弧处不应有缩孔、弧坑或裂纹。焊接时需防风防雨，环境温度不得低于-10℃，焊件温度不得低于5℃，空气相对湿度不得大于90%。

（六）焊工和无损检测人员资格

参加安全壳喷淋管道焊接的焊工按照《民用核安全设备焊接人员资格管理规定》进行培训、考核，取得焊接方法的资格证书团，并由安装单位按照《民用核安全设备焊工焊接操作工技能评定》（NNSA-HAJ-0002-2019）的要求开展焊工技能评定。无损检测人员按照《民用核安全设备无损检验人员资格管理规定》取得相应方法的无损检测资格证书国。焊工和无损检测人员在取得法定资格证书后，由安装单位按照培训、考核、授权、上岗的流程进行管理。过程中需对授权工作的范围进行定期检查和不定期的抽查，以确保人员在资格证许可范围内从事相关工作。

（七）无损检测

安全壳喷淋管道焊接完成后的对接焊缝需进行100%外观检验（VT），100%液体渗透检验（PT），100%射线检验（RT），支架挡板与管道焊缝需进行100%外观检验（VT），100%液体渗透检验（PT）。

（八）产品焊缝见证件制作

安全壳喷淋管道现场焊接过程中，按照RCC-M 2007及2009补遗中S7800章的要求，采用与喷淋管道焊接相同的焊工、工艺及施焊环境进行产品焊缝见证件的制作，并对产品焊缝见证件开展相应的无损检验和理化试验。产品焊缝见证件的制作中，禁止对最终无损检测时发现的缺陷进行补焊。若见证件的检测结果不合格，应暂停接工艺评定使用，除非可以证明焊接工艺评定无误。焊缝见证件需要进行的系列试验包括拉伸、弯曲、冲击、宏观金相、微观金相、化学分析DM，其中化学分析取样应避开熔敷金属稀释区，如不能避开，应重新制作堆焊试块用于化学分析。安全壳喷淋管道产品焊缝见证件无损检测和理化试验结果均符合标准要求。

总结

本文结合某核电厂安全壳喷淋管段焊接工艺，分析了核安全级压力容器内的喷淋管段焊缝焊接技术和质量控制方案，得出以下结论：喷淋管焊缝质量直接影响到安全壳的安全运行，应从以下几个方面加强喷淋管的焊接质量控制：首先，应重视对图纸的审核和审查，确保喷淋管道设计要求；其次，要严格控制原材料质量，尤其是优质低碳合金钢，确保焊接材料符合标准要求；再次，要加强施工现场控制和人员培训工作，提高现场焊接技术水平；最后，要加强对焊接人员的技能培训和考核工作，提高焊工技术水平。喷淋管焊缝质量影响因素较多，焊接过程中要严格执行相关工艺规程。例如在焊接过程中控制层间温度保持时间、层间温度检查等技术要求。在焊接工作结束后要及时进行外观检查和无损检测工作。例如在喷淋管焊缝焊接工作完成后进行无损检测时应根据不同部位进行探伤，同时检查焊接接头的外观质量是否符合标准要求。此外还应检查焊后热处理是否达到设计要求。

参考文献：

[1]靳孝义, 张坤, 杨煦斌. 核电厂安全壳喷淋管道焊接及质量控制[J]. 焊接技术, 2021, 50(5):5.

[2]袁志强, 王雷, 赵海亮,等. 核电厂安全壳仪表EAU系统在线诊断校准装置和系统:, CN217005881U[P]. 2022.

[3]钱源. 核电厂安全壳结构监测系统改造及应用[J]. 仪器仪表用户, 2022, 29(5):4.