馬新朝

中國核電工程有限公司，北京 100840

0 引言

影響核電工程設(shè)備管道及閥門等部件焊接質(zhì)量的6大因素“人、機、料、法、環(huán)、測”是綜合性的層次分析，針對焊接施工的質(zhì)量問題，要分層分類分析，將每一層面的單一因素提煉出來，分析影響焊接過程、檢測驗收各層因素，主要從技術(shù)管理方面進行典型焊接質(zhì)量問題分析和處理。焊接質(zhì)量問題包括焊接過程中出現(xiàn)的各類缺陷，如裂紋、未熔合、未焊透、氣孔、夾渣、燒穿、凹坑、咬邊等表面缺陷，焊接變形、形變、扭曲變形、波浪變形等質(zhì)量問題，驗收過程中存在標準不一致、產(chǎn)品焊縫的技術(shù)指標不合格、不符合項（NCR）分類不清楚、人因因素失誤等［1-4］。

單因素分析法是指各種影響焊接質(zhì)量控制因素及變量在一個因素固定下對其他因素進行逐個輪換分析，以找出影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素的分析方法，它聚焦某單一質(zhì)量問題/焊接缺陷，從本質(zhì)形成機理方面對影響因素進行有效分析從而進行控制的方法，應(yīng)用此法分析焊接施工中的質(zhì)量問題，可簡化程序、切中要害，把復(fù)雜的問題簡單化，有助于提升分析效果并分析處理其關(guān)聯(lián)因素。如對焊接氣孔的單因素分析，控制熔池的形成大小、成形時間，導(dǎo)致氣孔產(chǎn)生的焊材因素如焊材的烘干及清潔情況、保護區(qū)建立、焊接環(huán)境影響、預(yù)熱、焊后消氫熱處理等措施，針對性分析氣孔的性質(zhì)及其機理，單因素分析法適用于典型焊接接頭及結(jié)構(gòu)，特別是對薄壁構(gòu)件、管道焊接接頭、管道閥門焊接缺陷的產(chǎn)生原因分析，可以突出重點及關(guān)鍵線路，對癥下藥，分析過程可結(jié)合頭腦風(fēng)暴等分層分類法，充分發(fā)揮專業(yè)技術(shù)人員的思維能力，有效提出解決問題的措施，從而保證焊接質(zhì)量。

核電設(shè)備中典型的焊接結(jié)構(gòu)有CRDM控制棒Ω環(huán)、薄壁不銹鋼覆面板、異形雙曲面板、特種閥門與管嘴的接口等。這些核安全相關(guān)的結(jié)構(gòu)件及管道閥門接頭的焊接質(zhì)量問題均是核安全局監(jiān)督管理、審查的重點。

1 典型焊接結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量問題

核電工程設(shè)備的薄壁構(gòu)件主要是δ≤4 mm構(gòu)件的各類重要結(jié)構(gòu)，如CRDM控制棒Ω環(huán)、不銹鋼覆面、δ≤2 mm的薄壁不銹鋼管，以及在薄壁件上焊接相應(yīng)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。焊接過程中容易出現(xiàn)波浪變形、熱變形、收縮變形及彎曲變形，尤其是Ω環(huán)的焊接及水壓試驗后PT缺陷顯示的處理［5-8］，解決這些構(gòu)件質(zhì)量缺陷特別困難，處理不恰當會對后續(xù)核設(shè)施的安全運行造成不良影響，甚至要重新進行設(shè)計論證，因此，單因素分析方法可切中要害，找準問題所在，從而優(yōu)化此類構(gòu)件的控制流程。

