黃嵐，陳興東

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

核核電電管管系系的的焊焊接接自自動(dòng)動(dòng)化化研研究究

黃嵐，陳興東

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

核電再熱管及輔助管系為公司重要生產(chǎn)部件，焊接量大，形狀復(fù)雜，現(xiàn)多采用手工氬弧焊打底、半自動(dòng)氣保焊填充方法焊接，生產(chǎn)效率低、焊接質(zhì)量不高，文章通過(guò)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，提出各自適合于再熱管及輔助管系適合的自動(dòng)焊方法，逐步實(shí)施，效果顯著。

核電管系，焊接，自動(dòng)化

0 引言

隨著核電生產(chǎn)任務(wù)的日益加重，管系產(chǎn)量加大，管道焊接量成倍增長(zhǎng)，隨著管道口徑的增大、焊接時(shí)間的增加，管道焊接工程向著高質(zhì)量、高效率的自動(dòng)化方向發(fā)展。

核電管系、汽輪機(jī)套裝油管路、燃機(jī)BOP有著大量的管道焊接，其結(jié)構(gòu)大多為直管與彎頭等管件的焊接，焊后需進(jìn)行RT、PT等無(wú)損檢驗(yàn)，對(duì)內(nèi)部成型、清潔度等要求極高，為了提高生產(chǎn)效率、提高RT一次合格率，最大限度地提高焊接自動(dòng)化變得尤為重要。

公司2010年在焊接自動(dòng)化開(kāi)了個(gè)好頭，再熱管縱、環(huán)縫埋弧焊成功應(yīng)用，大大提高了RT一次合格率，緩解了生產(chǎn)瓶頸；GSS厚壁管的管管自動(dòng)焊投用，解決了耐熱鋼厚壁管的焊接問(wèn)題，管道焊接自動(dòng)化已取得了初步成效。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

1.1 再熱管

核電再熱管管道（見(jiàn)圖1）直徑較大（φ1 219～φ1 422），由δ14 mm厚鋼板卷制成筒體，焊接后再與彎頭等焊接而成，焊接量大 （其結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1），總計(jì)再熱管主焊縫長(zhǎng)度約844 m；其中埋弧焊焊接工作量約為352 m；手工半自動(dòng)焊接量約490 m；現(xiàn)縱縫已100%采用埋弧焊方法，環(huán)縫約50%采用埋弧焊方法，受結(jié)構(gòu)限制，彎頭與筒體對(duì)接處及水壓試驗(yàn)焊縫只能采用半自動(dòng)焊方法。

圖1 核電再熱管

表1 再熱管結(jié)構(gòu) （以紅沿河3#為例）

1.2 核電輔助管系

核電輔助管系 （見(jiàn)圖2）的工作量以GSS管道為首，而GSS管道材料以耐熱鋼為主，其中管道1、2、3厚壁管較多，焊接量大 （見(jiàn)表2）；另ASME要求:壁厚＞19 mm的管道應(yīng)進(jìn)行100%RT探傷，對(duì)焊縫質(zhì)量要求高，目前對(duì)壁厚＜10 mm、直徑較小的管道多采用全氬弧焊方法焊接，對(duì)＞10 mm的管道采用氬弧焊打底+氣體保護(hù)焊填充方法，其中可以上轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)位的采用管管自動(dòng)焊或管道旋轉(zhuǎn)+雙脈沖氣體保護(hù)焊方法進(jìn)行焊接，約占總焊縫的2/3，近期，在紅沿河1#GSS的生產(chǎn)中，經(jīng)過(guò)工段的合理安排及施工人員的精心操作，焊接質(zhì)量與效率有了較大突破，前景喜人。

圖2 核電輔助管系

表2 GSS結(jié)構(gòu) （以紅沿河3#為例）

2 管道自動(dòng)焊思路

核電再熱管及輔助管系均為不規(guī)則曲面，注定無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化焊接，從2010年的埋弧焊及管管自動(dòng)焊投入的初步嘗試中認(rèn)識(shí)到:焊接自動(dòng)化是提高效率及焊縫質(zhì)量的主要途徑，要突破管道生產(chǎn)瓶頸，提高焊接自動(dòng)化率是管道焊接的主要工作。

2.1 再熱管焊縫的全埋弧焊焊接

在2010年進(jìn)行的埋弧焊工藝試驗(yàn)中，已經(jīng)完成了碳鋼、不銹鋼的全埋弧焊焊接工藝評(píng)定及焊工取證工作，只是在實(shí)施時(shí)還是先采用了氬弧焊打底+埋弧焊填充的方法，待操作者對(duì)埋弧焊的特性掌握并能熟練應(yīng)用后再推行全埋弧焊焊接。在2011年2季度開(kāi)始試用，若能全面應(yīng)用，較氬弧焊打底效率可提高3～5倍。

