王宇欣 馬迎兵 高宇 李哲 張躍

摘要：焊接工藝評定標準是焊接標準領域最核心、最基礎的標準。目前國內(nèi)三代核電存在兩份焊評標準NB/T 20002.3和NB/T 20450.3，這增加了設計制造成本和監(jiān)管難度，也不利于出口。本文比較了兩份標準內(nèi)容范圍差異，關于檢驗試驗項目及驗收要求、焊接變素、覆蓋范圍等主要技術分歧，同時對差異項進行分析研究，并在此基礎上給出標準統(tǒng)一的建議。焊接工藝評定標準技術路線統(tǒng)一的開創(chuàng)性研究工作，對于完善我國核電標準體系，提升標準自主化水平，促進我國核電“走出去”具有重要的現(xiàn)實意義。

關鍵詞：NB/T 20002.3;NB/T 20450.3;焊接工藝評定;技術路線統(tǒng)一

中圖分類號：TG42文獻標志碼：C文章編號：1001-2303（2020）11-0109-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.20

0 前言

截至2019年12月底，中國大陸共有47臺商業(yè)運行核電機組、總裝機容量4 875萬kW，位列全球第三，核電總裝機容量占全國電力裝機總量的2.42%;此外還有15臺在建核電機組、19座民用研究堆[1]。焊接是核電設備制造、核電機組建造安裝中必不可少的主要工藝方法，焊接質(zhì)量直接關系著三道密閉屏障的功能實現(xiàn)，進而影響到核電站的安全水平。而焊接工藝評定（簡稱焊評）是焊接質(zhì)量控制的基礎和核心環(huán)節(jié)。

NB/T 20002.3-2013《壓水堆核電廠核島機械設備焊接規(guī)范 第3部分：焊接工藝評定》[2]，是對EJ/T 1027-1996的修訂，其編制主要依據(jù)法國RCC-M《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》（2007版）S3000章，同時又具有自己的特色，是根據(jù)國外先進標準和我國核工業(yè)實際演化而來的。RCC-M 2007版符合法國AREVA公司EPR機組的技術要求。該標準目前已在福清5/6號、巴基斯坦卡拉奇K2/K3、漳州1/2號、昌江多用途模塊式小型堆（ACP100）、防城港3/4號等核電機組中應用，效果良好。

NB/T 20450.3-2017《壓水堆核電廠核島機械設備焊接另一規(guī)范 第3部分：焊接工藝評定》[3]，編制的主要依據(jù)是美國ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》（2010版）第III卷NB/NC/ND/NE/NF篇-4300章、第IX卷以及美國核管會RG導則，并且參考了西屋公司AP1000的技術規(guī)格書等，其目標應用對象是AP1000、CAP1400和CAP1700型號機組。

由于存在兩份焊評標準，不利于我國核電技術的積累和長遠發(fā)展，同時也增加了我國核島機械設備監(jiān)管的復雜度和制造成本;在核電“走出去”時，無法以優(yōu)化統(tǒng)一的標準體系形象示人。國家及行業(yè)主管部門對此高度重視，國辦發(fā)[2018]71號《國務院辦公廳關于加強核電標準化工作的指導意見》文件，明確要求“形成標準技術路線統(tǒng)一、結構完善的核電標準體系”;核電重大專項中，也專門規(guī)劃了中國先進核電標準體系研究專項，并分兩個階段開展。中國核電工程有限公司在上述兩個項目的焊接領域均為牽頭單位。

文中比較了兩份標準內(nèi)容范圍差異，關于檢驗試驗項目及驗收要求、焊接變素、覆蓋范圍等主要技術分歧，同時對差異項進行分析研究，并在此基礎上給出標準統(tǒng)一的建議。

1 NB/T 20002.3與NB/T 20450.3的內(nèi)容范圍差異

兩份焊評標準的內(nèi)容范圍存在著顯著差異：NB/T 20002.3中無回火焊道、耐磨堆焊內(nèi)容，焊接方法中無激光焊，詳細規(guī)定了有效期;而NB/T 20450.3中未對模擬補焊、鑄鋼件補焊專門設置要求，無摩擦焊方法，未規(guī)定有效期，具體分析如下。

1.1 回火焊道

回火焊道雖然在建造階段使用很少，但兩份標準中都有關于焊后免做熱處理的特殊規(guī)定，其實質(zhì)是采用回火焊道技術，所以有必要將其工藝評定要求加以明確。此外，隨著我國核電建設的快速發(fā)展，更多機組將投運、甚至延壽，這將不可避免地遇到設備部件焊接修復的問題。回火焊道作為一項重要的焊接修復技術，勢必會應用到核電站中，所以有必要將回火焊道內(nèi)容納入到焊評統(tǒng)一標準中。