1.1 典型薄壁構(gòu)件的焊接變形

控制棒驅(qū)動機構(gòu)耐壓殼及熱電偶柱陰法蘭在反應(yīng)堆壓力容器管座上的焊接易發(fā)生焊接形變。

圖1 Ω焊縫上下環(huán)零件Fig.1 Ω Weld joint upper and lower ring parts

薄壁構(gòu)件的焊接質(zhì)量缺陷：某核電工程5#機組CRDM K2焊縫焊接過程中，發(fā)現(xiàn)自動焊機控制柜上顯示電流與焊前參數(shù)設(shè)定值不一致：焊機設(shè)置電流參數(shù)峰值100 A，基值45 A；實際輸出電流峰值117～122 A，基值82 A。焊接完成后，測量最終焊縫寬度（11.61 mm、11.45 mm、11.89 mm、11.38 mm）即焊縫超寬3.89 mm，焊縫尾部存在3 mm弧坑，如圖2所示。

圖2 K2焊縫的弧坑Fig.2 Arc crater of K2 weld seam

應(yīng)用單因素對質(zhì)量問題進行分層分析：焊接弧坑，電流變化引起的焊縫超寬及焊接變形形變問題。弧坑的產(chǎn)生原因：收弧時停頓時間過短、電流突變變大影響，弧坑經(jīng)金相砂紙表面打磨可消除；變形及超寬的產(chǎn)生原因是電流變大引起，需要對此質(zhì)量缺陷按照單因素輪換分析，并及時處理焊縫超寬及形變。

對Ω焊接設(shè)備焊接電流偏差為22 A，基值電流偏37 A的設(shè)備電流變大的原因分析，單因素提煉分析了以下各類因素：焊槍、機頭的跳動、定位精度、軸徑向可調(diào)范圍、機頭旋轉(zhuǎn)圓直徑等數(shù)據(jù)，分析接線情況的可靠性；對上述因素均進行運轉(zhuǎn)檢查排查，對產(chǎn)品性能參數(shù)測試報告進行復(fù)驗，排除現(xiàn)場設(shè)備的性能缺陷問題；在現(xiàn)場將焊接接地線和接地電纜線盤繞情況進行專項檢查，減少電流輸出線和接地線長度、減小壓降的影響，同時，對此因素用鉗型電流表進行實測檢查，驗證結(jié)果合格；對電源的穩(wěn)定性也進行了預(yù)防性整改，實施專項穩(wěn)定電源焊接CRDM，防止電壓波動引起電流波動。這些因素的分析結(jié)果表明，現(xiàn)場的設(shè)備性能處于正常狀態(tài)。

焊接過程電流變化因素分析：重點分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)測系統(tǒng)及焊接熔池的形成過程。高頻引弧瞬間，電流通過電纜線圈時產(chǎn)生的不規(guī)則電感效應(yīng)干擾了焊接電源電流采集系統(tǒng)信號，使系統(tǒng)出現(xiàn)誤判，控制系統(tǒng)波動引起了電流變化，致使最終焊機的實際輸出電流偏離設(shè)定數(shù)據(jù)。對此分析結(jié)果，更換新的電流采集系統(tǒng)元件，經(jīng)現(xiàn)場模擬焊接，性能可靠，不再發(fā)生電流干擾及突變現(xiàn)象。

1.2 廠供管道閥門等材料的焊接質(zhì)量問題處理

設(shè)備供應(yīng)商所供管道、設(shè)備等材料大多是鑄、鍛件等，在焊接過程中容易產(chǎn)生缺陷及異常問題，如制造與安裝焊接標準不一致時對縮孔、疏松、夾渣、夾雜、氣孔等缺陷的處理，焊接熱影響區(qū)缺陷和性能的判定及分析等問題，這些設(shè)備缺陷在與工藝管道焊接時往往會直接反映在焊縫的RT底片上，處理時因工藝評定覆蓋不足、焊工資質(zhì)符合問題，困難重重。

