林金平，吳崇志

(國核工程有限公司 海陽SPMO，山東 海陽 265116)

窄間隙焊技術(shù)在核電建設(shè)中的應(yīng)用

林金平，吳崇志

(國核工程有限公司 海陽SPMO，山東 海陽 265116)

窄間隙焊接是將常規(guī)的焊接工藝與窄間隙坡口結(jié)合在一起，通過專門的裝置和控制技術(shù)而集成的一種新型焊接技術(shù)。介紹了常用的窄間隙焊接技術(shù)的優(yōu)劣和應(yīng)用現(xiàn)狀，重點介紹了窄間隙焊接技術(shù)在核電站焊接上的應(yīng)用，主要包括壓力容器、核電站主設(shè)備和核電站主管道的焊接。展望了窄間隙焊技術(shù)在核電站建設(shè)中應(yīng)用的前景和發(fā)展趨勢，尤其是窄間隙焊機(jī)的國產(chǎn)化方案。

窄間隙焊接；核電站；主設(shè)備；主管道；焊機(jī)

0 前言

自1963年12月美國巴特萊研究所首次研究出窄間隙焊接方法以來，研究人員對該技術(shù)產(chǎn)生了很大的興趣，并進(jìn)行了大量的研究工作[1]。1983年，VY馬林整理出了窄間隙焊接的主要特征，窄間隙焊接是利用現(xiàn)有的弧焊方法，采用I形或 U形坡口，進(jìn)行每層1～2道的多層焊接方法。日本壓力容器研究委員會施工分會第八專門委員會曾審議了窄間隙焊接的定義，并做出了如下規(guī)定：窄間隙焊接是將厚度30 mm以上的鋼板，按小于板厚間隙的相對位置開坡口，再進(jìn)行機(jī)械化或自動化弧焊的方法(板厚小于200 mm，間隙小于20 mm；板厚超過200 mm，間隙小于30 mm)。窄間隙焊接與傳統(tǒng)的焊接方法相比，其主要優(yōu)點是：(1)焊接截面積大幅度減少(減少50%～80%)，焊接效率提高，節(jié)省焊材；(2)熱輸入相對減少，冷卻速度較快，接頭殘余應(yīng)力、殘余變形明顯減少，熱影響區(qū)小，接頭力學(xué)性能提高。

因此，窄間隙焊接廣泛應(yīng)用于厚板焊接，日本焊接界甚至將窄間隙焊和激光焊并稱為21世紀(jì)最適合厚板焊接的方法[2]。但窄間隙焊也有缺點，如圖1a所示，其最主要的是未焊透，因此采用各種方法來使兩側(cè)壁完全熔化(見圖1b)。

圖1 焊道斷面簡圖

1 窄間隙焊接技術(shù)的分類和原理

窄間隙焊接技術(shù)按其工藝可分為：窄間隙埋弧焊(NG-SAW)、窄間隙鎢極氬弧焊(NG-GTAW)、窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊(NG-GMAW)、窄間隙焊條電弧焊、窄間隙電渣焊、窄間隙激光焊[3]。每種焊接方法都有各自的特點和范圍，根據(jù)各自特點又可分為若干小類。

1.1 窄間隙埋弧焊(NG-SAW)

NG-SAW焊絲導(dǎo)電長度短，電流密度高，電弧的熔深能力和熔敷效率都將提高；同時，由于焊劑和熔渣的隔熱作用，電弧的熱輻射散失少，熱效率高，焊縫質(zhì)量優(yōu)良，主要應(yīng)用于低合金鋼厚壁容器和其他重型焊接結(jié)構(gòu)。窄間隙埋弧焊接頭具有較高的抗延遲冷裂能力，強(qiáng)度性能和沖擊韌性優(yōu)于傳統(tǒng)寬坡口埋弧焊接頭。與傳統(tǒng)埋弧焊相比，效率提高50%～80%，節(jié)約焊絲38%～50%，焊劑56%～64.7%。由于窄間隙埋弧焊是依靠顆粒狀焊劑堆積形成的保護(hù)條件，所以主要用于水平面焊縫的焊接。加之窄間隙焊接的焊縫坡口窄，尤其是在厚板的底層焊接時，焊渣不易脫落，需要焊劑具有良好的脫渣性。

