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核电焊接材料选用及焊材管理

发布日期:2018-06-15 20:09:08   点击次数:

核电焊接材料选用及焊材管理

核电的发电量比例虽不足全国总发电量的2%,但沿海核电建设已经蓬勃发展,且出口核电,如巴基斯坦恰希玛核电站是中国核电出口第一站。现在核电建设总承包已经成为一种管理模式。国产核岛主设备大型锻件,可谓国之重器,其制造技术代表了大型铸锻件的最高水平,是中国核电建设的基石,而一台百万千瓦级机组核岛建造使用焊材量早逾100吨。作为核电建设用途最为广泛的核级焊材,尤其是核级不锈钢焊接材料,国内尚没有合格制造商。这样核电焊接材料就具有采购周期长的特点,要求进行批量采购,在工程管理过程中要具有前瞻性、计划性,加强核电焊接材料质量管理体系的建设。

1、核电金属材料

压水堆核电站设计一般采用四个安全等级。安全1级部件是指执行防治裂变产物逸出功能的设备;安全2级部件指具备减轻事故后果的功能设备;安全3级部件是指执行1、2级设备安全功能的设备;安全4级部件是除1、2、3级外的核岛内的所谓非核系统部件[1]。核级设备所用材料即为核电关键材料。

常规材料的一般要求为强度、韧性、焊接性能、锻造和机械加工性能,核用金属材料的特殊要求有残留元素的控制、抗晶间腐蚀/应力腐蚀性能、抗辐照性能等。核电站的主要机械设备用材是碳钢、低合金钢、不锈钢、镍基合金。核安全一级设备与部件的材料,对杂质元素含量作了十分严格的规定,其主要目的是提高材料的塑性与韧性性能指标。

2、核电焊材

核电站的焊接是以“安全第一、质量第一”为原则,所采用的焊接方法均稳定成熟。常用的焊接方法有埋弧焊(SAW)、带极埋弧堆焊(SASC)、CO2实芯焊丝气体保护焊(GMAW)、CO2药芯焊丝气体保护焊(FCAW)、焊条电弧焊(SMAW)、手工钨极氩弧焊(GTAW)、自中国动钨极氩弧焊(NG-GTAW)、气焊(HQ)、螺柱焊(HS)。在施工阶段因受环境条件的限制,仍以焊条电弧焊、手工钨极氩弧焊为主要的焊接方法。

按安全级分类有主系统焊材、核级焊材(包括了核一级、核二级、核三级)、非核级焊材。核电的焊接材料按材质分类有普通钢结构焊材、低合金钢结构焊材、耐热钢焊材、异种钢焊材、不锈钢焊材、镍基焊材、堆焊材料(设备堆焊带极、阀门钴基耐磨堆焊材料)等。

焊丝有实芯焊丝、药芯焊丝,药芯焊丝主要用于GMAW工艺。焊条按渣系分为酸性焊条和碱性焊条。碱性焊条虽然工艺性能差,但力学性能好,抗裂性好,且工艺性能可以通过焊工操作技能培训加以改善,在核电施工现场应用广泛。

3、核电焊接材料选用

核电站的使用寿命由秦山一期的30年提高到秦山二期工程的40年,目前AP1000堆型核电站的使用寿命为60年。核电站运行期间,1~1.5年需要进行一次停堆换料检修,即大修。鉴于焊缝熔敷金属的综合性能不如母材,在役检查期间对焊缝进行重点监控检查,以及LBB技术的运用,将焊缝破口事故降低到最低,但不可避免地存在焊缝返修工作。辐射防护实践的正当性是指具有正当的理由,利益大于代价。要保证与母材具有同样的使用寿命期限,在核电站建设期间焊材应选用优质焊材,其有益合金元素含量应略高于母材,杂质元素含量应低于母材,尽量降低易于被活化、不利于耐腐蚀性能的有害元素百分比含量。

焊接材料选用的一般原则为确保焊接结构的安全使用。对于普通钢结构,最重要的原则是焊缝熔敷金属与母材等强度,即焊缝熔敷金属的屈服强度等于或略高于母材的屈服强度;低碳钢与低合金钢之间的异种钢焊接接头,选用低合金钢的焊材;合金结构钢焊材,其熔敷金属的力学性能相匹配,合金成分与母材相同或接近;耐热钢与低温钢应保证相应的高温与低温力学性能;不锈钢焊材因根据腐蚀类型(均匀腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、刀状腐蚀等)而选择。

4、焊接材料管理

4.1焊接材料合格供应商选择

潜在焊接材料供应商通过相同或相近项目的调研、市场调查等方式获得预选合格供应商,再从具有核电焊材供货经验的制造厂进行选择,优先选择价格合理、质量稳定可靠、运输距离适当的焊材供应商进行评审,评审包括资料评审、源地评审。资料评审是审查供应商提供的相关资料和信息,源地评审是核查供应商产品质量、质保能力、技术能力、商务能力等方面。主系统、堆内构件、核级设备/管道等的核级焊材,在工程项目中首次使用的品牌,应进行源地评审;非核级焊材的合格供应商可采用资料评审。