1.2.1 除氧器疏水閥焊接的典型問題

某核電機組6號機組ADG系統(tǒng)五抽至除氧器疏水閥2ADG011VV管道規(guī)格為88.9×5.49 mm，材質(zhì)SA-335P22，閥門材質(zhì)WC9，設(shè)計壓力1.4 MPa，試驗壓力2.1 MPa，閥門兩側(cè)焊口為A1347、A1348。焊接完成后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)流向與圖紙流向不一致，開啟NCR處理，切割調(diào)整閥門方向后采用原工藝焊接，經(jīng)現(xiàn)場RT，進口側(cè)A1347焊接接頭存在5 mm的條形超標缺陷，返修完成后，經(jīng)過焊后熱處理，發(fā)現(xiàn)閥門進口側(cè)A1347接頭和出口側(cè)A1348接頭的硬度不合格，母材偏低，焊縫偏高。焊接、熱處理工藝及檢測結(jié)果見表1～表3。

表1 除氧器疏水閥焊接工藝Table 1 Welding process of deaerator drain valve

表2 熱處理工藝（遠紅外加熱）Table 2 Heat treatment process of deaerator drain valve

表3 檢測結(jié)果Table 3 Detection result

對缺陷的原因采取單因素分析，主要原因是閥門系統(tǒng)安裝反向的錯誤，焊接接頭內(nèi)部條形超標缺陷，熱影響區(qū)、焊縫區(qū)硬度不合格。根據(jù)原因分析和處理措施的難易程度發(fā)現(xiàn)：調(diào)整閥門方向、返修5 mm的超標條形缺陷是切口及挖鑿后返修就可解決的問題，單因素輪換解決熱影響區(qū)硬度偏低和焊縫區(qū)硬度偏高的原因是根本所在。

1.2.2 電動平行閘閥（W型）的焊接接頭

EAS系統(tǒng)管線（Z2CN18-10，14"×4.68 mm）接2EAS008VB閥門（Z3CND19-10M，14"×4.78 mm）的M11焊口RT檢測時，發(fā)現(xiàn)2EAS008VB閥門側(cè)“焊縫熱影響區(qū)”存在5條30 mm裂紋，此問題發(fā)現(xiàn)后，焊接技術(shù)人員高度重視，采取單因素分析，從裂紋的產(chǎn)生機理方面（拘束度、材料的H含量、焊接線能量三大方面）進行系統(tǒng)地分析：核實核級焊材、特別是控氫元素的標準符合情況；對管道閥門的焊接拘束及應(yīng)力情況（嚴格組對焊接坡口及間隙，未強力組對裝配）；焊接工藝熱輸入量（軟規(guī)范）進行了系統(tǒng)分析，并對焊接熔池的形成、焊接工藝過程均進行了梳理，未違規(guī)跨接地焊接、閥門的開啟關(guān)閉情況符合，且管口在自由狀態(tài)執(zhí)行應(yīng)力驅(qū)逐法［9］焊接，熄弧時采取延遲熄弧、釋放應(yīng)力，焊接成型進行了專項檢查，結(jié)果正常。

對材料檢驗復(fù)驗及驗收、現(xiàn)場焊接及無損檢測等過程所涉及的因素均逐一分析，確認無誤后，對閥門制造廠的竣工監(jiān)造文件進行專項審查和監(jiān)造過程分析：分析了閥門的制造工藝鏈，對質(zhì)量計劃的各個環(huán)節(jié)及其影響因素進行了審查，分析，審查RT底片的特征并對照現(xiàn)場RT底片后，確認該缺陷是閥門的鑄造缺陷。因此，針對性開發(fā)和制定了防止鑄件裂紋擴散的焊接措施，對裂紋進行逐層PT打磨挖除，采取延遲熄弧的GTAW焊接方法（ER316L、2.0 mm焊絲，I=60～120 A，保護氣體：高純氬Ar≥99.997%，正面充氬流量9～25 L/min，背部氬流量11～25 L/min），完成了返修焊接，結(jié)果合格，單因素分析方法處理問題的效果顯著。

