蘭學(xué)文，周少麗

（山東核電有限公司，山東 煙臺(tái)265116）

海陽(yáng)核電AP1000鋼制安全殼容器（簡(jiǎn)稱CV)屬于核2級(jí)設(shè)備，是隔離安全殼內(nèi)、外部環(huán)境的邊界，在事故狀態(tài)下起到限制裂變產(chǎn)物釋放的作用，并且為安全殼冷卻系統(tǒng)提供換熱面，構(gòu)成安全相關(guān)最終熱阱，執(zhí)行非常重要的安全功能，采用SA738-Gr.B材料，總重量約3400 t，直徑39.624 m，高度65.634 m，由底封頭、筒體1環(huán)、筒體2環(huán)、筒體3環(huán)、筒體4環(huán)和頂封頭6大模塊組成，整體示意圖如圖1所示。整個(gè)安全殼由260塊弧形鋼板組焊而成，弧形鋼板采用整體模壓一次成型壓制技術(shù)。CV設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行ASME第三卷第一冊(cè)NE分卷。

圖1 AP1000鋼制安全殼整體示意圖Fig.1 General sketch of AP1000 containment vessel

C V底封頭和頂封頭重約575 t（不考慮附件重量），由64塊不同規(guī)格的弧形鋼板組成，對(duì)接焊縫的長(zhǎng)度約697 m?；⌒武摪宓暮穸葹?1.3 mm，其典型特征是大尺寸、多曲率、高精度，這給焊接變形的控制帶來(lái)極大的難度。

筒體板直徑為39624 mm，總高為42735 mm。由11圈鋼板組成，每圈12塊鋼板，第1圈鋼板厚度為47.6 mm，板材高為（3905.1±1）mm，其余各圈鋼板厚度均為44.5 m m，板材高為（3883±1）mm。筒體共分為4環(huán)進(jìn)行組裝，每一環(huán)的每一圈板的組裝順序都是邊組裝邊焊接，即相鄰兩張板組對(duì)后即可開(kāi)始縱縫的焊接，以此組對(duì)焊接每一環(huán)的每一圈板，相鄰兩圈板縱縫焊完后，焊接相鄰兩圈板的環(huán)縫，每一環(huán)組裝焊完后在核島進(jìn)行相互間組對(duì)，這也需要做好焊接變形的控制。

1 AP1000鋼制安全殼組裝設(shè)計(jì)要求及控制難點(diǎn)

1.1 技術(shù)規(guī)格書(shū)[1]要求

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)，對(duì)焊接質(zhì)量要求如表1所示。對(duì)CV各模塊的測(cè)量要求如表2所示。

1.2 鋼制安全殼焊接質(zhì)量控制難點(diǎn)

根據(jù)ASME[2]Ⅸ材料分組（QW-420）可知，SA738Gr.B屬于P-NO.1組號(hào)3，最小抗拉強(qiáng)度為85 ksi（約585 MPa），焊接這種低合金鋼時(shí)，淬硬、冷裂傾向較大，必須做好焊前預(yù)熱，以防止裂紋出現(xiàn)。

表1 技術(shù)規(guī)格書(shū)對(duì)封頭和筒體的焊接質(zhì)量要求Table1 Welding quality requirements of the specification for the top/bottom heads and cylinders

表2 技術(shù)規(guī)格書(shū)對(duì)底封頭和筒體的尺寸要求Table2 Requirements of the specification on the size of the bottom head and cylinders

