馬新朝，邱望冬，邢 洋

（北京四達(dá)貝克斯工程監(jiān)理有限公司，河北 石家莊 050019）

核電建設(shè)安裝過(guò)程中通常會(huì)遇到多種類型的不銹鋼管道，這些管道一般為RCC-M1、2級(jí)，部分管子直接與冷卻劑接觸或處在反應(yīng)堆的強(qiáng)輻照區(qū)。在高溫、高壓下受熱沖擊、中子輻照脆化、動(dòng)態(tài)應(yīng)變失效、高溫水致腐蝕與疲勞，多發(fā)生因熱疲勞、晶間應(yīng)力腐蝕和水錘效應(yīng)等因素引起的裂紋，而且結(jié)構(gòu)特殊，如果沒有相應(yīng)的工藝和安裝順序，將會(huì)給施工帶來(lái)不必要的麻煩，并對(duì)焊縫的質(zhì)量造成影響。

秦山二期擴(kuò)建工程核級(jí)不銹鋼厚壁管道主要有以下幾種規(guī)格：φ60.3 mm×8.74 mm；φ88.9 mm×11.13 mm；φ114.3 mm×13.49 mm；φ168.3 mm×18.26 mm；φ219.1 mm×23.01 mm；φ273.1 mm×25.40mm；φ323.8 mm×28.68 mm。其中，主管道的規(guī)格：熱段長(zhǎng)（6001±3）mm，管徑φ873 mm×68.5 mm，重9.174 t；冷段長(zhǎng)（7157±3）mm，管徑φ828 mm×64.75 mm，重9.466 t；過(guò)渡段總長(zhǎng)為4557.6 mm（2685.8 mm+1521 mm+350.8 mm），管徑φ932 mm×72.3 mm，重14.544 t（管徑尺寸為制造尺寸，實(shí)際尺寸要大于該數(shù)值）。其材質(zhì)主要為法國(guó)牌號(hào)Z2CN18-10、Z2CND18-12和Z3CN20-09M，規(guī)定的化學(xué)成分如表1所示。

表1 核電用不銹鋼厚壁管的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of thick-walled stainless steel pipes in nuclear power plant%

Z2CN18-10、Z2CND18-12和Z3CN20-09M全部為超低碳不銹鋼，主要涉及反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、安全注入系統(tǒng)、化學(xué)和容積控制系統(tǒng)和余熱排出系統(tǒng)，工作壓力和溫度較高。

不銹鋼的線膨脹系數(shù)大而導(dǎo)熱能力小，厚壁管道焊接時(shí)必然出現(xiàn)較大的焊接變形，再加上焊接時(shí)的工藝不妥當(dāng)及錯(cuò)邊的影響，厚壁管焊接時(shí)更容易在接頭和結(jié)構(gòu)中形成較大的殘余應(yīng)力或產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，直接對(duì)安裝造成困難，焊縫無(wú)損檢驗(yàn)不合格或間接造成焊接接頭的應(yīng)力腐蝕，使焊接接頭的使用壽命縮短或降低了焊縫的抗腐蝕能力。

1 不銹鋼管的焊接

1.1 焊接前的準(zhǔn)備工作

1.1.1 焊接材料的確定

不銹鋼焊接材料主要應(yīng)根據(jù)母材的化學(xué)成分確定。因?yàn)楣茏佑泻琈o的和不含Mo的兩種不銹鋼，為使其在高溫、高壓的服役條件下有優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕性能，合金體系為Cr-Ni-Mo系列較好，所以統(tǒng)一選擇含Mo的超低碳不銹鋼焊接材料，也是為了減少工藝評(píng)定的數(shù)量。此材料應(yīng)滿足RCC-MS中對(duì)材料的要求。考慮到管道的規(guī)格和工藝，焊絲規(guī)格選擇φ2.0mm，焊條規(guī)格為φ3.2 mm，牌號(hào)分別為ER316L和E316L，它們的化學(xué)成分如表2所示。

主要是用超低碳焊材，控制δ鐵素體和雜質(zhì)的含量，避免偏析及在焊縫金屬中形成含有一定的δ相；Co的同位素在一回路結(jié)構(gòu)中的輻射場(chǎng)中（特別是在Ni含量高、直接處于強(qiáng)輻射場(chǎng)中的結(jié)構(gòu)中）對(duì)構(gòu)件的破壞起主要作用；Cu的提高會(huì)增加材料中子輻射脆化的敏感性，因此需要控制焊材中Co和Cu的含量，使其符合技術(shù)條件的要求。