焊接材料合格供应商具有质量保证大纲[5]、程序和细则;现有的质量保证记录;具有相应的生产设施、产品检验设施、理化试验设施;人员具有相应的资格;质量保证活动记录;供应商具有相应产品的生产能力、批量供货能力;历史供货记录;文档管理;变更管理;不符合项管理;买方对生产过程的监督检查见证管理;对核电焊材质量的重视程度;具有独立的审计部门。目前,焊材生产厂一般都有分厂,导致同一牌号的焊材之间质量略有差异,核电焊材应确定产品的原产地。

4.2采购管理

焊材采购范围按照易于控制材料质量、降低焊材消耗与库存、减少流转接口为原则进行划分。通常设备制造厂的焊材由制造厂采购,设备在现场安装所采用的相同焊材也由制造厂提供,如堆内构件的焊材。现场安装的主系统焊材,主要是主管道/波动管焊材,由总承包方进行采购;其余焊材由建筑安装承包方进行采购。

采购管理的首要任务是编制采购计划。依据工程进度计划、焊材制造周期、运输距离与方式、焊接价格、质量,以及焊材验收与复验时间、项目仓储条件、资金周转状态、工程项目的实际进度等编制采购计划,按照经济批量有序地进行焊材的采购。

采购文件是采购活动的指导性文件。采购文件包括工作范围、技术要求、质量保证要求、采购方介入产品(包括制造、包装、仓储与运输活动)、文件要求、不符合项的处理、争议的处理方式等。

焊材技术要求又称为焊材采购技术说明书,其编制依据有设计院的技术规范、图纸、标准(如国标、ASME、RCC-M)等,内容包括了焊接材料的核安全级别、质保等级、化学成分分析、机械性能要求、包装、标识、现场复验要求等。焊材技术要求由采购方编制完成,在必要的情况下,由采购方提交设计院协助审核,不属于设计院的技术规范。焊接材料技术文件在焊材质量证明书、复验报告中作为依据性文件,然而监理行业不能将焊材技术要求作为监理依据文件,只能根据相应的标准、设计院技术规范等进行监督检查见证。比较合理的方式为焊材技术要求由设计院审核批准后作为技术规范应用,或焊接材料的采购、验收与复验按设计院的技术规范进行,对于需要补充或提高要求的地方,在采购合同中体现,即以目标值的方式存在。

核电运用的母材、焊材均比较成熟,对新材料新工艺的运用控制比较严格,然而核电的母材种类繁多,导致焊材的牌号、规格比较多,难以形成批量采购。同时,种类繁多的焊材的采购费用、复验费用、仓储费用,工程结束后较高的总剩余库存量,以及较多的焊材评定、焊接工艺评定的费用,对工程项目的经济性影响较大,且增加了焊接材料错用的风险。

在焊材选择过程中,可以对相应类别母材的焊接材料,在以往工程经验及焊接材料评定与焊接工艺评定的基础上,将相同类别不同牌号的母材选择相同牌号的焊材。如奥氏体不锈钢母材304L与316L。母材304L可以采用308L或316L焊材,母材316L可采用316L焊材,这样就可以将母材304L的焊材用量与母材316L焊材用量进行合并。

减少焊材种类的另一种方式是采用核安全等级高的焊材代替核安全等级低的焊材。核安全一级、二级、三级的焊材合并为核一级焊材(见表3)。对于非核级不锈钢管道,因无损检测的比例较低,且焊接材料用量占总体用量的比例不大,可以将采用核级焊材作为质量保证的措施之一。

焊接工艺作为特殊工艺,其质量完全取决于过程控制,如焊材质量、焊接工艺参数的选择、焊工/焊接操作工的技能、焊接环境与设备、清洁度的控制等。焊接材料质量的好坏,是影响焊缝熔敷金属质量的重要因素之一。为确保焊材质量,核级焊接材料的质保等级可确定为QA1级,制造商按生产、检查验收工序编制相应的质量计划,采购方对焊材的生产过程进行监督检查见证。采购方应对焊接材料进行现场验收、评定,不能采用焊材出厂验收代替现场复验,也不能采用焊接工艺评定代替焊材评定。在由制造厂提供至现场使用的焊材数量中,应考虑现场复验、焊材评定以及焊接工艺评定、焊工资格考核的焊材用量。

4.3验收与复验管理

焊接材料到达采购方后,进入焊条专用仓库的待检区域临时贮存。按照相关标准进行验收。

焊接材料验收就是在焊材进入采购方焊条专用仓库的待检区域,由相关人员根据采购文件对焊材的型号、规格、外观质量、数量和焊接工艺性能所进行的检查和核对,以及确定是否复验和复验项目的过程。验收过程通常由采购方组织总承包单位、监理单位进行,必要时建设方参加。

焊丝验收取样方法为同一批入场的焊丝任选一盘。验收的内容包括:材质证书[6]复核、包装、标识、尺寸、表面质量[7]、工艺性能等。不同时间入场的相同牌号相同炉批号的焊丝为不同的批次,均按新入场材料进行验收。