1.3 針對薄弱不銹鋼小管的焊接

在AL子項（廠區(qū)試驗室），結(jié)合各個核電廠的試驗室運行經(jīng)驗反饋后，對全部的可燃性氣體（氫氣管等）的連接均改為焊接形式。因此，對于薄壁不銹鋼氣體管道，應(yīng)進行焊接工藝評定，實施手工或自動焊接，應(yīng)用單因素分析法，采用焊接會出現(xiàn)焊縫余高超高、燒穿、成形不良等焊接缺陷。同時根據(jù)核電工程現(xiàn)場實際情況，對于厚度δ≤1 mm的薄壁不銹鋼管道，可采用非填充續(xù)絲熔化焊、自熔自動焊和熔化填充續(xù)絲焊三種焊法進行焊接；為保證熔透且不燒穿，優(yōu)質(zhì)焊接工藝是關(guān)鍵控制因素。

焊接的重點因素是選擇好合適的焊接電流防止燒穿和成形不良，保證熔透并成型良好，經(jīng)單因素輪換分析工藝評定（輪換焊接電流、焊接電壓及焊接速度三個主要焊接工藝參數(shù)），得出了適用于9.53 mm×0.89 mm的304L不銹鋼氣體管道的焊接工藝。采用非填絲GTAW熔化焊，直流正接，焊接電流12～25 A，熔化焊接I型對接坡口，得到完美的焊接接頭：焊后100%PT及RT，Ⅰ級合格，力學(xué)性能滿足“Rm≥485 MPa，面彎及背彎后均滿足不得有單條長度大于3 mm的開口缺陷”。

2 處理程序和方法

對工程焊接過程中出現(xiàn)的各類質(zhì)量問題，分清異?，F(xiàn)象、質(zhì)量缺陷及不符合項，根據(jù)單因素分析的根本原因，制定具體可行的處理措施后，按照處理時的難易程度分為表面缺陷處理、CR澄清處理、不符合項管理程序處理、建造事件管理流程處理和驗證。

2.1 表面缺陷處理

設(shè)備、閥門、管道等構(gòu)件的焊接表面缺陷可采取有限打磨及修磨，其打磨修磨深度h≤0.5 mm與壁厚的5%δ（δ為焊件厚度），且該表面準備工藝不是一種修補操作［10］。打磨后需進行有效厚度測量，按管壁厚減薄設(shè)計評價的原則處理。

2.2 CR澄清處理

根據(jù)單因素分析得到的根本原因，結(jié)合現(xiàn)場狀態(tài)分析焊接及檢測的條件，對焊接與檢測方法不一致現(xiàn)象、適用情況不確定、設(shè)備閥門制造與安裝焊接標準不一致的情況，必須由設(shè)計方面進行適當?shù)某吻?，以便提出相?yīng)的解決辦法。如對焊接位置操作困難、技術(shù)文件要求不清楚的部位如支承件與管道的全熔透焊接方法由SMAW替換為GTAW，RT難以操作或受條件制約的部位改為逐層PT方法、相控陣UT等，以保證焊接質(zhì)量，減少焊接缺陷。

對于檢測所發(fā)現(xiàn)缺陷的處理及評定區(qū)域評判不確定的問題，可以技術(shù)澄清，由專業(yè)設(shè)計人員明確焊縫及熱影響區(qū)的檢測范圍，做到與標準的要求相一致，更適于現(xiàn)場管理和焊接操作。如HAZ范圍通常情況為B=30%δ（δ為等效工件厚度），最大為20 mm，最小為10 mm；對此評定范圍與標準進行澄清，“射線檢測及手工超聲波檢測：焊接區(qū)和補焊區(qū)為焊縫熔敷金屬及10 mm范圍內(nèi)的鄰近母材熱影響區(qū)。液體滲透檢測：焊接區(qū)和補焊區(qū)為焊縫熔敷金屬及15 mm范圍內(nèi)的鄰近母材熱影響區(qū)，防泄漏密封焊縫檢驗區(qū)為焊縫熔敷金屬及5 mm范圍內(nèi)的鄰近母材熱影響區(qū)；支承件與容器或管道間的連接焊縫的被檢驗區(qū)為焊縫熔敷金屬及10 mm范圍內(nèi)的鄰近母材熱影響區(qū)”，澄清后可有效評定焊接后對缺陷的評判，焊縫嚴格執(zhí)行現(xiàn)場安裝標準，對母材區(qū)域的缺陷按制造標準進行評判，做好缺陷記錄，以便后續(xù)的役前檢測及運行評估。