目前石化及壓力容器行業(yè)，厚度小于20 mm的筒體拼接焊縫大量采用雙面埋弧焊焊接，效率高、質(zhì)量穩(wěn)定。雙面埋弧焊 （其坡口示意圖見(jiàn)圖3）就是在焊道正反面均使用埋弧焊焊接、利用電弧強(qiáng)大的熱能量和焊接熔深將母材熔化并結(jié)合焊材對(duì)焊縫進(jìn)行填充、焊接過(guò)程不需要開(kāi)焊接坡口、不需要清根的一種埋弧焊焊接方法。 其利用了母材高溫自熔的原理，大大減少了焊材填充及焊接熱循環(huán)次數(shù)，熱影響區(qū)更小。

圖3 雙面埋弧焊坡口示意圖

碳鋼、不銹鋼雙面埋弧焊工藝按ASMEⅨ進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，均一次性通過(guò)。其中不銹鋼采用了φ3.2mm焊絲焊接，焊接線能量控制在20 kJ/cm以?xún)?nèi)，拉伸、彎曲、晶間腐蝕等性能數(shù)據(jù)均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。圖4、圖5為金相檢測(cè)照片。

圖4 00Cr18Ni10N不銹鋼雙面埋弧焊HV測(cè)試結(jié)果

圖5 00Cr18Ni10N不銹鋼雙面埋弧焊焊縫金相組織（奧氏體+7%δ鐵素體）

雙面埋弧焊因不開(kāi)坡口，焊縫中心狹窄，為了保證焊絲對(duì)中性，防止焊偏，對(duì)埋弧焊設(shè)備進(jìn)行了改造，縮小了機(jī)頭高度、增加了臂長(zhǎng)、增加了紅外線跟蹤系統(tǒng)及攝像頭觀察裝置，焊接時(shí)在顯示器上根據(jù)紅外線點(diǎn)調(diào)整焊絲對(duì)中，保證焊接不偏心，從而保證焊接質(zhì)量。

再熱管采用雙面埋弧焊的優(yōu)點(diǎn)如下:

·不開(kāi)坡口，刨邊費(fèi)用可全部節(jié)省，節(jié)約刨邊工時(shí)約1 200 h；

·節(jié)約氬弧焊打底工時(shí)約500 h，清根及打磨工時(shí)節(jié)省約200 h；

·焊材使用減少約1/3，約100 kg，氬氣節(jié)省約200瓶；

·生產(chǎn)效率提高約50%，同時(shí)顯著縮減了轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用，提高了RT合格率。

·合計(jì)每臺(tái)份節(jié)省費(fèi)用約60萬(wàn)元。

目前正在推廣應(yīng)用，效果良好。

2.2 再熱管全位置自動(dòng)/半自動(dòng)焊接工作站

除可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊外，還有58條約200m彎頭與筒體間的環(huán)焊縫因工件無(wú)法旋轉(zhuǎn)而采用氬弧焊打底+半自動(dòng)焊方法焊接，但手工焊效率低、質(zhì)量差，RT一次合格率不理想。

本方案為筒體裝配定位焊后，采用STT管道+全位置半自動(dòng)氣體保護(hù)焊，在工件上安裝軌道，使半自動(dòng)氣體保護(hù)焊機(jī)頭沿軌道運(yùn)行而實(shí)現(xiàn)全位置自動(dòng)焊接 （其自動(dòng)焊示意圖見(jiàn)圖6）。 此方案亦可用于φ≥300的輔助管系的全位置焊接。

圖6 全位置旋轉(zhuǎn)自動(dòng)焊示意圖

此方法受筒體卷制精度的影響，運(yùn)行軌跡受到影響，已有多家焊接設(shè)備制造商生產(chǎn)類(lèi)似產(chǎn)品，如華恒、威奧等。

STT型CO2焊接技術(shù)基于短路液橋表面張力過(guò)渡 （Surface-tension-transfer）的理論，Linco In電器公司利用逆變焊機(jī)的高速可控性,采用波形控制技術(shù)研制了STT型CO2半自動(dòng)焊機(jī)。該焊機(jī)工作于短路過(guò)渡方式,電源在一個(gè)過(guò)渡周期內(nèi)根據(jù)不同電弧電壓值 （電弧狀態(tài)）輸出不同的焊接電流（見(jiàn)圖7）。t0～t1是短路前燃弧期,輸出基值電流50～100 A，其作用是保證電弧燃燒和提供熔滴長(zhǎng)大的能量。t1～t2是短路前期,輸出電流為10 A；t3～t5是頸縮后期 (熔滴和焊絲分離之前)，輸出電流低于50 A。在這兩個(gè)階段要使電流減小，避免液橋爆斷引起飛濺，同時(shí)控制燃弧能量，改善焊縫成形。在t5時(shí)刻焊絲同熔池分離，電源立即輸出大電流，保證順利引??；電弧引燃后，電流逐漸減小，在t7時(shí)刻回到基值電流。