底封頭和頂封頭的結(jié)構(gòu)尺寸大，板材厚，是復(fù)雜的焊接殼體結(jié)構(gòu)。各圈的縱縫數(shù)量不同，將導(dǎo)致各圈焊接變形不一致，影響環(huán)縫的組對(duì)和焊接，從而影響底封頭和頂封頭的結(jié)構(gòu)尺寸和焊縫質(zhì)量。縱縫焊接時(shí)，尤其是底封頭2B板，頂封頭2T板的板縱縫多達(dá)32條，焊接收縮量大，變形復(fù)雜，棱角度變形較為嚴(yán)重，對(duì)兩封頭的半徑有較大的影響，是組裝焊接中需要重點(diǎn)考慮的變形因素。環(huán)縫焊接時(shí)，環(huán)縫和縱縫交匯處的“T”型接頭數(shù)量多，容易引起錯(cuò)邊量超差。另外，為了保證底封頭和一環(huán)對(duì)接焊縫以及頂封頭與四環(huán)對(duì)接焊縫的順利完成，兩封頭的上下口水平度和棱角度的控制也是焊接過(guò)程中需要關(guān)注的重點(diǎn)。

筒體板在縱縫焊接時(shí)容易產(chǎn)生棱角度變形，對(duì)筒體的垂直度產(chǎn)生影響，筒體板在組裝焊接過(guò)程中縱縫與環(huán)縫交叉的“T”型接頭處，錯(cuò)邊量控制較為困難，很難調(diào)整到設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)對(duì)環(huán)縫錯(cuò)邊量的要求。同時(shí)，每環(huán)筒體對(duì)接環(huán)縫的上下口周長(zhǎng)也需要嚴(yán)格控制。

底封頭與筒體一環(huán)的對(duì)接環(huán)縫是筒體組裝焊接過(guò)程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)底封頭上口水平度、底封頭上口和筒體一環(huán)下口的周長(zhǎng)、筒體一環(huán)上口水平度都有很高的要求。尤其是底封頭板材厚度為41.3 mm，與筒體一環(huán)47.6 mm的厚度相差較大，給整體環(huán)縫的控制帶來(lái)很大的困難。另外，由于底封頭2B板縱縫和筒體一環(huán)第一圈板縱縫均會(huì)有不同程度的棱角度變形，加大了兩者的組對(duì)難度和控制難度，且底封頭第四圈板有32條縱縫，使得組對(duì)時(shí)“T”型接頭較多，局部錯(cuò)邊量的控制也是組對(duì)的難點(diǎn)。

1.3 AP1000鋼制安全殼焊接變形控制措施

1.3.1 組對(duì)間隙控制

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求焊縫組對(duì)間隙在5 mm以下可以直接進(jìn)行焊接，但是間隙越大，需要填充的熔敷金屬越多，相應(yīng)的熱輸入就越大，間隙過(guò)小則不容易焊透，因此，在實(shí)際焊接過(guò)程中，嚴(yán)格控制組對(duì)間隙在3 mm左右，以達(dá)到控制焊接變形的目的[3]。

1.3.2 焊前預(yù)熱控制

由于鋼制安全殼板材材質(zhì)為SA738 Gr.B，屬于低合金鋼，淬硬、冷裂傾向較大，為了減小接頭焊后的冷卻速度，減小焊接應(yīng)力與變形和避免產(chǎn)生淬硬組織，在焊接前必須進(jìn)行預(yù)熱。在實(shí)際過(guò)程中，盡量采用電加熱片預(yù)熱方式，使焊接質(zhì)量得到更好保證。

根據(jù)西屋技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求，預(yù)熱溫度不得低于93 ℃，考慮到環(huán)境溫度的影響，海陽(yáng)核電現(xiàn)場(chǎng)要求預(yù)熱溫度控制在100～200 ℃，且層間溫度要高于預(yù)熱溫度同時(shí)低于200 ℃。在焊接過(guò)程中，指派專人利用紅外線測(cè)溫儀對(duì)預(yù)熱溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不滿足溫度要求不得進(jìn)行焊接作業(yè)。

1.3.3 焊接熱輸入控制

根據(jù)焊接工藝規(guī)程(WPS)的要求，在焊接過(guò)程中，保證焊接電流的穩(wěn)定性，確保線能量輸入不超過(guò)規(guī)定值，以防止由于局部熱輸入過(guò)大造成局部變形。

