郭金行

(中国核工业二三建设有限公司，北京 101300)

示范快堆为我国在建的四代核电。由于金属钠有较小的快中子慢化性能和快中子捕获截面，液态金属钠热熔大、流动性好，能够有效提高运行温度并降低运行压力，因此快堆的冷却剂采用金属钠。

示范快堆的反应堆为一体化紧凑布置的座池式结构，一次钠泵和中间热交换器等一回路设备均布置在堆容器内，堆容器内盛有冷却剂钠，有较大的热容量。

三回路是主蒸汽系统[1]将蒸汽发生器产生的蒸汽送至汽轮机发电，主给水系统是向蒸发器供应190℃的给水，这水是来自汽轮机的冷凝器、除氧器处理过的蒸汽，与主蒸汽系统形成闭环。三回路主蒸汽系统[1]管道采用的是P91钢材料，由于其材料的特殊性，现场对P91钢的管道组装焊接的各个阶段，坡口加工、组对、焊接等施工过程中存在的缺陷都会对最终的产品焊缝的质量产生影响。严重情况下，这些缺陷会危及主蒸汽系统管道的致密性和安全性能，如焊缝的开裂、管道的变形等。故预防组装过程焊接缺陷最实用经济的方法是提前发现并消除存在的缺陷，而目视检验技术具备原理简单、应用灵活及检验结果直观、真实、可靠的优点，是核电站最常用的检验方式。结合P91材料的化学性能、力学性能及材料特点，通过对组装、焊接施工各阶段目视检验技术的应用，以达到消除直观缺陷达到设计要求质量指标。

1 P91材料焊接施工特点

1.1 P91材料焊接特点

主蒸汽系统管道材质为P91钢材质，属高铬合金钢，该材质相当于国标10Cr9Mo1VNb高强度马氏体耐热钢，是在9Cr-1Mo的基础上加入一定量的铌(V)、钒(Nb)、氮(N)元素，采用纯净化、细晶化冶金技术，微合金化、控轧、控冷等工艺，开发出的新一代改良型高强度马氏体耐热钢。从该材料的化学成分可以看出，钢的C、S、P含量降低；从力学性能上可以看出，刚的强度和韧性得到改善。这种材质焊接时淬硬、冷裂倾向较大，焊前必须预热至200～250℃，若在不预热条件下进行焊接时，产生裂纹的几率是100%，所以说P91合金钢管具有较大的冷裂纹倾向。焊接过程中应严格控制层间温度及焊接热输入量，为获得较好的韧性，层间温度应小于300℃，由于P91钢的导热系数较小，焊接热量比较集中，如层间温度达到300～350℃，冲击韧性会大大降低，必须采用低的焊接热输入量的焊接工艺施焊，才能控制层间温度小于300℃，对于壁厚大管径的管道尽可能选用小的焊条直径，分道、分层进行焊接。并且每道焊缝尽可能一次焊完，当中断焊接时应重新对焊接接头采取300～350℃、2h热处理措施[2]；恢复焊接时，应确保焊接接头无裂纹后再按焊接工艺要求重新预热、焊接。

1.2 焊接接头特点

主蒸汽系统P91钢的管道焊接接头主要是对接接头，坡口一般采用V型，其间隙、钝边、坡口角度要求如图1所示。

图1 P91管道组装要求

管道对口时一般应做到内壁齐平，若有错口，其错口量应符合下列要求：对接单面焊的局部错口值不应超过管壁厚的10%[3]，且不大于1mm。焊口禁止强力对口，更不允许热膨胀法对口，以防引起附加应力。点固对接焊缝时必须预热，点固焊时采用坡口内侧搭桥点固或加紧固板的方式，选用焊材与母材相同，且采用氩弧焊点固。由于P91钢冷裂倾向较大，在一定条件下，容易产生延迟裂纹，故焊接接头必须在焊后24h内进行回火处理。P91焊后状态的组织为板条状马氏体，经过回火变为回火马氏体，其性能较板条状马氏体优越。一般而言，回火温度为730～780℃，回火恒温时间不少于1h，才能保证其组织完全转变为回火马氏体。

由于中频感应加热方法可大幅度减小大径厚壁 P91 管道焊后热处理内外壁温差，有助于提高热处理效果，本次试验的加热方式选用中频感应加热。经调查，MTPC-90中频感应加热器，输出功率90KW，冷却采用强迫风冷方式，输入温度采样2点及以上，可单点控制，具备自动编程和手动控制功能，性能稳定，可满足需求。