2.3 不符合項管理程序處理

焊接缺陷可進行二次返修，單因素分析可抓住其產(chǎn)生原因，返修時做好防止再次發(fā)生缺陷的措施，按照原工藝返修即可；第三次返修須制定專項施工方案開啟NCR處理，專項施工方案中須要應(yīng)用單因素分析法分析缺陷產(chǎn)生的根本原因。

如針對ADG系統(tǒng)閥門流向安裝錯誤問題，開啟不符合項，制定的處理意見如下：將6M2ADG011 VV閥門兩側(cè)焊口A1347和A1348割除，按照圖紙調(diào)整閥門方向后重新焊接；割口后重新焊接，經(jīng)24 h后RT焊口合格，硬度檢測發(fā)現(xiàn)焊縫熱處理后硬度偏高最大值311 HB（焊縫硬度≤270 HB），母材硬度偏低最大值108 HB（125～180 HB）。

影響硬度不合格的關(guān)鍵因素分析：熱處理過程的各類因素分析；加熱帶未有效覆蓋焊縫區(qū)域且接觸不良；當熱電偶測溫端頭接觸部位偏離焊縫（靠近母材側(cè)），導(dǎo)致處理過程中加熱部位焊縫部位未進行徹底處理；熱偶偏向母材側(cè)導(dǎo)致母材硬度偏低；電加熱部位集中在焊縫鄰近母材側(cè)，且硬度檢驗時母材表面2次熱處理后的表面碳化層未打磨干凈，在硬度檢測時產(chǎn)生誤差累積，導(dǎo)致結(jié)果不合格。

對硬度不合格的處理措施：對焊縫硬度偏大進行再次焊后回火熱處理，工藝如表1示，熱處理后對焊縫表面和母材（鄰近焊縫）進行打磨并露出金屬光澤，使便攜式硬度計端部與金屬表面有效貼合，以進行組織細化，降低硬度；熱處理后進行硬度檢測，發(fā)現(xiàn)焊縫硬度最大為240 HB，母材硬度最大為145 HB，結(jié)果合格；對管道母材熱影響區(qū)的局部淬火熱處理，工藝如下：用2把氣焊槍對HAZ 150 mm范圍內(nèi)對稱均勻烘烤加熱，熱源中心離開焊縫中心30 mm，紅外線測量區(qū)域溫度，范圍在475～525 ℃間，持續(xù)保溫30～60 s，0～5 ℃冷水毛巾裹冷，降至室溫，經(jīng)測量結(jié)果合格。再次對該兩道焊口焊接完成后對該焊縫進行表面滲透檢驗、光譜檢驗、RT，均評定I級合格，硬度檢驗合格。

優(yōu)化管道的焊接熱處理工藝，補充閥門焊后熱處理工藝規(guī)程，增加3次以上的工藝技術(shù)要求，特別是針對焊縫及母材焊后熱處理硬度不合格所采取的技術(shù)管理措施。

2.4 專家審評、評估和處理

采取專家審評、評估及專項處理是對于建造事件（凡是建造事件均含有NCR報告，NCR不一定是建造事件）、重大焊接缺陷/質(zhì)量問題所采取的必要措施，需組織專家評審并尋求專業(yè)技術(shù)支持機構(gòu)進行專項處理。

2.4.1 專項施工方案

針對重要構(gòu)件缺陷、質(zhì)量問題、NCR的處理需編制專項施工方案，對該方案要進行專家審評，著重對缺陷的產(chǎn)生根本原因進行單因素逐項分析、操作的適用性及正確性、影響焊接質(zhì)量的影響因素及工藝措施進行審查，應(yīng)力及變形的影響，焊接工藝評定的有效、覆蓋情況，焊接工藝規(guī)程的正確性，檢測方法可達情況，能準確指導(dǎo)缺陷問題的處理。