控制熱輸入的方法還有選用不同直徑規(guī)格的焊條進(jìn)行不同位置的焊接，在定位焊以及打底焊時(shí)選用φ3.2 mm的焊條，而在填充焊時(shí)選用較大的φ4.0 mm的焊條進(jìn)行焊接。因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，變形主要產(chǎn)生在定位焊以及打底焊過(guò)程中，選用直徑較小的焊接有利于減小熱輸入，控制焊接變形，而在填充焊時(shí)選用直徑較大的焊條對(duì)變形影響已不明顯，主要是為了提高生產(chǎn)效率。

1.3.4 拘束度控制

合理拘束可以有效控制變形，增加拘束度有兩種方法，一是在正式焊接前每間隙一段距離進(jìn)行定位焊，這樣可以有效的增加正式焊接時(shí)的拘束度，減小收縮變形；二是在焊接開(kāi)始前采用特殊的工裝夾具對(duì)焊縫進(jìn)行固定，增加剛性拘束度，可以有效減小焊接收縮變形。夾具形式如圖2所示。

1.4 焊接順序控制措施

1.4.1 底封頭的焊接順序[4]控制

底封頭的組裝焊接順序如圖3所示。

底封頭縱縫焊接采用分段退步焊的方法，每段長(zhǎng)度約為1 m左右，每條縱縫（除第四圈縱縫外）上下邊距邊緣預(yù)留500 mm暫不焊接（第四圈縱縫只是下邊緣預(yù)留560 mm）。整條焊縫焊接的方向是從上往下，每一段焊縫的焊接方向是從下往上。底封頭的四圈縱縫焊接順序示意圖如圖4，其中第四圈縱縫上端為定位環(huán)焊接預(yù)留了1000 mm。

圖2 鋼制安全殼拼裝夾具示意圖Fig.2 Sketch of the CV assembly holding fixture

為了減少底封頭縱縫焊接時(shí)產(chǎn)生的棱角度變形，根據(jù)每圈板材的尺寸和數(shù)量，制定了不同的焊接順序。第一、二圈縱縫焊接時(shí)在外側(cè)定位焊，再?gòu)膬?nèi)側(cè)打底，外側(cè)清根；第三圈縱縫焊接時(shí)在內(nèi)側(cè)定位焊，再?gòu)耐鈧?cè)打底，內(nèi)側(cè)清根。

考慮到底封頭第四圈有32張弧形板，縱縫棱角度變形最為嚴(yán)重。首先，除了兩張調(diào)整板外的30張板的28條縱縫進(jìn)行焊接，28條縱縫先焊接14條奇數(shù)或者偶數(shù)焊縫，進(jìn)行外側(cè)定位焊，再內(nèi)側(cè)打底，外側(cè)清根。剩下14條偶數(shù)或者奇數(shù)焊縫也采取同樣的焊接方法。當(dāng)整條焊縫的打底層和部分填充層焊接完成后，檢查焊縫的棱角度，如果棱角度變形不存在問(wèn)題，則繼續(xù)從外側(cè)或者內(nèi)側(cè)焊接；如向內(nèi)側(cè)收口，則從外側(cè)焊接；如向外側(cè)張口，則從內(nèi)側(cè)焊接。最后吊裝組對(duì)焊接兩張調(diào)整板。采用這種方法焊接完成縱縫后，測(cè)得棱角度較小，有利于吊裝后與一環(huán)的組對(duì)。

在環(huán)縫焊接時(shí)，采用分段同向焊的方法，每段長(zhǎng)度根據(jù)安排焊工的數(shù)量平均分配。在焊接環(huán)縫前，應(yīng)將預(yù)留的500 mm縱縫先焊接完成。焊接縱縫預(yù)留段時(shí)，需要將環(huán)縫“T”型接頭左右200 mm處先焊接2～3層，再焊接預(yù)留縫。