热电偶安装位置、安装数量、牢固程度、精确度等，直接关系到焊件加热的均匀性，关系到显示、记录温度是否反映焊件的实际温度，直接关系到热处理质量，正确安装热电偶是保证热处理质量的关键。试验采用K型热电偶进行控制、监测温度，选择偏差较小且相近的热电偶。焊缝中心12点位置热电偶用于控制温度[4]，其余位置的热电偶用于监测温度。参照GB/T30583—2014对均温带的规定，监测热电偶布置于均温带边缘。

在上述最佳加热宽度基础上，分别在管道、阀门侧增加辅助加热，辅助加热温度设置低于设计温度576℃、且管道侧辅助加热温度低于阀门侧。设定管道侧辅助加热500℃、阀门侧辅助加热550℃，再次进行热处理模拟试验，试验结果见表1。

表1 增加辅助加热，试验数据

通过表1的数据显示，焊缝位置H1、H2、H3、H4点的温度值处于理想状态。管道侧外壁G1点温度759℃、G4点温度760，与不增加辅助加热相比，温度有所下降，处于要求范围750-770℃的中间值，消除了超温的风险；12点位置内外壁G1、G2点温差4℃，6点位置内外壁G4、G3点温差3℃，与不增加辅热相比，温差减小；阀门侧F1、F2、F3、F4点温度均高于750℃，符合要求， 12点位置F1、F2点温差2℃，6点位置F4、F3点温差1℃，与不增加辅热相比，温差减小。

说明增加辅助加热，提升了阀门侧的温度，各测点温度均处于750-770℃，且接头整体温度分布较均匀，内外壁温差减小。

为了降低P91钢焊接接头的残余应力，必须控制其冷却速度小于5℃/min。焊接接头无损检测应在焊后热处理24h后进行，包括焊后100%PT、100%RT及焊缝外表面的热影响区和焊缝处的硬度检测。

2 目视检验的流程及准备

2.1 目视检验流程

根据目视检验技术的规范要求，P91钢的管道焊缝目视检验工作流程包括：目视检验的准备、目视检验的实施、目视检验结果分析与反馈。目视检验的流程应符合PDCA循环的质量控制过程，即计划—执行—检查—处理。

2.2 目视检验准备

2.2.1 检验文件的准备

P91钢的管道焊接各阶段目视检验的检验文件主要有：检验规程、工艺卡、检验记录、图纸等。

检验规程应对受检工件的材质和规格尺寸以及使用的设备和器材、检验工艺参数、检测结果的评定和验收标准作具体的描述，至少包括以下内容：检测单位和设备的名称及识别号，适用的范围，被检件的类型、形状及尺寸，检验设备和器材(焊接检验尺、放大镜、内窥镜等)，检验条件(如被检区域、表面状态、光照度等)，检验时机，检测方法和工艺(直接目视检验或间接目视检验)，检验结果评定、记录及验收标准，经编制、审核、批准人员签名和日期后发布。

2.2.2 检验人员

目视检验人员应按符合HAF602或核安全监管部门许可的其他考试规定，取得相应等级的资格证书，并经雇佣单位授权后方可从事应从事与该资格等级相应的检验工作。目视检验VT-I 级人员在II、III级人员指导下检验，但不得出具检验报告；检验报告由II级或III人员编制，III级人员进行审核/签发检验报告[5]。目视检验人员应具有相关经验和理论知识，能够准确识别各阶段目视检验发现的缺陷。

2.2.3 检验表面的准备

焊缝坡口及清根后表面应无锈蚀、氧化皮、油漆、毛刺等影响缺陷判断的妨碍物，焊缝表面药皮、飞溅、锈蚀、油漆等影响缺陷判断的妨碍物，检验区域为坡口、焊缝表面及两侧各25mm宽范围内。

2.2.4 检验设备器材的准备

目视检验中所用到的器材有放大镜、焊接检验尺、钢直尺、钢卷尺、间隙尺、强光手电筒等，计量器具应按要求进行周期性检定并具有相应的书面报告或记录，检定合格并在有效期内。

3 目视检验的实施

P91钢的管道组装焊接的目视检验，根据检验阶段不同，可以分为管道本体目视检验、组装目视检验、焊接目视检验、热处理后目视检验。

3.1 检验方法

P91钢的管道组装焊接目视检验方法为直接目视检验，即用肉眼直接观察被检件表面或利用反光镜、放大镜等改善观察的角度或视角。直接目视检验要求人眼距离被检件表面不超过610mm，所成视角不小于30°，并能够分辨出分辨率为18%的中性灰卡上一条0.8mm宽的黑线。

