摘要：在核岛建造过程中，钢制安全壳是一个包含椭球形底封头和顶封头的自立式圆筒形钢容器，在拼装过程中涉及到大量附件板的焊接，附件板是后续安装大宗材料支架和钢结构平台支架的基础，与筒体角焊缝连接。文中针对筒体附件板焊接后产生的裂纹进行分析研究，分析得出，碳当量的高低影响筒体附件板的焊后质量，在同一焊接工艺下，筒体母材碳当量越高，焊后越容易发生裂纹缺陷，提高预热温度可有效避免焊后裂纹；相较于单加热片附件板正面加热，采用正面加热、正面测温或者背面加热、正面测温可有效避免焊后裂纹。

　　关键词：钢制安全壳；裂纹；碳当量

　　某核电机组是在消化、吸收、全面掌握我国引进的第三代先进核电非能动技术的基础上，通过再创新开发出具有我国自主知识产权、功率更大的非能动大型先进压水堆核电机组。对比第三代先进核电，其钢制安全壳拼装采用的板更厚。钢制安全壳（Containment Vessel，CV）是由筒体、上下椭球形封头、闸门、贯穿件等主要部件拼装焊接而成的密闭容器，属于核2级设备，在整个冷却过程中起着重要的作用。钢制安全壳在拼装过程中涉及到大量附件板的焊接，附件板是后续安装大宗材料支架和钢结构平台支架的基础，与筒体角焊缝连接。

　　角焊缝是沿两直交或近直交零件的交线所焊接的焊缝。在钢结构的各种连接方法中，角焊缝连接由于其构造简单和施工方便而深受人们的青睐,从而在连接中应用最为广泛，但是角焊缝由于根部和过渡处易产生很大的应力集中，再加上角焊缝一般不做无损探伤检验，使得角焊缝质量控制难度相对较大，甚至成为焊接接头或整个焊接结构质量的重要影响因素。现场进行CV筒体二环附件板角焊缝焊接时，发现两批钢板焊接后合格率偏差较大。因此，本文主要针对CV筒体二环附件板角焊缝屡次存在的裂纹缺陷开展分析讨论，并制定相应纠正措施进行试验验证，提高筒体附件板焊接一次合格率，以保证现场筒体安装焊接工作的顺利进行，同时对后续筒体附件板焊接工艺进行相应的指导。

　　1简介

　　CV筒体二环拼装焊接主要包括四类焊缝：筒体板对接主缝；内加劲肋与筒体焊缝；613块附件板与筒体板角焊缝；16组主吊耳。材质均为SA-738 Gr.B。钢制安全壳（含加劲肋）属于核2级设备，附件板属于抗震一类、质保分级QSA 3级物项。CV筒体二环拼装施工总体逻辑顺序为：筒体板拼装焊接→内加劲肋焊接→主吊耳。其中附件板的安装根据所在位置的作业平台情况、高空车台班、焊工及NDE人员资源情况，综合考虑在筒体板拼装前后穿插进行。

　　某核电机组CV筒体二环附件板共613块，已焊接完成517块，PT检测完成491块，其中不合格138块，一次合格率较之前偏低。

　　2原因分析

　　2.1筒体母材

　　（1）母材供货状态。CV筒体共计12层，均已完成供货，其中：一环共计5层（CY1-CY5），供货厂家涉及两家钢板生产单位，分别为宝山钢铁股份有限公司和鞍钢股份有限公司；二环共计4层（CY6-CY9），供货厂家涉及两家钢板生产单位，分别为舞阳钢铁有限责任公司和宝山钢铁股份有限公司。三环共计3层（CY10-12），供货厂家涉及三家钢板生产单位，分别为舞阳钢铁有限责任公司、鞍钢股份有限公司和宝山钢铁股份有限公司。为对比分析，进一步对1号机组CV筒体二环共计4层（CY6-CY9）供货厂家进行了排查梳理，均为鞍钢股份有限公司生产制造。

　　（2）母材对比。筒体二环与筒体一环采用相同的焊接工艺，相同的焊工，相同的施工环境，筒体一环的焊接合格率达到100%，唯一不同的一环与二环母材的供货厂家不一致，因此化学成分中含碳量不一致。为了进一步分析碳当量与裂纹的关系，文中对已经完成检测的附件板对应的筒体母材进行对比发现，碳当量高低对应的焊缝合格率存在差异，碳当量的提高容易导致焊缝合格率下降。

　　按照《安全壳用SA-738 Gr.B板材技术条件》SNG-MV50-Z0-037/0规定如下。

　　①钢板的碳当量值应符合ASME第II卷SA-20补充要求S20的规定。

　　②对于厚度小于等于50mm的钢板，最高碳当量值为0.48%。当要求对试料进行模拟焊后热处理时，最高碳当量值可增至0.50%。

　　③厚度大于50mm钢板的碳当量不受限制。实际二环筒体钢板厚度为52mm，因此钢板碳当量满足设计要求。技术文件中对于CV筒体环板碳当量的规定虽然满足规范要求，未对不同碳当量的母材可焊性提出建议要求；但是用于2号CV筒体二环钢板由舞钢供货，其碳当量高于此前用于其他由宝钢等厂家供应的筒体板材的碳当量。碳当量的增加，加大了冷裂纹的敏感性。