環(huán)縫焊接采用分段同向焊的方法，每段長(zhǎng)度根據(jù)安排焊工的數(shù)量平均分配，如圖5所示。每道焊縫應(yīng)在整圈完成之后，再焊接下一道。開(kāi)始環(huán)縫焊接時(shí)，先焊接內(nèi)側(cè)打底層，依次每段焊接，整圈的打底層完成之后，再焊接第1、2填充層。完成內(nèi)側(cè)三層焊接之后，在外側(cè)使用碳弧氣刨進(jìn)行清根，并使用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨，之后進(jìn)行VT及PT檢測(cè)，檢測(cè)合格后，在外側(cè)也采用同內(nèi)側(cè)相同的焊接順序分段同向焊。外側(cè)第一段打底層焊接完成后，再依次分段進(jìn)行第1層填充層的焊接。

圖3 底封頭組裝焊接順序Fig.3 Assembly and welding sequence of the bottom head

圖4 底封頭縱縫焊接順序Fig.4 Welding sequence of bottom head longitudinal welds

圖5 環(huán)縫焊接順序示意圖Fig.5 Sketch of the welding sequence of circumferential welds

當(dāng)整條焊縫的外側(cè)兩層焊接完成后，檢查焊縫的角變形，如果角變形不存在問(wèn)題或是向內(nèi)側(cè)收口，則繼續(xù)從外側(cè)焊接。焊接順序仍采用分段同向焊，依次進(jìn)行每一段的填充層、蓋面層焊接。完成之后焊接內(nèi)側(cè)的每一段填充層、蓋面層。如果角變形向外側(cè)張口，則先分段同向焊接內(nèi)側(cè)的填充層、蓋面層。

頂封頭組對(duì)焊接參照底封頭經(jīng)驗(yàn)，效果較明顯。從頂封頭2T板縱縫棱角度測(cè)量結(jié)果看，焊接變形控制較好，這也為頂封頭與四環(huán)的環(huán)縫組對(duì)創(chuàng)造了良好的條件。

1.4.2 筒體的焊接順序控制

筒體分為四環(huán)進(jìn)行焊接，每一環(huán)的每一圈板的組裝順序是邊組裝邊焊接，即相鄰兩張板組對(duì)后即可開(kāi)始縱縫的焊接，以此組對(duì)焊接每一環(huán)的每一圈板，相連兩圈板縱縫焊完后，焊接相連兩圈板的環(huán)縫，為了控制焊接變形，必要時(shí)可以使用焊接卡具。

筒體縱縫焊接時(shí)，當(dāng)相鄰2張筒體板組裝就位后，從外側(cè)進(jìn)行定位焊，經(jīng)焊前檢查合格后，從內(nèi)側(cè)開(kāi)始焊接縱縫。每條縱縫外側(cè)前三層、內(nèi)側(cè)前三層分6段焊接，每一段焊縫的焊接方向是從下往上焊。

完成內(nèi)側(cè)打底層和部分填充層后，在外側(cè)進(jìn)行清根，對(duì)縱縫進(jìn)行棱角度變形測(cè)量，根據(jù)變形情況確定接下來(lái)焊接內(nèi)側(cè)還是外側(cè)，并在焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)棱角度變形情況，適當(dāng)調(diào)整內(nèi)、外側(cè)的焊接順序。

當(dāng)環(huán)縫相鄰縱縫焊接完成超過(guò)80%時(shí)，可以進(jìn)行該縱縫附近的環(huán)縫定位焊。環(huán)縫焊接采用分段同向焊的方法進(jìn)行焊接。環(huán)縫焊接時(shí)，先焊接環(huán)縫和縱縫的“T”型接頭處（2～3層），以防止接頭處應(yīng)力過(guò)大造成焊縫開(kāi)裂。焊接過(guò)程中，根據(jù)角變形來(lái)確定先從外側(cè)或者內(nèi)側(cè)開(kāi)始焊接，以保證筒體板的垂直度，并在焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)棱角度變形情況，適當(dāng)調(diào)整內(nèi)、外側(cè)的焊接順序。