1.1.2 焊接工藝評(píng)定

對(duì)于上述管道，主要進(jìn)行了表3中的評(píng)定。

對(duì)于厚壁管焊接工藝評(píng)定，焊接工藝參數(shù)的確定只是重要控制的一方面，更主要的是通過(guò)焊接，找出實(shí)際的焊縫收縮量，為實(shí)際的焊前組對(duì)確定組對(duì)間隙提供參考評(píng)定，從而精確的組對(duì)，減小管道的收縮和焊接變形。

表2 焊接填充材料的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of welding packing material%

表3 主要評(píng)定的管道規(guī)格尺寸型號(hào)Table 3 Evaluated pipe specifications and models

1.1.3 焊工考試

焊工資格考試按照設(shè)計(jì)院的規(guī)定及HAF0603中的要求進(jìn)行，在焊接中，焊工資格與實(shí)際的操作位置需一一對(duì)應(yīng)，不能超越資格范圍進(jìn)行焊接。

1.1.4 焊接工藝卡

根據(jù)焊接工藝評(píng)定的結(jié)果編制焊接工藝卡，焊接工藝卡應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況并能完全覆蓋現(xiàn)場(chǎng)的各類焊接接頭，如按坡口形式可分為單V形對(duì)接；雙V形坡口對(duì)接；U形坡口對(duì)接、復(fù)合U形坡口對(duì)接；單U形＋單V形組合接頭等形式形成的焊接接頭，焊接位置可涵蓋1G、2G、3G、4G、5G、5G1T、5G2T、6G等焊接位置，焊接工藝的制定需要根據(jù)不同的施工情況合理選用工藝評(píng)定報(bào)告。

1.2 產(chǎn)品焊接

1.2.1 坡口形式

坡口形式按照?qǐng)D紙的規(guī)定進(jìn)行加工，保證管子和管件的接口內(nèi)徑相同，坡口如圖1至圖3所示，焊接坡口表面粗糙度應(yīng)≤6.3×10－6mm。

圖1 壁厚≤10mmFig.1 Wall thickness≤10mm

圖2 10mm＜壁厚≤20mmFig.2 10mm＜Wall thickness≤20mm

圖3 壁厚＞20mmFig.3 Wall thickness＞20mm

1.2.2 組對(duì)及控制

對(duì)于小直徑管子，組對(duì)采用直接在坡口根部用焊絲點(diǎn)固，正式焊接時(shí)再打磨掉；對(duì)大直徑管子，采用不銹鋼圓棒定位、焊絲點(diǎn)固，點(diǎn)固焊縫應(yīng)均勻飽滿不得有裂紋，用圓棒組對(duì)主要是便于拆卸調(diào)整。

1.2.3 焊口錯(cuò)邊

厚壁管焊口的組對(duì)錯(cuò)邊是影響焊接質(zhì)量的一個(gè)重要因素，克服錯(cuò)邊是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

焊口錯(cuò)邊的控制原理：經(jīng)焊接工藝評(píng)定證明，厚壁管在焊口焊至45%～55%的厚度時(shí)，其收縮基本保持不變，直到焊完整個(gè)焊縫（見圖4）?；诖耸湛s變形的特點(diǎn)，可在焊接過(guò)程中充分控制錯(cuò)邊的影響。

圖4 主管道工藝評(píng)定時(shí)焊縫的收縮曲線Fig 4 The contract chart of welding process evaluation for the mail pipe（RCP pipe）

通過(guò)增大或減小管道的受力大小來(lái)調(diào)整實(shí)際的管段支撐位置，進(jìn)行管道位置的調(diào)整；對(duì)于所焊焊口的熔敷金屬的厚度進(jìn)行一定深度的挖除與補(bǔ)焊進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)焊接收縮量進(jìn)一步調(diào)整管段的錯(cuò)邊量，從而達(dá)到消除管口錯(cuò)邊的目的。

以主管道環(huán)路的錯(cuò)邊產(chǎn)生原因及控制為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：蒸汽發(fā)生器處于冷態(tài)位置，整個(gè)壓力容器側(cè)（熱段）管道周圍倒鏈拉緊調(diào)節(jié)，下面有可滑移且高低可調(diào)節(jié)支撐，熱段A側(cè)有一拉力計(jì)，全部措施可讓A1焊接過(guò)程中整個(gè)熱段處于重力和拉力平衡的狀態(tài)，熱段就位，A1焊口組對(duì)好。A1焊口焊縫近50%厚度時(shí)，發(fā)現(xiàn)焊口熱段側(cè)的管口未按計(jì)算的數(shù)值Lz向上提高，導(dǎo)致錯(cuò)邊量為5 mm。經(jīng)分析認(rèn)為，當(dāng)組對(duì)完成后，G=拉力計(jì)的F1+F2（支撐力）+F3（A1焊縫的拉力F的Z向分力，F(xiàn)4為焊縫拉力的水平方向的分拉力），在焊接過(guò)程中，A1的焊縫收縮，Lz和Lx均有位移，但是Lz的位移導(dǎo)致F2力消失，G=F1+F3，這時(shí)候的F3已經(jīng)變化，其拉力計(jì)反映的拉力只能保持焊口A側(cè)的管口保持水平位置不變，卻不能向上提起管道的A側(cè)，同時(shí)在焊接A1過(guò)程中，因焊縫的上側(cè)受到一個(gè)拉力F的變化，在焊縫焊接受熱的情況下，增加了延伸，造成管口的錯(cuò)邊較大。