　　2.2焊材

　　CV筒体二环使用的焊材为E9018-G-H4，直径为φ3.2或4.0mm，为超低氢焊材。经核查附件板焊接所用焊材共9批，焊材元素含量符合《钢安全壳用焊条技术条件》中元素含量要求。焊材入场后进行了焊材复验，其力学性能满足要求。此类焊材已大范围使用在1、2号机组CV相关焊接活动中，材料性能一直可靠、稳定。因此焊材复验未见异常。

　　2.3焊接工艺分析

　　现场采用的焊接工艺主要参数如下。母材：SA-738 Gr.B；焊材：E9018-G-H4，φ3.2或4.0mm；接头型式为：角焊缝；预热温度：95℃~195℃。因此用于2号机组CV筒体二环相关焊缝焊前完成了焊接工艺评定并发布了焊接工艺规程，并经上游方审核批准。

　　按照ASME第IX卷QW-251.1节的QW-253表中描述可知，预热温度为工艺评定重要变素。母材的选择和规定按照组别和牌号确定（P-No.），对碳当量未在标准中明确。但是，按照理论，碳钢中的元素除C外，主要是Mn和Si，其含量增加，焊接性变差。当CE值大于0.4%～0.6%时，冷裂纹的敏感性将增大，焊接时需要采取预热、后热及用低氢型焊接材料施焊等一系列工艺措施。

　　如果CE≤0.45%，预热可以任意选择。

　　如果0.45%≤CE≤0.60%，预热温度区间为200°F～400°F（100℃~200℃)。

　　如果CE>0.60%，预热温度区间为400°F～700°F（200℃~350℃)。

　　当CE>0.5，至少考虑延迟最终的无损检测（NDE）至少24h，以确定是否有延迟裂纹产生。

　　现有的焊接工艺要求预热温度为95℃。但是二环采用的筒体板母材大部分碳当量超过0.45，采用现有的预热温度（超过95℃)要求不满足标准的推荐值。因此，可以初步确定2号机组二环的附件板PT检测一次合格率出现异常的原因为：未事先发现母材碳当量变高，材料的可焊性降低，出现缺陷的可能性提升；未及时采取有效的措施降低裂纹产生倾向；上述两种情况叠加，导致缺陷的产生。

　　2.4人员技能

　　2号机组CV筒体二环附件板焊接焊工共计51人，经核查51人均已参加岗前技能考核合格后向上游单位报备，且焊工资格项均能够覆盖焊缝信息，资格证均在有效期内。参与附件板焊接的相关人员已按程序要求进行了技术交底。对参与2号机组二环附件板焊接焊工共51人授权有效期和近三个月合格率情况进行分析得到，2号机组二环附件板焊接焊工取得了资格证书且在有效期内，且近三个月合格率都较高。因此附件板焊缝产生的缺陷与焊工本身技能无直接的相关性。

　　2.5设备及工机具

　　2号机组CV筒体二环附件板焊接共使用了73台焊机，在焊接过程中所使用的焊机均已标定合格且在有效期内，符合使用要求。所涉及附件板焊缝，在焊接过程中所使用的测温仪器在有效期内，符合使用要求。因此焊接设备及测温仪器均经过标定且在有效期内。

　　2.6施工环境

　　按照《CV附件安装焊接施工方案》的要求，焊接区域范围内的环境相对湿度小于90%；焊接时风速不大于8m/s（手工电弧焊），当超过此值时，需采取防风措施；焊接时应保护工件不受有害物质的污染，以及雨、雪、风的影响；不允许在潮湿的表面上或暴露在雨、雪中进行焊接。经核实焊接作业期间，2号机组CV筒体二环附件板温度和湿度范围分别为（1℃~28℃)、（30%～82%），满足方案及上游技术文件要求。因此施工环境和作业条件正常。

　　3试验验证

　　3.1母材化学成分分析

　　为了验证舞阳钢板所生产的SA738GR.B钢板化学成分是否符合技术规格书的要求，选取了其中一个炉批号为16403931N3进行了试验。经试验分析，化学成分均满足采购技术规格书《钢制安全壳SA-738GR.B钢板采购技术规格书》及上游技术文件《安全壳用SA-738GR.B板材技术条件》的要求。

　　3.2提高预热温度模拟试验

　　按照标准要求：0.45%≤CE≤0.60%，预热温度区间为200°F～400°F（100℃~200℃);同时参考技术条件《关于补充筒体环焊缝免除焊后热处理时的热输入和预热温度要求的设计变更》，现场将筒体附件板预热温度值定为120℃。

