唐 識，李漢勝，程曉玲，付龍飛

（國核示范電站有限責(zé)任公司，山東榮成264312）

核電站不銹鋼貯罐焊接變形控制

唐 識，李漢勝，程曉玲，付龍飛

（國核示范電站有限責(zé)任公司，山東榮成264312）

以核電站換料水箱為例，介紹了換料水箱功能、設(shè)計要求、換料水箱組成、制造流程；分析了00Cr19Ni10（304L）材料的焊接特點(diǎn)、焊接施工過程中的難點(diǎn)、焊接變形的原因；總結(jié)控制焊接變形的焊接原則、焊接變形控制方法和焊接變形控制措施。為核電站后續(xù)貯罐現(xiàn)場焊接變形控制提供依據(jù)。

核電站；不銹鋼貯罐；焊接變形控制

0 前言

核電廠由核島（主要是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)）、常規(guī)島（主要是汽輪發(fā)電機(jī)組）和電廠配套設(shè)施（BOP）三大部分組成。核電站安裝過程中，為了區(qū)分不同專業(yè)、不同類型的安裝工作，根據(jù)安裝施工作業(yè)的特點(diǎn)、性質(zhì)、質(zhì)量要求和技術(shù)難度等，通常核島安裝工作劃分為10個機(jī)電工作包（EMP-Electro Mechanical Package），其中EM7包為現(xiàn)場非標(biāo)貯罐的預(yù)制與安裝工作包，EM7工作包共有17臺非標(biāo)貯罐：PTR（反應(yīng)堆換料水池和乏燃料水池的冷卻和處理系統(tǒng)，簡稱換料水箱）2臺、TEP（硼回收系統(tǒng)，簡稱除氣水箱）3臺、REA（反應(yīng)堆硼和水補(bǔ)給系統(tǒng)，簡稱補(bǔ)給水箱）2臺、TEU（廢液處理系統(tǒng)，簡稱廢液貯罐）2臺、ASG（輔助給水系統(tǒng)，簡稱輔助給水箱）2臺、SEL（常規(guī)島廢液排放系統(tǒng)，簡稱常規(guī)島廢液排放貯槽）3臺、TER（核島廢液排放系統(tǒng)，簡稱核島廢液排放貯槽）3臺。

換料水箱為核安全二級、質(zhì)保等級為QA1、清潔度等級為A1級核安全級設(shè)備，換料水箱的質(zhì)量很大程度上決定了該設(shè)備的使用壽命。焊接是換料水箱重要的制造工藝方法，焊接質(zhì)量的好壞對換料水箱的質(zhì)量起著重要作用。

1 換料水箱簡介

1.1 換料水箱功能

換料水箱在核電廠的功能是在停堆換料時向反應(yīng)堆換料水池中充水。在反應(yīng)堆裝置出現(xiàn)失水事故的意外情況下，換料水箱為安全噴淋系統(tǒng)（EAS）和安全注入系統(tǒng)（RIS）提供所需的含硼水。

1.2 換料水箱設(shè)計要求

換料水箱的核安全等級為2級，質(zhì)保等級為QA1，清潔度等級為A1級的核安全設(shè)備，主體材料為00Cr19Ni10（304L），焊接材料為E308L，有效容積1 600 m3，設(shè)計壓力為常壓。

1.3 換料水箱組成

該水箱為圓筒立式貯罐，由一個球冠形封頭（上封頭）、一個由7段不同壁厚壁板焊制成的圓柱形筒體、一個平封頭（下封頭）、檢修平臺和梯子組

成，如圖1所示。

圖1 換料水箱組成示意

1.4 換料水箱制造流程

受場地空間限制和吊裝機(jī)械的影響，換料水箱現(xiàn)場拼裝采用倒裝法。通過帶緊線路的水平拉桿，將均布設(shè)立在貯罐筒壁內(nèi)側(cè)的數(shù)根起吊立柱和罐體中心的平衡柱點(diǎn)焊固定在壁板上，并與下口的脹圈、組合叉鉤及手拉葫蘆等連接在一起以形成吊裝能力。