隨著填充金屬、焊劑等取得的發(fā)展，在焊接碳鋼+低合金鋼和高合金鋼時采用的焊絲直徑為2～5 mm，很少使用直徑小于2 mm的焊絲。最佳焊絲直徑為φ 3mm，直徑φ 4mm焊絲主要用于厚度大于140mm的鋼板，直徑φ 5mm焊絲主要用于厚度大于670mm的鋼板。

現(xiàn)階段各種窄間隙施工技術(shù)：(1)采用直徑φ 1.2～1.6 mm的細(xì)焊絲擺動焊接厚400 mm以上的壓力容器，第一、第二層使用TIG焊接，其他各層采用直徑1.6mm細(xì)絲進(jìn)行單面埋弧焊接。(2)采用直徑3.2 mm焊絲雙絲埋弧焊焊接壓力容器。(3)林尚揚院士研制的HSS-2500型雙絲窄間隙埋弧焊機(jī)(焊絲直徑3mm)已成功地焊接了大型高壓容器(如鍋爐、化工容器、核反應(yīng)堆、熱交換器、水壓機(jī)、儲熱器、水輪機(jī)、采油平臺樁腿、厚板結(jié)構(gòu)等)，該設(shè)備既可焊接環(huán)縫，又可焊接縱縫。目前，太原重機(jī)廠和哈爾濱鍋爐廠都成功地應(yīng)用了該技術(shù)，并取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。(4)也有采用埋弧焊與氣體保護(hù)焊聯(lián)合焊接橋梁桁架弦材不完全焊透接頭(J形坡口)的窄間隙焊接技術(shù)應(yīng)用實例[4]。

在工業(yè)生產(chǎn)中比較成熟的窄間隙埋弧焊技術(shù)有以下幾種：(1)NSA技術(shù)。由日本川崎制鋼公司為碳鋼和低碳鋼壓力容器、海上鉆井平臺和機(jī)器制造而開發(fā)的NG-SAW。(2)Subnap技術(shù)。由日本鋼鐵焊接產(chǎn)品工程公司為碳鋼和低合金鋼開發(fā)。(3)ESAB技術(shù)。由瑞典NG-SAW設(shè)備和焊接材料制造廠家ESAB為壓力容器和大型結(jié)構(gòu)件的碳鋼和低合金鋼焊接而開發(fā)。(4)Ansaldo技術(shù)。由意大利米蘭Ansaldo T P A Bred鍋爐廠為NG-SAW設(shè)備制造商和用戶開發(fā)。采用固定彎曲單焊絲，每層熔敷多焊道。(5)MAN-GHH技術(shù)。由德國MAN-GHH Sterkrade為核反應(yīng)堆室內(nèi)部件制造而開發(fā)，采用單焊絲雙焊道[5]。

1.2 窄間隙鎢極氬弧焊(NG-GTAW)

NG-GTAW基本不產(chǎn)生飛濺和熔渣，克服了普通GTAW焊接效率低的問題，同時電弧穩(wěn)定，很少產(chǎn)生焊接缺陷。NG-GTAW可以實現(xiàn)薄板焊接、壓力水管的全位置焊接，接頭質(zhì)量好，焊道成形美觀。NGGTAW方法中，既在送進(jìn)的焊絲中通入直流電，產(chǎn)生的磁場偏向焊接前進(jìn)方向的焊接方法，也有采用低頻脈沖電流窄間隙熱絲TIG焊或橫焊的焊接方法。為了防止引起磁偏吹，研制了周期性增減電弧電流，在電弧電流減少之瞬間填絲通電的焊接方法。

超高強(qiáng)鋼的使用促進(jìn)了NG-GTAW焊接技術(shù)的應(yīng)用，通常NG-GTAW焊是焊接質(zhì)量較可靠的焊接工藝之一。有氬氣的保護(hù)作用，NG-GTAW焊可用于焊接易氧化的非鐵金屬及其合金、不銹鋼、高溫合金、鈦及鈦合金以及難熔的活性金屬(如鉬、鈮、鋯)等，其接頭韌性好，焊縫金屬含氫量低，但鎢極的載流能力低，熔敷速度不高，應(yīng)用領(lǐng)域狹窄，一般用于打底焊和重要的結(jié)構(gòu)焊接。

