百万千瓦核电站主蒸汽超级管道横向限制件焊接缺陷分析

摘要： 某百万千瓦压水堆核电项目主蒸汽超级管道横向限制件角焊缝在役前检查期间发现多处裂纹，经打磨消缺及补焊处理后满足了设计要求。从主要从焊接材料、工艺、热处理等方面分析缺陷产生的原因，并对后续项目同类产品避免出现同样问题提出了经验反馈。

关键词： 核电站；主蒸汽；超级管道；裂纹

中图分类号： TG444

Abstract：Many cracks were found on the main steam superpiping lateral restraint welding area during 1000MW nuclear power plant pre-service inspection. These Weld defects were removed by grinding and welding repair to satisfy the design requirements. This paper analyzed raw material and filing material procurement， welding process， post welding heat treatment etc. to draws out the reason， and made experience feedback to other projects to avoid the same problems.

Key words：nuclear power plant； main steam； superpiping； crack.

0 前言

目前国内运行的1 000 MW级CPR1000[1]核电机组主蒸汽管道上布置有超级管道或类似结构的管道部件。主蒸汽超级管道是指反应堆安全壳外从主蒸汽管道的安全壳机械贯穿件起至主蒸汽管道横向限制件下游第一道焊缝止的一段饱和蒸汽管道。超级管道热工参数高、焊缝多、受力复杂，尤其在事故工况下所受冲击力大，具有较高的安全性，要求较高。

1 超级管道简介

每条主蒸汽环路共布置4段超级管道，分别为T1，T2，T3，T4段，主蒸汽超级管道结构示意图如图1所示。除了作为主蒸汽管道的一部分以外，其超级管道上还安装有主蒸汽安全阀、主蒸汽隔离阀、射线检验插塞、保温挂环等重要安全相关阀门装置，其中一段超级管道上（T4段）布置的横向限制件还有起到约束主蒸汽管道横向位移的作用。

每条T4管段上有两个横向限制件，每个横向限制件与管道之间有两道环向全焊透角焊缝，故每条T4段共有4条全焊透角焊缝（编号：A8，A9，A10，A11，如图2所示），该环焊缝为役前检查（PT）[3]焊缝。

横向限制件与管道固定在一起随管道一起运动，外框架固定在楼层锚固板上，两者之间形成滑动面，从而使管道可以沿轴向滑动。外框架限制了管道横向的运动，把管道横向的力传递给锚固的楼板。横向限制件与管道固定在一起随管道一起运动，外框架固定在楼层锚固板上，两者之间形成滑动面，从而使管道可以沿轴向滑动。外框架限制了管道横向的运动，把管道横向的力传递给锚固的楼板。

超级管道材质为法国RCC-M标准P280GH材质，横向限制件钢板为P295GH牌号。相关尺寸及交货状态详细信息见表1。

2 横向限制件角焊缝裂纹情况

在役前PT检查期间，某项目主蒸汽管道横向限制件角焊缝位置有100余条不可接受的线性显示，其中最长一条缺陷长度约为726 mm。这些线性显示经打磨不能完全消除并沿焊缝熔合线发展，初步判断该显示为裂纹缺陷。

2.1 典型缺陷记录举例

位置：W630房间，焊缝/部件号：3W10908A9。缺陷数量：共21条，长度4～85 mm的共18条，长120～150 mm的2条，长726 mm的1条。缺陷位置和形态，如图3～4所示。

2.2 设计尺寸和无损检测要求

2.2.1 设计尺寸要求

超级管道壁厚46 mm，尺寸公差（0，+3 mm），横向限制件钢板壁厚45 mm，尺寸公差（0，+0.5 mm）。按RCC-M C3253.2.a规定焊缝焊喉尺寸c需满足c=min（0.7Ts，6 mm），如图5所示。

2.2.2 无损检测要求

采购技术规格书和RCCM S7720.2要求该焊缝需进行PT或MT。制造厂厂内进行MT检测，现场役前检查采用PT检测。

3 裂纹产生原因分析方案

3.1 裂纹及母材检测

3.1.1 覆膜金相检查

采用现场覆膜金相的方式，对发生裂纹的角焊缝母材、裂纹、焊缝金属和热影响区进行覆膜金相检验，并对裂纹形貌进行观察。从图6～8中金相照片上可以看出母材组织为铁素体+贝氏体满足要求，焊缝部位组织为铁素体+索氏体属正常，但在热影响区发现了板条状的淬硬性马氏体组织。马氏体组织是产生冷裂纹的三个因素之一[4]。

3.1.2 硬度检测

现场对焊缝和母材进行了硬度检测，结果见表2。硬度为134～148 HB，较为均匀，焊缝硬度为168～183 HB，也较均匀正常，说明焊后热处理工艺规范及执行到位。

3.1.3 化学成分分析

采用光谱法对取样的母材进行了化学成分分析，结果见表3。超级管道P280GH牌号母材化学成分满足采购技术规格书要求。

3.1.4 残余应力测试

现场采用盲孔法[5]对未发生开裂的角焊缝焊趾部位的残余应力进行了检测，如图9所示，测量结果表明焊接残余应力值处于相对合理范围，见表4，焊后进行了较为充分的消应力热处理。

3.2 制造过程文件检查

3.2.1 母材和焊材采购

经核查母管和横向限制件钢板材料符合采购技术规格书要求，制造厂采用的焊条为E7016-1，焊条的强度较管道母材P280GH相当，可满足要求。排除原材料原因导致的裂纹问题。