1.4.3 鋼制安全殼各子模塊的對(duì)接

鋼制安全殼分為頂封頭、底封頭和四個(gè)環(huán)筒體，為了防止各子模塊在對(duì)接時(shí)環(huán)縫錯(cuò)邊量超差，必須對(duì)子模塊的周長(zhǎng)進(jìn)行控制。在組裝下一模塊第一圈板時(shí)，測(cè)量上一模塊與其對(duì)接上口的周長(zhǎng)（例如底封頭上口與一環(huán)下口、一環(huán)上口與二環(huán)下口等），根據(jù)已就位的模塊上口周長(zhǎng)，在滿足技術(shù)規(guī)格書(shū)要求的情況下，組裝焊接下一模塊的第一圈板，使兩者周長(zhǎng)盡量接近，以保證平均錯(cuò)邊量盡量小。

以底封頭和筒體一環(huán)對(duì)接環(huán)縫為例，當(dāng)一環(huán)第一圈板已有縱縫焊接完畢后，測(cè)量該圈的長(zhǎng)度，并根據(jù)成形底封頭的上口長(zhǎng)度，以及焊接收縮量確定調(diào)整板的長(zhǎng)度，進(jìn)行二次切割和修磨，完成第一圈板的焊接。待筒體第一環(huán)焊接完成后，根據(jù)筒體和底封頭的周長(zhǎng)差計(jì)算環(huán)縫平均錯(cuò)邊量，按平均錯(cuò)邊量組對(duì)。將對(duì)好后的四等分方位角處調(diào)整到要求值后，即可將其定位焊并在附近使用相應(yīng)的工裝卡具將其固定。

鋼制安全殼底封頭、筒體、頂封頭實(shí)物圖如圖6至圖8所示。

圖6 底封頭實(shí)物圖Fig.6 Bottom head

圖7 筒體實(shí)物圖Fig.7 Cylinder

圖8 頂封頭Fig.8 Top head

2 結(jié)論

AP1000鋼制安全殼6個(gè)子模塊的組裝焊接工作已經(jīng)基本完成，各子模塊的縱縫和環(huán)縫焊接質(zhì)量，以及焊縫錯(cuò)變量、模塊最終成型公差均能滿足設(shè)計(jì)要求。在AP1000鋼制安全殼組對(duì)焊接過(guò)程中，仍然存在需要改進(jìn)之處，例如：

1）各縱縫的棱角度控制，加大測(cè)量力度，根據(jù)焊接變形及時(shí)調(diào)整焊接順序。

2）底封頭和頂封頭環(huán)縫焊接時(shí)提前考慮焊接收縮變形對(duì)模塊形位公差的影響，根據(jù)估算、經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測(cè)三者結(jié)合，將預(yù)計(jì)發(fā)生收縮的尺寸在焊前預(yù)留出來(lái)，適當(dāng)放大組裝焊接前的行為公差。

3）縱縫和環(huán)縫相交界處的“T”型接頭，特別是頂封頭與四環(huán)、底封頭與一環(huán)組裝時(shí)的“T”型接頭組對(duì)錯(cuò)邊量，需要采取更有效的措施進(jìn)行控制。

[1]AP1000鋼制安全殼設(shè)計(jì)規(guī)范APP-MV50-Z0-001.(AP1000 Containment Vessel Design Specification APP-MV50-Z0-001.)

[2]American Society of Mechanical Engineers(ASME)Boiler and Pressure Vessel Code2001 sections，including the2002 addenda.:Section III“Nuclear Power Plant Components，Class MC Components”，Division1 Subsection NE and NCA.

[3]鋼制安全殼封頭和筒體焊接變形控制指導(dǎo)書(shū)CPPMV50-VFP-008.（AP1000 Containment Vessel-Control Guideline of Distortion for Welding of Heads and Rings CPP-MV50-VFP-008.）

[4]AP1000鋼制安全殼施工設(shè)計(jì)CPP-MV50-VEP-001.(AP1000 Containment Vessel Design Specification CPP-MV50-VEP-001.)