1.3 窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊NG-GMAW

NG-GMAW是采用特殊的彎曲結(jié)構(gòu)使焊絲保持彎曲，從而解決坡口側(cè)壁的熔透問題，是利用電弧擺動來達(dá)到焊接鋼板兩側(cè)壁的一種方法。

在平焊方法中，為了使I形坡口的兩邊充分焊透，使電弧指向坡口兩側(cè)壁，采用了各種方法：(1)焊絲進(jìn)入坡口前，使焊絲彎曲；(2)使焊絲在垂直于焊接方向上擺動；(3)采用麻花狀絞絲方法；(4)藥芯焊絲的交流弧焊方法；(5)采用大直徑實心焊絲的交流弧焊方法；(6)采用φ(Ar)30%+φ(CO2)70%作為保護(hù)氣體與直徑φ 1.6mm實心焊絲相配合的氣體保護(hù)焊方法，用于焊接特殊形狀復(fù)雜的接頭。在橫焊方法中，為了防止I形坡口內(nèi)熔融金屬下淌，以便得到均勻的焊道，提出了如下焊接方法：a.利用焊接電流周期性變化，使焊絲擺動或?qū)⑵驴诜殖缮舷聦拥暮附臃椒?；b.將各種方式組合起來的焊接方法。在立焊窄間隙MAG焊接方法中，為了保證坡口兩側(cè)焊透，研制了擺動焊絲的焊接方法以及焊接電流與焊絲擺動同步變化的焊接方法。

為解決側(cè)壁熔合，改善焊縫成形，開發(fā)了許多窄間隙GMAW應(yīng)用形式。窄間隙GMAW按照焊絲數(shù)量可分為單絲、雙絲和多絲焊，其中雙絲焊應(yīng)用最多；單絲焊按照電弧形式可以分為擺動電弧、旋轉(zhuǎn)電弧和不擺動焊弧三種。近年來，又開發(fā)出了間隙5 mm以下的超窄間隙焊。

目前應(yīng)用較為成熟的NG-GMAW技術(shù)是由美國林肯公司研制出的表面張力過渡技術(shù)，具有飛濺率低、熔滴呈軸向過渡、焊接煙塵少、作業(yè)環(huán)境舒適、低熱輸入條件下熔合優(yōu)良、良好的打底焊道全位置單面焊雙面成形能力、操作容易、效率高等優(yōu)勢。

2 窄間隙焊接技術(shù)在核電設(shè)備中的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，窄間隙焊已廣泛應(yīng)用于核電建設(shè)中。法國法馬通公司是一個制造核電站部件的重要企業(yè)，主要產(chǎn)品有壓水和沸水反應(yīng)堆、高溫反應(yīng)堆、聚變反應(yīng)堆和快中子增值反應(yīng)堆。應(yīng)用的窄間隙焊接技術(shù)有窄間隙GTAW、雙金屬窄間隙焊接和窄間隙GMAW[6]。

2.1 壓力容器的焊接

對于厚壁壓力容器的焊接，當(dāng)壁厚超過100 mm時，很難繼續(xù)采用常規(guī)的U型或V型坡口的焊接方法，同時材料、能源、勞力和工時都比較浪費。1982年，Horst Cerjak、王肅等人研究了650 mm厚的核反應(yīng)堆壓力殼半圓封頭與封頭凸緣之間的環(huán)縫焊接，采用了窄間隙埋弧焊[7]。

我國第一重型機(jī)械集團(tuán)公司焊接了兩個當(dāng)今世界最大最重的加氫反應(yīng)器，長62 m、外徑5.5 m、壁厚337 mm、質(zhì)量2 050 t，采用我國自行研制的、世界第一個雙絲窄間隙埋弧焊技術(shù)(發(fā)明專利)，由兩套雙絲窄間隙埋弧焊設(shè)備焊接了28條環(huán)焊縫，每條焊縫需要連續(xù)不停地焊接5天4夜，焊縫一次探傷全部合格[8]。

2.2 核島一回路主設(shè)備焊接

壓水堆核電站核島一回路主設(shè)備屬于厚壁(120～250 mm)大型設(shè)備，焊接質(zhì)量要求高，采用常規(guī)焊接方法很難得到高質(zhì)量的焊接接頭。壓水堆核電站一回路主設(shè)備制造中廣泛采用NG-SAW和NG-GTAW技術(shù)。東方鍋爐廠和上海鍋爐廠在制作壓水堆核電站核島主設(shè)備中大量采用了窄間隙焊接技術(shù)[9-10]。