2.4.2 專業(yè)評估及處理

如針對K2 Ω環(huán)的焊接電流引起的變形問題，由設(shè)計院進行單因因素專家論證評估：一是焊接工藝的有效性；二形變及超寬的模擬代表性，三處理該形變的方法和措施。設(shè)計院根據(jù)焊接工藝評定的主要因素、次要因素、補加因素，焊接工藝評定規(guī)則等單因因素進行分析，分析焊接工藝的合格情況，即焊接電流偏差分析是否合格的問題：焊接電流偏為22 A，基值電流偏37 A，此電流偏差均小于50 A，按照工藝評定原理和規(guī)則，電流偏差小于50 A，原工藝評定有效；同時，在此有效評估的基礎(chǔ)上，做好了模擬試驗件，對模擬件取樣檢測，機械性能及化學(xué)成分、晶相組織均進行了分析，結(jié)果符合標準要求，焊接工藝評定進一步得到了有效驗證；超寬3.89 mm的可用情況評估，符合總裝配圖紙的公差，可以接受。

模擬件的代表性評估：在施工人員、環(huán)境、工藝、材料、設(shè)備（操作人員與設(shè)備的適用性）等方面基本一致的情況下進行K2焊縫模擬驗證試件焊接，可以模擬出穩(wěn)定的焊縫成型（寬度超寬、余高低）；模擬驗證試件焊縫可以反映K2焊縫的成型情況和焊接質(zhì)量。

對局部超寬的形變使用情況、安裝方便程度的評估：在下部Ω焊縫區(qū)域表面施加一個壓緊力，來緩解和降低金屬內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和擴展；同時采用石墨密封環(huán)，石墨密封環(huán)被壓縮后緊緊覆蓋在下部Ω焊縫區(qū)域表面和周邊母材區(qū)域，從而防止下部Ω焊縫泄漏，在建安階段安裝操作較簡單。因此，采用CSCA預(yù)防性夾具進行維修的方法［5］處理是可行的方法。

機械夾具（CSCA）包括底座、上板、密封夾板、石墨環(huán)、螺桿、螺栓以及墊片等，結(jié)構(gòu)如圖3所示。機械夾具（CSCA）在安裝中施加壓應(yīng)力在下部Ω焊縫區(qū)域，經(jīng)國內(nèi)外專家評估分析，下部Ω焊縫區(qū)域主要的降質(zhì)機理為應(yīng)力腐蝕裂紋，該缺陷主要是由于內(nèi)部的拉應(yīng)力而導(dǎo)致，機械夾具（CSCA）施加的壓應(yīng)力與拉應(yīng)力方向相反，可以有效減緩或降低缺陷的產(chǎn)生和擴展。

圖3 機械夾具（CSCA）結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Mechanical Fixture （CSCA） Structure

3 結(jié)論

采用單因素分析質(zhì)量缺陷，要對影響質(zhì)量的“人、機、料、法、環(huán)、測”6大方面分層分類分析，主要分析缺陷、質(zhì)量的不合格問題所產(chǎn)生的根本原因和產(chǎn)生機理，簡化影響因素分層，不簡單地歸結(jié)為人因失誤因素，從而為有效制定整改工藝措施提供方法。通過對典型的管道、閥門焊接接頭缺陷/質(zhì)量問題的單因素原因分析，能準確分析缺陷產(chǎn)生的根本原因并制定正確有效的處理方法，可以推廣應(yīng)用。

單因素分析也不是孤立的分析方法，只是側(cè)重于產(chǎn)生缺陷及質(zhì)量問題的根本原因，在分析缺陷產(chǎn)生的根本原因同時，考慮相關(guān)聯(lián)的質(zhì)量影響因素，包括其間接及誘導(dǎo)原因，如焊接線能量過大引起的焊件燒穿、波浪扭曲變形時的焊接電壓與焊接速度的相關(guān)聯(lián)因素等。