圖7 STT型電源的電壓、電流波形

STT的主要優(yōu)點(diǎn):①焊接過(guò)程穩(wěn)定 （干伸長(zhǎng)度變化影響小），顯著地降低了飛濺，減輕了焊工的工作強(qiáng)度；②焊縫成形美觀，電弧產(chǎn)生的輻射和煙霧較少；③可降低小尺寸工件的熱輸入量；④采用向下焊接，對(duì)焊工操作技能要求不高，產(chǎn)品合格率高，容錯(cuò)性高，再熱管坡口錯(cuò)邊、有一定橢圓度的筒體打底焊效果良好，其優(yōu)異的性能大大拓寬了CO2半自動(dòng)焊的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.3 輔助管系自動(dòng)焊工作站

管道的全位置焊接中其仰焊位、下坡焊位、立向上焊等位置焊接質(zhì)量不易保證，盡量避免上述焊位，使工件旋轉(zhuǎn)施焊，哪怕是≤180°范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，亦能大大降低操作難度，提高焊縫質(zhì)量。從紅沿河1#GSS施焊中已證實(shí)了這一點(diǎn)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，約3/4的核電輔助管系的焊縫 （管件+直管）裝配后可以旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，采用了工件夾持于卡盤(pán)上旋轉(zhuǎn)，在3點(diǎn)鐘位置施焊，焊接設(shè)備采用Mellier脈沖焊機(jī)，取得了良好的效果，其RT一次合格率穩(wěn)定在95%以上，生產(chǎn)效率提高1倍。

旋轉(zhuǎn)動(dòng)力頭采用的是卡盤(pán)式動(dòng)力頭，將鋼管穿入其中，將工件旋轉(zhuǎn)起來(lái)，且可以變位，方便直管與法蘭角焊縫焊接，在平焊位置焊接，減小焊接難度，提高焊接質(zhì)量。氣保焊焊接工作站配備無(wú)線數(shù)控焊接工作站控制系統(tǒng)、焊接擺動(dòng)器、輕型焊接操作架、變位機(jī) （滾輪架），通過(guò)控制軟件實(shí)現(xiàn)模仿熟練焊工的焊接手法，以滿(mǎn)足各種焊接位置和焊縫形式。

圖8 輔助管系自動(dòng)焊工作站

輔助管系自動(dòng)焊工作站 （見(jiàn)圖8）配備GTAW及GMAW兩種焊接方法，前者用于打底焊，后者用于填率、蓋面，焊槍切換方便、快捷，設(shè)置專(zhuān)家焊接參數(shù)，減少人為影響，保證焊接質(zhì)量，效率將提高50%以上。

2.4 厚壁管的自動(dòng)埋弧焊

GSS管系中，壁厚≥10 mm的焊縫總長(zhǎng)約400 m，焊材總量約700 kg，焊接量巨大，大多數(shù)直徑≥273 mm，公司在再熱管焊縫中埋弧自動(dòng)焊應(yīng)用成功，現(xiàn)已取得一定經(jīng)驗(yàn)，若在上述厚壁管氬弧焊打底后使用埋弧焊 （可360°旋轉(zhuǎn)部分焊縫），生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量將會(huì)有質(zhì)的飛躍。

針對(duì)GSS厚壁管的材料，可以先進(jìn)行各材料的焊接工藝評(píng)定，作好前期技術(shù)準(zhǔn)備，現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力頭再配備埋弧焊機(jī)即可完成GSS厚壁管的埋弧自動(dòng)焊。

3 結(jié)論

國(guó)內(nèi)石化行業(yè)在管道自動(dòng)焊方面發(fā)展較好，自動(dòng)化率達(dá)到80%以上，甚至馬鞍型焊縫亦可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，應(yīng)借鑒其先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，逐步引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，不斷提高管道焊接的自動(dòng)化率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，爭(zhēng)取管道焊接自動(dòng)化率提高至60%以上。

Study on Welding Automation of Nuclear Power Pipelines

Huang Lan，Chen Xingdong
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Nuclear power reheating pipelines and auxiliary pipelines which possess comp lex shapes and need a lot of welding me tals are important products for the company.At present,the backing weld usemanual argon arc welding process,and the filling weld use semi-automatic gas shielded arc weldingmethod.But these welding processes are low productivity,and the weld quality is not stable enough.Analyzing characteristics of the product structure,this paper proposes and implementes the suitable welding process for the reheating pipeline and auxiliary pipeline,and the effect is significant.

nuclear power pipelines,welding,automation

TG44

：B

：1674-9987（2014）01-0031-05

黃嵐 （1965-），女，大專(zhuān)，副主任工程師，畢業(yè)于四川工程技術(shù)學(xué)院焊接專(zhuān)業(yè)，主要從事特種焊接技術(shù)與工藝方面的研究工作。