上海鍋爐廠承擔(dān)的秦山二期反應(yīng)堆壓力容器RV的主環(huán)焊縫，因直徑大、壁厚厚(205 mm)，所以采用了焊接效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定的窄間隙埋弧自動焊。主環(huán)縫坡口如圖2所示。

圖2 主環(huán)縫坡口形式示意

出入水接管與接管段筒身馬鞍形環(huán)縫也采用了窄間隙埋弧焊(NG-SAW)。馬鞍形出口接管外徑1 430mm，筒體內(nèi)徑3740mm，接管采用插入式結(jié)構(gòu)埋弧自動焊，根部采用I形帶襯墊的坡口形式，如圖3所示。接管-安全端異種金屬鎳基合金焊接，主要采用了加填充焊絲的窄坡口脈沖鎢極氬弧焊，坡口示意如圖4所示。

圖3 接管馬鞍形焊縫坡口形式結(jié)構(gòu)

圖4 異種鋼窄間隙熱絲TIG焊坡口示意

2.3 核島主管道窄間隙自動化焊接應(yīng)用

核電站主回路管道是核能轉(zhuǎn)換中的主載熱劑管道，被認(rèn)為是核電站運行的大動脈。主回路管道要承受相當(dāng)高的溫度和壓力，且工作介質(zhì)具有強(qiáng)烈的放射性和一定的腐蝕性。因此，主回路管道一般都設(shè)計成鉻-鎳奧氏體不銹鋼(312型或316型)制的大型厚壁管道。

核電站主回路管道焊接特點：(1)核電站主回路管道的焊接工作量大，施工難度大，需要各個工種的密切配合。(2)核電站主回路管道具有直徑大、壁厚厚、拘束度強(qiáng)的特點，焊接接頭產(chǎn)生變形的傾向較大，且主設(shè)備位置相對固定，對中精度要求高。核電站中主回路管道的測量和組對要求精度很高，尤其要注意調(diào)整管段的測量和加工。同時還要考慮焊縫收縮量的影響，必須通過合理的焊接工藝順序和采用有效的控變形措施，以控制焊接變形，減小焊接應(yīng)力。

壓水堆核電站主回路管道屬于超低碳奧氏體不銹鋼大厚壁管道，在高溫、高輻射的環(huán)境下服役，焊接質(zhì)量要求非常高。目前我國核電站主回路管道焊接采用寬坡口焊條電弧焊工藝，焊接一道焊口需要兩名高級焊工焊接一個月，焊接周期長、效率低、勞動強(qiáng)度高。為了縮短焊接時間，提高焊接質(zhì)量和效率，核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司通過引進(jìn)先進(jìn)的焊接設(shè)備，開展了一系列焊接工藝試驗，確定了窄間隙坡口型式和與之配套的焊接工藝參數(shù)，并按照RCC-M標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了焊接工藝評定，評定結(jié)果全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，壓水堆核電站主回路管道采用窄間隙自動焊工藝是可行的，且具有顯著優(yōu)勢[10]。

唐識[12]通過研究主管道窄間隙脈沖TIG自動焊工藝，主管道窄間隙全TIG自動焊與焊條電弧焊的比較如表1所示。通過大量的工藝試驗和焊接工藝評定的試驗，說明窄間隙脈沖TIG自動焊工藝是成熟的、焊接變形是可控制的，采用該焊接工藝焊接的產(chǎn)品質(zhì)量是可靠的，該焊接工藝可以應(yīng)用于核電站主回路管道的焊接。

表1 焊條電弧焊與TIG自動焊對比

劉瓊[13]比較了AP1000主管道窄間隙鎢極氬弧焊(NG-GTAW)與秦山核電二期傳統(tǒng)焊接差別，分析了AP1000主管道窄間隙自動化焊接的可行性和優(yōu)越性。目前，核電建設(shè)部門面臨著大量的電站建設(shè)和安裝任務(wù)，但是主冷卻劑管道等厚壁管依然采用傳統(tǒng)焊接方法，焊接效率低、工作強(qiáng)度大，同時焊縫質(zhì)量也受到諸多不確定因素的影響。采用窄間隙自動化焊接方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工焊工藝，不僅可以減少焊縫填充量、提高效率、縮短工期，還能加強(qiáng)焊縫質(zhì)量、提高安全裕度。但是窄間隙焊接需要的成本很高，每臺Gold Track V型窄間隙焊機(jī)需要人民幣200多萬元，因此需比較兩者的優(yōu)劣，做出合理的選擇。