解決措施：對(duì)A1的焊縫進(jìn)行打磨，其打磨區(qū)域?yàn)榭拷羝l(fā)生器側(cè)，且在管道截面11點(diǎn)到1點(diǎn)的位置，打磨出一個(gè)深10mm的凹槽，采用補(bǔ)焊工藝評(píng)定的工藝進(jìn)行焊接；在焊接過(guò)程中對(duì)支撐進(jìn)行調(diào)高，使其緊貼主管道的下壁，并受力。監(jiān)視拉力計(jì)度數(shù)變化，避免大幅度擺動(dòng)；通過(guò)焊接調(diào)節(jié)，并適當(dāng)增加對(duì)支撐的調(diào)高，使A焊口的錯(cuò)邊達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如圖5所示。

1.2.4 產(chǎn)品見證件焊接

對(duì)于不能在產(chǎn)品上進(jìn)行的其他檢測(cè)項(xiàng)目，可由焊接見證件的焊接來(lái)完成，因此，增加了過(guò)程中的焊接見證件的控制內(nèi)容。第一，要求施工單位嚴(yán)格按焊接/熱處理工藝進(jìn)行施工；第二，可以驗(yàn)證焊接產(chǎn)品的焊接工藝的正確性；第三，可以為不容易檢驗(yàn)的產(chǎn)品提供產(chǎn)品的性能報(bào)告，對(duì)各生產(chǎn)的焊接/熱處理因素進(jìn)行驗(yàn)證，特別是驗(yàn)證硬度及熔敷金屬化學(xué)成分含量，更重要的是檢查金相中有無(wú)有害組織。

圖5 錯(cuò)邊量受力及錯(cuò)邊調(diào)整示意圖Fig 5 The contract chart of lack of groove uniformity

采用焊接見證件，可驗(yàn)證不能在產(chǎn)品上進(jìn)行的其他檢測(cè)項(xiàng)目的結(jié)果，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和在焊接過(guò)程中實(shí)施調(diào)整。見證件的焊接同產(chǎn)品焊接。

2 焊接及焊接變形的控制

2.1 焊接注意事項(xiàng)

焊接按照焊接工藝卡進(jìn)行。氬弧打底一般為2～3層（4～5 mm厚度），此后背面充氬可以停止。

焊接時(shí)應(yīng)注意焊縫背面充氬良好；焊接時(shí)應(yīng)采用小電流、快焊速，除5G1T位置的表面焊道外，應(yīng)盡量使用窄焊道，并控制層間溫度不超過(guò)150 ℃；在焊接管道與法蘭等焊口時(shí)，應(yīng)注意坡口根部?jī)蛇叺耐Ａ魰r(shí)間，保證根部有良好熔合；多道焊的接頭應(yīng)錯(cuò)開30～50mm，并應(yīng)將接頭的熔敷金屬打磨掉，收弧時(shí)應(yīng)填滿弧坑，以免這些地方的偏析；短弧焊，嚴(yán)禁在母材上起弧，不得使不銹鋼母材受到鐵素體沾染；對(duì)TIG+SMAW焊接的焊縫，焊后焊縫打磨至圓滑過(guò)渡，不得影響無(wú)損檢驗(yàn)。

2.2 安裝焊接實(shí)例

2.2.1 安裝控制措施

在安裝較大直徑的不銹鋼厚壁管道時(shí)，應(yīng)采取一定的措施。先點(diǎn)焊管線有余長(zhǎng)以外的焊口，檢查管道和支架方面的情況，檢查合格后焊接焊口至熔敷金屬厚度為6～8 mm，必要時(shí)進(jìn)行射線檢驗(yàn)。當(dāng)全部返修合格后，再焊接至管道壁厚的70%～80%，這時(shí)焊縫的收縮已基本穩(wěn)定，可以對(duì)預(yù)留段處進(jìn)行切除，如無(wú)預(yù)留段，則車間預(yù)制時(shí)，應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的收縮量。當(dāng)管線中所有焊口都焊接至壁厚的70%～80%后，再焊接相連的固定支架，然后焊接剩余的管道焊縫的焊道。法蘭兩側(cè)的焊口應(yīng)放在最后焊接，考慮充氬保護(hù)時(shí)的方便程度，焊接時(shí)應(yīng)采取從上往下進(jìn)行管口的焊接。