1.2 耐磨堆焊

耐磨堆焊的焊材、焊接方法、焊評、焊接操作、無損檢驗等均有特殊規(guī)定（在NB/T 20002.7中）;其應用用戶也以閥門廠為主，相對單一。綜上，可考慮將耐磨堆焊相關內(nèi)容放到一起，形成焊接標準的一個部分，而不在焊評標準中具體規(guī)定。

1.3 模擬補焊和鑄鋼件補焊

模擬補焊評定中不僅考慮到原母材，還考慮到原有焊縫的影響，從而更好地代表實際補焊情況，可納入到統(tǒng)一標準中，但應注意，需要開展模擬補焊的情形是有限的，并非所有情況都需要模擬補焊。

關于鑄鋼件補焊，按照法國的實踐，對于材料廠而言（不是制造商），必須按鑄鋼件補焊專門條款進行工藝評定。從技術角度，NB/T 20002.3也確實提出了一些特殊要求，例如評定件材料須是鑄件，坡口為挖槽形式，試件厚度代表實際補焊產(chǎn)品的最大厚度等，從而使得評定試件能更好代表產(chǎn)品實際補焊。因此有必要保留這些要求，并明確材料廠的鑄件焊補應按此執(zhí)行。

1.4 焊接方法

篩選原則是根據(jù)核電建造中的應用需求來確定是否列入。目前國內(nèi)堆內(nèi)構件、燃料貯存格架焊接有采用激光焊，故應該列入。考慮到ASME體系，在第Ⅲ卷NB/NC/ND-4311中，限制摩擦焊用于容器和管道的制造;另外在RCC-M體系中，摩擦焊僅在RPV貫穿件的套管adaptor sleeve（材料是MC 4108的NC 30Fe鎳基合金）有過應用，但目前國內(nèi)均使用熔化焊完成此構件，因此可去除摩擦焊的內(nèi)容。

1.5 有效期

NB/T 20450.3中認為合格的工藝評定無有效期限制。NB/T20002.3的邏輯是需要考慮實施中的反饋以及制造商使用該工藝的技能水平。對于經(jīng)常性出現(xiàn)的補焊，或者產(chǎn)品焊接見證件出現(xiàn)問題的焊接工藝，應該調(diào)查所使用的焊接工藝評定是否正確;另外，制造商的技能水平如果未得到證實，也影響其使用該工藝的能力，所以按照國內(nèi)實踐，規(guī)定焊接工藝評定的有效期（或有效性）是合適的。

2 NB/T 20002.3與NB/T 20450.3的主要技術分歧

經(jīng)過國家重大專項以及能源局標準統(tǒng)一兩個項目的科研攻關，課題組（專業(yè)組）詳細地梳理分析出NB/T 20002.3與NB/T 20450.3技術上共有221項差異項，整體對比結果如表1所示。文中僅對其主要差異點進行初步分析。

2.1 母材分類分組

考慮到具有類似化學成分、組織和機械性能的材料具有相似的焊接性，為了減少焊評數(shù)量，因此在標準中對母材進行分類分組。

NB/T 20002.3中的母材分類分組依據(jù)GB/T 19869.1-2005附錄B，其源于ISO 15608。類別號是根據(jù)化學成分和組織確定的;在同類中，又根據(jù)力學性能和化學成分劃分不同的組別號。目前，國際上ISO 20172、ISO 20173、ISO 20174分別給出了歐洲材料、美國材料和日本材料的所對應的ISO 15608分類分組號。

NB/T 20450.3中的材料分類分組源于ASME第Ⅸ卷，其分類分組原則或方法未明確。總體而言，ASME缺乏權威的、公認的分類方法;而在分組方面，其劃分更加模糊。對于要求沖擊的，不允許不同分組號間覆蓋，然而有時不同分組號的材料，其沖擊性能要求并無差異，例如SA-106 B（P-No.1，Group No.1）和SA-106 C（P-No.1，Group No.2）。在我國核電用材料中，約80%的碳鋼牌號按ASME分類方法劃為P-No.1 Group No.1，其按ISO 15608則對應不同的類組1.1、1.2、11.1。按ISO 15614，11.1可以覆蓋1.1、1.2，反之則不可。另外按ISO 15614，還要求對于ISO 15608的1、11組的材料，評定覆蓋范圍是規(guī)定屈服強度等于或小于評定材料的材料。綜上所述，對于ASME中的P-No.1 Group No.1而言，按ISO 15608的分類方法和ISO 15614的評定覆蓋范圍規(guī)定更為嚴格，對于P-No.1 Group 2情況類似。