3 窄間隙焊在核電工程的發(fā)展前景

根據(jù)我國核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，到2020年我國核電總裝機(jī)容量要達(dá)到4 000萬kW，在建1 800萬kW。這意味著在今后的十多年間，平均每年需開工建設(shè)2～3臺百萬千瓦級的核電機(jī)組，全國核電建設(shè)部門將面臨著大量的安裝任務(wù)。

窄間隙焊焊縫具有較好的力學(xué)性能、較低的殘余應(yīng)力與殘余變形、焊接生產(chǎn)率高、生產(chǎn)成本低，使該技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)焊接領(lǐng)域存在著巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的應(yīng)用范圍。從技術(shù)上看，該技術(shù)誘惑力大，但從經(jīng)濟(jì)上看，存在著一個經(jīng)濟(jì)板厚范圍問題，即享有其技術(shù)優(yōu)越性的同時能獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益的板厚范圍。通常板厚越大經(jīng)濟(jì)效益也越大。如果采用窄間隙自動化焊接方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工焊工藝，既可以減少焊縫填充量、提高效率、縮短工期，又可以加強(qiáng)焊縫質(zhì)量、提高安全裕度。

國內(nèi)越來越多的關(guān)于窄間隙焊接技術(shù)的研究開發(fā)，但在超低飛濺率控制技術(shù)和高可靠性的實時跟蹤技術(shù)方面還有待提高。要使窄間隙焊接技術(shù)更成熟、實用，國內(nèi)的科研工作者和生產(chǎn)廠家還需努力，開發(fā)高抗干擾能力、高可靠性、高精度的自動跟蹤技術(shù)，以滿足焊槍在狹窄坡口內(nèi)安全可靠的運行。

據(jù)報道，窄間隙自動焊接工藝在福建寧德核電站1號機(jī)組主管道焊接中正式應(yīng)用，這是中國核電站建設(shè)中首次采用自動焊接技術(shù)。這項技術(shù)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，打破了西方發(fā)達(dá)國家在這一技術(shù)領(lǐng)域中的壟斷優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的焊接工藝相比，窄間隙自動焊接技術(shù)對提高核電站主回路管道的焊接質(zhì)量、優(yōu)化焊接工期、壓縮核電站建造成本將起到非常重要的作用。采用自動焊接工藝后，核島安裝工期縮短30～45天，由此單臺機(jī)組可提前進(jìn)行商業(yè)運營，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價值約2億元。

隨著我國裝備制造實力的增強(qiáng)，窄間隙焊接技術(shù)必將越來越多的應(yīng)用到生產(chǎn)中，新工藝、新設(shè)備將為窄間隙技術(shù)提供支持。在核電事業(yè)中，我國自行研制的、具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)備也越來越多進(jìn)入核電這個高質(zhì)量要求的行業(yè)中，效率更高，質(zhì)量更好、成本更低、可靠性更高、實用化強(qiáng)的窄間隙焊接技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，推進(jìn)我國核電事業(yè)的發(fā)展。

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Research on the narrow gap welding in the nuclear power plant construction

LIN Jin-ping，WU Chong-zhi
(State Nuclear Power Engineering Company，Haiyang SPMO，Haiyang 265116，China)

Narrow gap welding is a new welding technology，in which unusual welding technique and narrow gap are integrated with the special equipment and control technology.This paper mainly introduces the narrow interval welding technology used the fit and unfit quality and application situation，focusing on the narrow gap welding technology in nuclear power plant application，mainly including pressure container，nuclear power plant equipment and the main loop welding.Meanwhile，in the paper，we analyzes the prospect and development trend on narrow welding technology in nuclear power plant construction，especially for narrow gap welding machine localization program.

narrow gap welding；nuclear power plant；main equipment；main loop pipe；welding machine

TG441.3

B

1001-2303(2011)09-0016-05

2011-03-30

林金平(1985—)，男，湖北宜昌人，焊接工程師，碩士，主要從事核電站建設(shè)中焊接技術(shù)研究工作。