　　根据技术条件的要求，确认筒体附件板焊接时预热温度，并重新组织交底工作，确保焊接工艺符合技术条件及标准的要求。同时，现场采取了一块附件板进行焊接，焊接预热温度控制在120℃以上，附件板焊后PT检测结果合格。说明焊接预热温度的提高有利于焊接质量的提高。3.3开展加热方式模拟试验，保证预热温度均匀

　　3.3.1原预热方式测温试验（单加热片附件板正面加热）

　　对筒体二环附件板采用了单加热片附件板正面加热进行模拟预热，采用焊缝正面电加热的方式进行，升温过程、方法均与正常施工过程中一致。将加热片放置于附件板正中间进行升温，待附件板温度升至140℃后，在附件板相对应的筒体板内外侧选取了30个测温点测量温度。

　　通过试验的测量结果可以看出，焊接侧温度达到预热温度后，待焊侧背面温度有部分测点位置稍低于95℃,说明在板厚方向存在温度不均匀的情况。该种预热方式主要存在以下问题，预热用加热片未能全覆盖待焊区域，且加热片与筒体板未进行接触，未覆盖区域只能通过热传导传递热量，导致预热不均匀。

　　3.3.2改进后的预热方式测温试验

　　（1）背部加热，正面测温试验。在附件板对应的筒体板外侧使用两块加热片进行加热，加热片间距为50mm，加热片中心较附件板中心向下偏移20mm。在加热片正中间设置两个控温点，用于控制钢板背侧温度，在筒体板内侧使用保温棉完全覆盖，并设置两个测温点，用于监控待焊侧的温度。试验表明：背部加热，正面测温的预热方式，预热温度在板厚方向上温度均匀性较好。

　　（2）正面加热，正面测温试验。在2#CV2R、筒体板CY6-8上的T88附件板上进行了测温试验，在附件板对应的筒体板内侧使用两块加热片进行加热，温度分别抵达120℃、140℃时分别对T88板背侧，A～E等5组15个测量点进行实际温度测量，并分别记录测温时间及测量结果，测量点布置图及测量点实测值，所有测量点间距均为50mm。从测温点温度可以看出，采用上述方式正面预热，板厚方向温度均匀性较好。

　　（3）为验证采用改进后的预热措施能否提高焊接质量，选取了舞钢生产的SA738GR.B钢板（碳当量为0.50），在预热温度≥100℃、≥120℃、≥130℃条件下进行焊接，焊接完成后，静置48h后进行了PT检测，检测结果满足产品质量要求。通过模拟试验证明，采取背部加热、正面测温和正面加热、正面测温预热方式的附件板焊接焊缝质量满足要求。

　　焊接预热工作程序中对于附件板焊接预热的相关要求不具体，指导性不足；现场已经识别碳当量变高后，采取了通过提高预热温度及增加缓冷的措施，但由于预热方式不合理，局部待焊区域预热温度不均匀。通过模拟试验验证，改进后的预热方式可以提高产品板厚方向的温度均匀性，满足附件板焊接的要求。

　　3.4调查总结

　　通过对人、机、料、法、环各环节的调查分析，针对2号机组CV筒体二环相关焊接出现缺陷从技术、管理两方面进行分析论证，存在以下不足。

　　3.4.1技术方面

　　（1）焊接预热工作程序中对于附件板焊接预热的相关要求不具体，指导性不足。

　　（2）筒体附件板焊前预热方式不合理，CV筒体二环板材碳当量变高，可焊性降低，待焊部位预热温度未根据新材料（舞阳钢板）碳当量的变化进行优化，导致多处附件板角焊缝焊趾处产生裂纹缺陷。

　　（3）通过提高预热温度后的措施，由于预热方式不合理，局部待焊区域预热温度不均匀，导致少量附件板角焊缝焊趾处产生裂纹缺陷。

　　（4）技术文件中对于CV筒体环板碳当量的规定虽然满足规范要求，未对不同碳当量的母材可焊性提出建议要求。3.4.2管理方面

　　（1）预热过程控制存在不足。对于CV筒体二环附件板焊接过程中的实际预热操作方法未在程序中细化明确，各相关方均未及时发现并采取纠正措施。

　　（2）新厂家风险识别存在不足。各方对焊接过程中导致缺陷产生的风险识别不到位。1号机组CV板材供货商均为宝钢、鞍钢，2号机组CV二环和CV三环大部分板材供货商为舞钢，产品碳当量存在一定差异。舞钢供货的CV筒体板材在项目上属于第一次应用，未充分识别出新厂家供货带来的不确定性风险。

　　4结论

　　（1）碳当量的高低影响筒体附件板焊后质量，在同一焊接工艺下，筒体母材碳当量越高，焊后越容易发生裂纹缺陷，提高预热温度可有效降低裂纹的发生概率。

　　（2）相较于单加热片附件板正面加热，采用正面加热、正面测温或者背面加热、正面测温可有效避免焊后裂纹。

　　（3）对重要设备/物项使用的材料，生产厂家变更后，应重新评估材料性能，并根据评估结果制定针对性的措施。