2.2.2 安裝

現(xiàn)場(chǎng)某規(guī)格為φ168.3 mm×18.26 mm的系統(tǒng)管道（見圖6），其安裝過(guò)程介紹如下：

因M1焊口位置已經(jīng)固定，所以首先組對(duì)焊接M1；M6焊口與M1的橫向收縮在Z軸方向上方向相同，也應(yīng)先焊接。當(dāng)焊接至6～8 mm時(shí)，可以進(jìn)行一次射線檢驗(yàn)，目的是防止根部有缺陷難以返修。當(dāng)合格后，繼續(xù)焊接至壁厚度的70%～80%時(shí)，收縮已基本穩(wěn)定，這時(shí)可以組對(duì)M11焊口。因?yàn)镸1焊接時(shí)有兩個(gè)方向的位移，同時(shí)考慮到M6本身的收縮會(huì)使M11處升高，因此M6處直段的長(zhǎng)度并不是設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度，應(yīng)該是M1產(chǎn)生的位移加上M6產(chǎn)生的位移（向上的）之和，而M11處直段也應(yīng)考慮M1的收縮和自身的收縮。

當(dāng)考慮了M1和M6的收縮，當(dāng)它們焊接到70%～80%后，M11剛好達(dá)到對(duì)口要求，則焊接M11。M11產(chǎn)生的橫向收縮則可以通過(guò)與其相連的后面的管段的移動(dòng)獲得釋放。當(dāng)M11焊接至6～8 mm時(shí)，可以進(jìn)行一次射線檢驗(yàn)，然后再焊接至壁厚的70%～80%時(shí)，收縮也趨向穩(wěn)定，再將幾個(gè)焊口的剩余焊道焊完。同樣，因M12和M19焊口的橫向收縮方向一致，可先不焊接它們，先將M12焊口點(diǎn)固，焊接M15，此處直段長(zhǎng)度不是設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，還應(yīng)加上M15的收縮量。當(dāng)M15焊接至6～8 mm時(shí)進(jìn)行射線檢驗(yàn)，再焊接至壁厚的70%～80%時(shí)，收縮已穩(wěn)定，且M19焊口剛好達(dá)到對(duì)口要求，這時(shí)同時(shí)焊接M12和M19，因二者收縮方向一致，故不會(huì)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)焊接至6～8 mm時(shí)，進(jìn)行射線檢驗(yàn)，再焊接至壁厚的70%～80%時(shí)，整個(gè)管線中基本無(wú)應(yīng)力，再焊接固定支架S和剩余的焊道。

2.3 變形控制與調(diào)整

在安裝中，難免會(huì)出現(xiàn)管子的直線度、坡度和法蘭的平行度超差，也可以用焊接收縮進(jìn)行調(diào)整。某法蘭不能達(dá)到0.2 mm的平行度的要求，只要將在間隙超差的一側(cè)的部分焊縫挖除，再焊接，焊縫的收縮可以很容易地把法蘭端面拉到要求的程度，如圖7所示。

圖7 變形的處理Fig 7 Control of welding deformation

3 結(jié)論

（1）不銹鋼厚壁管的焊接，焊接工藝評(píng)定，厚壁管在焊口焊至45%～55%的厚度時(shí)，其收縮基本保持不變，因此，對(duì)于厚壁不銹鋼管的焊接變形控制，主要控制前期控制層間溫度，焊接速度等參數(shù)，可大大減小焊接變形。

（2）不銹鋼厚壁管的焊接工藝評(píng)定時(shí)，可采取實(shí)際工況（主要是實(shí)際尺寸），焊接產(chǎn)品焊接見證件，進(jìn)行焊接收縮量的測(cè)量，從而為管道的精確組對(duì)做好參考值，便于實(shí)際的操作，減小組對(duì)難度。

（3）不銹鋼厚壁管道的焊接應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和工藝進(jìn)行。在安裝中遵守先焊長(zhǎng)段和焊口焊接順序，預(yù)留一定的收縮量和組對(duì)間隙，可保證管道的整體長(zhǎng)度滿足圖紙的要求。

（4）在控制管道焊口的變形時(shí)，可采取在該變形的對(duì)面焊縫處進(jìn)行局部挖補(bǔ)、補(bǔ)焊，可矯正管子的直線度、坡度和法蘭的平行度超差質(zhì)量問題。