2.2 焊接變素

對接試件評定要素是焊評標準的基礎、核心內(nèi)容，決定了焊評的覆蓋范圍（詳見2.4節(jié)），下面以此為例進行分析。一些特殊焊縫的類型，是在對接的基礎上進行專項規(guī)定，例如帶隔離層的異種金屬接頭和插套焊接頭等。

NB/T 20450.3中有57項重要變素和附加重要變素，其均在NB/T 20002.3中5.5.1-5.5.5節(jié)有對應條款。規(guī)定進一步分析比較兩者的具體：對應的條款中，有17項相同或等效;40項不同，其中的35項NB/T 20002.3要求相對嚴格，3項NB/T 20450.3中要求相對嚴格，2項需要進一步試驗研究（電參數(shù)中第一層焊道的熱輸入增加超過10%;堆焊層數(shù)和順序）。NB/T 20450.3中的非重要變素是梳理的差異項。以最常見的焊條電弧焊（111）為例，在NB/T 20450.3表7中規(guī)定了15項非重要變素。對于其中8個非重要變素，在NB/T 20002.3中有相關規(guī)定，且改變后會影響焊評有效性，如表2所示。綜上所述，總體上NB/T 20002.3的技術要求更為嚴格。

2.3 試驗和檢驗項目

2.3.1 無損檢驗項目

兩份標準均規(guī)定了評定試件均應經(jīng)過實際產(chǎn)品接頭在制造過程中規(guī)定的所有無損檢測（這是根據(jù)AP1000工程實踐，對于ASME標準的補充）。但在驗收標準上，NB/T 20450.3需滿足產(chǎn)品級別的規(guī)定，而NB/T 20002.3規(guī)定需滿足一級焊縫的要求。

2.3.2 試驗項目

NB/T 20450.3中，對接試件應進行拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、晶間腐蝕試驗（奧氏體不銹鋼）;對于角焊縫試件，只需進行宏觀金相檢驗。NB/T 20002.3中，板對接試件還應進行熔敷金屬的縱向室溫、高溫拉伸（如需）、化學成分分析、δ鐵素體含量測試（奧氏體不銹鋼），金相檢驗、硬度試驗（鐵素體鋼）;對于T型接頭和支管接頭，需進行金相試驗和硬度試驗[4]。

上述差異性的試驗項目是很有必要性的，原因有：（1）金相檢驗：包括宏觀和微觀，可以考察接頭的顯微組織，進而會影響到力學性能。宏觀金相檢驗應無裂紋、未焊透、未熔合及超標的氣孔、夾渣等缺陷。微觀金相檢驗，對于奧氏體不銹鋼和鎳基合金應無影響性能的顯微裂紋和沉淀相，對于其他鋼種，應無顯微裂紋和由于淬火而形成的異常組織。（2）硬度試驗：限制硬度上限，可以有效地避免冷裂紋的發(fā)生，也是判斷鐵素體鋼接頭是否存在淬硬組織的客觀檢測手段。（3）鐵素體含量：對于奧氏體不銹鋼，一定數(shù)量鐵素體的存在可以形成對熱裂紋不敏感的FA凝固模式;但其含量不宜過高，否則會給接頭韌性以及耐腐蝕性帶來不利影響?？傊?，這些試驗項目技術上是合理的，符合現(xiàn)有核工業(yè)實踐，有利于保證接頭質(zhì)量。

2.3.3 常規(guī)機械性能試驗

拉伸、彎曲、沖擊試驗是在NB/T 20002.3和NB/T 20450.3中均規(guī)定的常規(guī)機械性能試驗，但其具體試驗要求和驗收標準存在差異。對于上述試驗的標準差異、產(chǎn)生的原因和分析說明如表3所示。

需要說明的是，在焊評層面，暫不需要考慮兩套標準由于力學性能試驗執(zhí)行標準不同，而對結果帶來的具體影響。在這方面，國內(nèi)外已經(jīng)開展了一些深入研究，例如通常認為拉伸試樣標距4D或5D，對抗拉強度影響很小，但對延伸率有顯著影響[5];沖擊試驗中錘韌半徑2 mm或8 mm，在60 J以下的結果中無明顯差異[6]。

2.4 覆蓋范圍

覆蓋范圍的差異和試驗檢驗項目以及變素設置上密切相關。例如，NB/T 20450.3中對角焊縫只進行金相檢驗，檢查成形以其橫截面的不連續(xù)和根部熔合情況，由于母材厚度對該檢驗無影響，因此覆蓋范圍中對于角焊縫母材厚度、直徑和角焊縫尺寸無限制。類似的，在NB/T 20002.3奧氏體不銹鋼評定中有鐵素體含量測試的規(guī)定，而母材中的N含量對于鐵素體含量有較大影響，因而覆蓋范圍里規(guī)定了N含量超過0.11%時應使用相同N含量規(guī)定的母材進行評定。