3.2.2 无损检测

制造厂在热处理后采用UT和MT检验，检测报告显示合格。但存在两个问题：第一，尽管RCCM允许采用PT或MT进行检测，但现场役前检查采用PT，制造厂与现场检测方法不同，有厂内MT未检出的可能；第二，从现场缺陷情况来看，尽管制造厂MT检测程序没有明显的问题，但因为制造厂检测人员操作不当等原因造成大面积漏检的可能性较大。

3.2.3 焊接数据包

制造厂焊接前已进行焊接工艺评定，规定焊前预热，焊后进行整体消应力热处理。RCCM S1321对焊后进行消应力热处理的P280GH，P295GH焊接接头无焊前125 ℃预热的强制规定，但制造厂没有考虑气温较低的情况下焊接接头温度下降快的问题，焊接需要有足够的预热温度，仅要求不低于30 ℃预热不合理，至少需要根据实际焊接操作的地理环境温度制定相对应的预热温度。

3.2.4 焊接工艺和时机选择

制造厂制造过程中编制了质量计划，从中可看出焊前对焊接区域进行了打磨、UT+MT检测，焊接后进行了整体消应力热处理，热处理后进行UT+MT检测。整体来看，这个制造工艺没有问题，但焊接的时间选择和热处理时间控制上出现了问题。第一，焊接选择在11月份，当地气温相对较冷，焊接期间温度下降较快，容易出现冷裂纹；第二，从焊接到消应力热处理经历近2个月，期间很可能存在焊接完成后没有及时进行消应力热处理的问题。

3.2.5 消应力热处理程序

制造厂在炉温低于200 ℃时装炉；加热速率不大于100 ℃/h，一直达到消应力热处理温度；当炉温达到610±5 ℃时按6 min/mm保温，至少3 h。随炉冷却到300 ℃，冷却速率为100 ℃/h，然后空冷。热处理程序没有问题，但如上面所述很可能存在消应力热处理不及时的情况。

4 其他电站类似情况

经与其他核电单位进行交流得知，某核电站1号机组在大修期间发现主蒸汽管道上用于连接阻尼器的护板也出现过类似的裂纹，如图10所示。该项目1号机安装期间于3月份进行现场焊接，焊前、焊后均未作任何形式热处理，导致运行期间发现裂纹。同样的焊接工艺，因2号机在夏季施焊，就没有出现裂纹。

5 裂纹类型及产生原因分析

综上所述，该主蒸汽超级管道横向限制件焊缝缺陷类型及产生原因分析如下：

（1） 裂纹位于焊趾部位，穿晶开裂，在部分位置存在沿晶特征，以及发现马氏体组织、存在应力集中等方面考虑，该裂纹为冷裂纹。

（2）预热是有效防止冷裂纹的方法[6]。制造厂焊前预热温度低，尽管P280GH材料总体上焊接性良好，但预热温度低于50 ℃时，热影响区存在较大的淬硬倾向，而当预热温度大于125℃时，可基本消除冷裂纹的影响。未合理预热也是裂纹产生的主要原因。

（3）由于是在秋冬季焊接，焊缝在焊后冷却速度较快，未及时进行整体热处理，在焊缝熔合线附近的热影响区形成了粗大的脆性板条马氏体组织，马氏体组织硬度高，内应力大，对残余应力和氢（环境）的综合作用敏感。在没有适当预热和保温情况下，焊接时间选择不当。

（4）横向限制件焊缝较厚，焊接面积较大，该结构角焊缝拘束度较大等因素，在未及时进行热处理的情况下，将导致焊接产生的较大残余应力无法得到及时释放。

综上所述，由于焊接预热温度低、焊接时间选择不当并未进行合适保温、焊后热处理不及时等原因，导致焊后在角焊缝焊趾部位产生了冷裂纹。

6 后续借鉴意义

该问题的处理对后续工程建设有很多积极的借鉴意义，列举如下：

（1）焊前不低于125 ℃预热，焊后进行后热或及时进行整体消应力热处理，以消除出现冷裂纹产生的条件[7]。

（2）厂内无损检测与现场役前检查保持一致。尽管RCCM允许PT或MT选择其一进行检测，厂内检测应与现场保持一致，即采用PT检测。有条件的情况下推荐进行PT+MT检测。

（3）加强无损检测的厂内监督，合理设置质量监督见证点。

参考文献

[1] 中国广东核电集团有限公司. 中国改进型压水堆核电站CPR1000简介[J]. 现代电力，2006， 23（5）：36-38.

[2] Afcen.RCC-M：2000 design and construction rules for mechanical components of pwr nuclear island[S].Paris：， France，2000.Afcen.

[3] 彭志珍.压水堆核电站在役检查常用无损检测方法简介[J]. 科技资讯，2012，8：9-13

[4] 石成.钢结构焊接裂纹的防治[J]. 建筑施工，2010， 32（5）：12-16.

[5] 王维容.关于焊接残余应力测试方法的研究[J].焊接学报，1989，3：31-34.

[6] 曹良裕.用预热方法防止低合金高强度钢焊接接头冷裂纹的研究 [J]. 材料开发与应用，1991， 2： 15-16.

[7] 刁凤东.低温环境下管道焊接产生冷裂纹的因素及控制措施[J]. 焊接技术，2007， 36（4）：12-14.