3.2 管道本体目视检验

P91钢的管道本体目视检验就是检查其外观质量、尺寸测量，该阶段的检验一般在管道入场验收阶段进行。检验前应建立目视检验清单，逐一核对标识标记，以防误检漏检。由于管道入场前要经包装、运输及装卸车，在此过程中通常会造成磕碰损伤，不仅造成油漆面破损，还会造成金属材料的机械损伤。检验时须将损伤部位、深度、长度或面积进行测量记录。

3.3 组装目视检验

组装前应先对坡口角度、清洁度进行目视检验，并检验坡口表面有无机械损伤，必要时对损伤部位进行修补，修补后应再次进行目视检验。

定位焊缝完成后的目视检验，应对装配间隙、错变量、定位焊缝质量进行测量和检验。重点检查定位焊缝是否存在裂纹，必要时借助6倍以下放大镜进行观察。需要注意的是装配间隙的测量，应配备专用的间隙测量尺，由于管道板厚较厚，完成完成组装后的焊缝装配间隙是无法用焊接检验尺的多用尺检验的。

3.4 焊接目视检验

由于P91钢管道焊接时，熔池铁水粘度大，流动性差，要求焊接规范小，因而焊接过程容易出现夹渣、弧坑裂纹等焊接缺陷。为避免焊接缺陷产生及保证焊接接头的综合机械性能，必须采用多层多道、小规范进行焊接，每层厚度尽量减薄，焊肉的厚度不宜超过所用焊条直接，焊条摆幅不超过焊条直径的3倍，每层焊道必须清理干净，尤其注意清理接头及焊道两侧。由于根部或层间打磨较为光滑，辅助人工照明时由于照射角度不当会造成强烈的炫光，影响目视检验效果。

3.5 焊后目视检验

因P91钢管道焊后必须进行热处理，故热处理前后须要对焊缝分别进行目视检验，对热处理过后可能出现的过烧、变形和开裂应重点进行目视检验。热处理后管道焊缝余高及表面状态均应符合以下要求：

1)焊缝余高≤3mm(平焊位置不大于2mm)，余高差≤2mm，焊缝表面不允许有深度大于1mm的尖锐凹槽，且不允许低于母材表面；焊缝每侧增宽<2mm[5]；2)焊缝边缘应圆滑过渡到母材，表面不允许有未熔合、气孔、夹渣等缺陷；焊缝根部不允许有未焊透情况，咬边深度<0.5mm；3)热处理过程由于降温速度过快，易出现表面气孔；检查过程中发现疑似气孔的特征，然后经进一步打磨、使用放大镜观察，确定为表面气孔(Φ3.0mm×2个)。

4 目视检验结果的分析和反馈

4.1 炫光的影响

炫光是由于物体表面强烈的反光在人眼中产生大量的散射光，如在P91钢管坡口表面、清根后的表面目视检验时，都会产生炫光，使人员无法看清检验表面，会造成表面上细小的缺陷如气孔、裂纹等无法检出，造成漏检。通过光线是可逆的原理，可以通过调整光的入射角度或改变人眼的观察位置，改变光的反射方向消除炫光；也可以通过炫光的原理降低光源的亮度来消除炫光，防止因炫光造成漏检。

4.2 焊接检验尺的影响

焊接检验尺是焊缝目视检验的重要测量工具，如使用不当会严重影响检验结果的判定。在焊缝咬边深度、余高的测量时，应能正确使用。

焊缝咬边深度测量：先把咬边深度尺对准零位紧固螺丝，把三点测量面接触在处于检测位置的同一截面处(不要放在焊缝处)，由于封头各截面的弧面曲率是不一致的，再锁紧高度尺，咬边深度尺松开，将尺放于测量处，活动咬边深度尺，其示值即为咬边深度。

焊缝余高尺寸测量：先把咬边深度尺对准零位紧固螺丝，将焊接检验尺放于测量处，活动高度尺，其示值即为焊缝余高高度。

4.3 检验结果的分析

对目视检验结果统计分析，根据缺陷的不同类型分析其产生的根本原因，制定切实可行的纠正措施，防止此类缺陷再次发生。根据统计不同缺陷的数据，分析影响施工质量的主要因素，改进施工工艺或流程，达到提高产品质量，高效完成施工的目的。

5 结语

综上所述，主蒸汽系统P91管道焊接的目视检验，通过不同阶段的目视检、完整的检验流程、严格的程序执行和适当的检验方法，即最大限度的消除缺陷对组装焊接质量的影响，又达到了检验要求的实用性、经济型和检验结果真实可靠的目的。通过主蒸汽系统P91管道焊接各阶段目视检验的应用与分析，同时为施工工艺的改进、产品质量的提升，施工进度的高效提供了必要的依据，也为后续同类施工活动提供借鉴。