類似的重大技術差異項還有：厚度、支管直徑和角度、焊接方法、接頭類型、填充材料及尺寸、電流、熱輸入、預熱、后熱、焊后熱處理、道間溫度、特殊要求等，這些差異項的技術路線統(tǒng)一需從整體通盤考量，有些難度較大。

3 技術路線統(tǒng)一的思路

3.1 分歧產(chǎn)生的原因

兩份焊評標準的技術路線分歧，源自于參考標準ASEM第Ⅸ卷和RCC-M的差異，這與參考標準版本的變化、國家工業(yè)基礎環(huán)境和具體堆型實踐的不同息息相關。具體而言，RCC-M在早期版本（2000Ed.+2002Ad及以前）遵守了ASME第Ⅸ中的要素，幾乎ASME第Ⅸ卷中所有要素均可在RCC-M中找到對應的要求，同時也存在一些重大不同，如試驗項目，插套焊、支管等特殊規(guī)定等;后期RCC-M（2007 Ed.及以后）受地區(qū)影響和EPR堆型的推廣考慮，評定規(guī)則基于ISO 15614-1，脫離了ASME第 Ⅸ卷的框架。

ASME Ⅸ在Introduction指出“The purpose of the Procedure Specification and the Procedure Qu-alification Record （PQR） is to ensure the material joining process proposed for construction is capable of producing joints having the required mechanical properties for the intended application”，其目的僅為保證接頭機械性能，其他與接頭完好性有關的因素（例如管道外徑大?。诤腹た荚囍卸皇呛冈u標準中處理。ISO 15614-1指出“The primary purpose of welding procedure qualification is to demonstrate that the joining process proposed for construction is capable of producing joints having the required mechanical properties for the intended application”。這里保證機械性能是主要目的，但不是唯一目的。還要求滿足無損檢測（缺陷控制）、硬度/金相（組織）、鐵素體含量（避免過低造成熱裂紋、過高影響服役性能）、晶間腐蝕等，增加的評定合格項目導致需要考慮的影響因素增多。由上述分析可知，分歧產(chǎn)生的根本原因是對評定合格接頭的要求不同，或者說焊接出發(fā)點不同，導致試驗檢驗項目和變素等規(guī)定產(chǎn)生較大的差異。

如果僅將機械性能作為評價標準，ASME Ⅸ是完善的;然而如需考慮其他檢驗項目時，ASME在要素上就存在一些不足，例如，背面保護氣體不當發(fā)生氧化，會造成耐腐蝕性能下降，嚴重時甚至出現(xiàn)菜花狀缺陷;不銹鋼或鎳基合金中的道間溫度過高，則促進熱裂紋的產(chǎn)生;后熱不恰當可能產(chǎn)生冷裂紋等，而這些在ASME中都不影響工藝評定的有效性。另一方面，ISO 15614-1則可能過于嚴苛，有些要素與評定接頭質(zhì)量無直接聯(lián)系，例如試件的外徑、焊接方法的自動化程度、接頭有無襯墊等。

3.2 國際研究動態(tài)

關于ISO與ASME第Ⅸ卷焊接工藝評定的融（harmonization），世界核協(xié)會（World Nuclear Assoc-iation）組織TWI、斗山、AREVA、Westinghouse、JSME等單位已經(jīng)開展了有關研究。階段性研究成果認為，兩者完全融合是困難的[7-9]。

ISO/TC44已出版ISO 15614.1-2017，為了包容ASME第Ⅸ卷的要求，在標準中引入Level 1、Level 2兩種評定方法，Level 1對應ASME第IX卷，level 2對應原ISO 15614.1，且在第一章總則中明確規(guī)定：“In level 2，the extent of testing is greater and the ranges of qualification are more restrictive than level 1”、“Procedure tests carried out to level 2 automatically qualify for level 1 requirements，but not vice-versa”。以上表述與文中對比結果中有關焊接變素和試驗項目方面的結論是一致的。

3.3 技術路線統(tǒng)一解決方案

綜合考慮，在焊接工藝評定的技術路線統(tǒng)一上，存在4種可選方案，各有利弊，如表4所示。

經(jīng)深入討論，立足于我國核電產(chǎn)業(yè)需求、工業(yè)基礎、監(jiān)管環(huán)境及核電技術多樣性的現(xiàn)狀，最終課題組（工作組）選擇第2種方案。這與目前國際上標準融合的實踐相一致。

當然，在國內(nèi)自主化、開展獨立研究的同時，應跟蹤、消化ISO 15614-2017 版的變化，以及國際上相關研究動態(tài)，作為焊接工藝評定標準技術路線統(tǒng)一的重要參考。

參考文獻：

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