焊条收取样方法为同一批入场的焊条按需要数量至少在三个部位取有代表性的样品。焊条取样时可以划分为三个区域,随机取样,且尽量避免取第一层、第一列和最末列的。验收的内容包括:材质证书复核、包装、标识、药皮、尺寸、工艺性能等。

焊条生产过程中药皮涂料应有良好的塑性与粘性。焊材验收过程中,常用的方法是随机抽取1~2根焊条进行弯曲检查,即将焊条缓慢弯曲至120°或更大的角度,使焊芯露出一段。若焊芯上覆盖有一层药皮,则该焊条的药皮性能良好。对于药皮厚的焊条,在缓慢弯曲至120°过程中,若有大块药皮脱落或药皮表面毫无裂纹,即为受潮焊条,不得进入核电现场使用。干燥的焊条在轻度弯曲后,药皮有轻微的脆裂声,继续弯至120°,在药皮受张力的一面有小裂口出现。

焊材复验是对于入厂焊材熔敷金属或焊丝进行理化试验,以确定能符合采购文件或相关标准的要求值,如化学成分、铁素体含量、机械性能等。焊接材料复验具有验证焊材性能的作用,若需要掌握焊接材料的最佳焊接电参数与操作特性,仍需进行焊接材料评定。

当出现焊材验收、复验不合格时,采购方质保部门应进行备案。

4.4贮存管理

焊接材料仓库应清洁、干燥,不允许存放有害气体和腐蚀性介质。仓库室内温度在16~25℃[8]范围内、相对湿度应低于60%。每天对温湿度进行记录。

焊材离地面和墙壁的距离均应大于300mm。焊条存放的累积堆高层数不应超过5层。焊材应按种类、牌号、批号、规格、入库时间分别地有序码放。同一货架上的不同材料应有物理间隔标识,避免错发、误领而导致焊接材料混用。出库以先入库先出库为原则。

当库存保管超过一年的焊条,应按采购文件的主要项目或全部项目进行复验,按复验结果分为延期使用、降级使用或报废处理。

焊条验收期间拆封的焊条,采购方应办理出库手续,不得继续在焊条仓库内存放保管。

制造厂生产车间或建筑安装工地通常都设有二级焊材仓库,以利于焊材的使用。二级库的环境应满足要求,且无关人员不能随便出入。

4.5现场使用回收管理

焊工使用专用焊丝筒对焊丝进行保护。焊丝在使用前应进行清洁,避免杂质带入焊接熔池,影响熔敷金属质量。

核电焊条,原则上采用碱性或弱碱性焊条。焊条在使用前应进行烘干,烘干规范可参考制造商提供的数据进行确定。现场使用通电的保温筒对焊条进行保护,焊工随用随取。焊条保温筒保持关闭状态。未使用完的焊材,应使用热态的保温筒回收至焊条烘干房。回收的焊条应进行再次烘干后优先发放,焊条烘干的次数不能超过两次。

对于酸性焊条,如J422焊条,虽然在JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》(已由NB/T47015-2011取代)中规定J422焊条的烘干规范为温度150℃、时间为1小时,由于刚打开包装的J422焊条可以不烘干已经成为一种常识,且J422焊条的焊接操作工艺性能良好,在非核工程项目上得以广泛应用。在核电项目中,由于结构使用寿命期较长,对焊缝熔敷金属的韧性要求比较高,建议不采用J422条。有限条件下使用J422焊条,应严格管理。

在焊接材料的使用过程中,若对某种焊材质量提出疑义,或焊缝质量因焊接材料有下降趋势,采购方应根据反馈意见确定对该种焊材是否重新进行复验。

从二级库房发放的焊接材料以根为单位,发出的焊材数量与回收的焊材头、焊材根数之和相等,避免焊材头滞留在制造车间或生产现场。

5、焊接材料管理监督与检查

采购方在采购、贮存、使用管理过程中,应接受总承包商、监理单位、业主的监督与检查,且为监督检查方提供便利条件。总承包商可对主系统焊接材料的管理进行专项检查,对库存材料管理与烘干发放管理进行监查,对焊接材料的现场使用进行巡视检查。

6、焊接材料的留存待查制度

为预防在核电站运行期间出现与焊接材料有关的质量疑义,需要对原使用的焊接材料进行再次分析论证,焊接工艺评定试件与焊接见证件试件余料中的熔敷金属不一定能够全面代表焊接材料的批次,建造方可以采取焊接材料留存待查制度,即对每一批焊丝,留一个最小包装的数量(约5kg);焊条留存一个化学分析用的堆焊试样。留存的材料与交工资料一起移交业主。

7、结束语

焊接材料的是核电站建设中用量最大的消耗性材料,在总承包管理中将每一根焊材的质量都做到有据可查,需要进行大量细致卓越的工作。从焊材型号规格与使用量的统计开始,到按进度计划采购供货、验收与复验、贮存与使用,整个工作流程涉及多个公司与部门之间的接口管理、多个工艺流程之间的配合,监督管理部门的监督检查见证全方位管理,确保核电建设有优质焊接材料使用、使用好焊接材料。

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