貯罐拼裝由頂層開始，依次向下進(jìn)行安裝，即先在罐底板上組裝焊接第一節(jié)壁板，提升時用懸掛在起吊立柱上的拉動倒鏈來提升直到罐壁板全部吊裝完成，料水箱主要的施工工序見圖2。

圖2 換料水箱施工流程

2 換料水箱的焊接

2.1 00Cr19Ni10不銹鋼焊接特點(diǎn)

換料水箱主體材料材質(zhì)為00Cr19Ni10（304L），屬于超低碳奧氏體不銹鋼，焊接性優(yōu)良。但是該類不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)大，焊接時易產(chǎn)生較大的變形和焊接應(yīng)力。為了控制焊接變形，盡可能選用能量集中的焊接方法，換料水箱現(xiàn)場拼裝焊接采用焊條電弧焊。

2.2 焊接施工難點(diǎn)

換料水箱的底板和頂板為厚6mm的00Cr19Ni10不銹鋼，筒體壁板為厚6～30mm的00Cr19Ni10不銹鋼，鋼板最大規(guī)格3 000×8 000×6 mm。在進(jìn)行薄板焊接時，焊接產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力使板件容易出現(xiàn)因彎曲形成的波浪變形[1]。因此，焊接變形控制是換料水箱焊接過程中的難點(diǎn)。

2.3 焊接工藝

（1）焊接坡口準(zhǔn)備。

換料水箱制造過程中，按如圖3所示進(jìn)行坡口組對。

（2）焊接工藝參數(shù)。

焊接熱輸入是影響變形量的關(guān)鍵因素。在焊接方法確定的情況下，可通過調(diào)節(jié)焊接參數(shù)來控制熱輸入，在保證熔透和焊縫無缺陷的前提下，焊接熱輸入盡可能小。換料水箱底板和頂板焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 換料水箱焊接參數(shù)

2.4 焊接變形的控制原則

（1）采用小電流多層多道焊，快速焊接，層間溫度控制在100℃以下，減少敏化溫度區(qū)間停留時間，

避免晶間腐蝕。

（2）先焊收縮量較大的焊縫，使焊縫能夠自由地收縮。

（3）先焊在工作時受力較大的焊縫，使內(nèi)應(yīng)力合理分布。

（4）先焊短焊縫，后焊中長焊縫，最后焊接長焊縫，使焊縫有較大的橫向收縮余地。

（5）對于長焊縫，一般采用分段跳焊法；對于環(huán)焊縫，焊工對稱分布沿同一方向同步焊接。

（6）罐壁縱向、環(huán)向焊縫采取雙面焊接，與介質(zhì)接觸的內(nèi)側(cè)焊縫最后施焊。

（7）底板與第一層壁板角焊縫：先焊內(nèi)側(cè)角焊縫，再焊外側(cè)角焊縫，打底焊由數(shù)名焊工沿周向均布同向施焊。

圖3 換料水箱各種接頭坡口形式和尺寸

3 焊接變形控制

3.1 焊接變形產(chǎn)生原因

焊接變形是由于焊縫被高溫加熱急劇膨脹，然后冷卻引起的焊接處收縮和彎曲而產(chǎn)生[2]，在進(jìn)行薄板焊接時，由于焊接產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力，使板件容易出現(xiàn)因彎曲形成的波浪變形[1]。

由于換料水箱零部件預(yù)制、組裝誤差和焊接時熱變形等方面原因，換料水箱貯罐封頭（頂板）、筒體（壁板）和底板都會產(chǎn)生不同程度的變形。

3.2 焊接變形控制方法[3]

焊接變形控制方法分為設(shè)計措施和工藝措施。

設(shè)計措施是指在換料水箱設(shè)計階段，設(shè)計人員為保證換料水箱焊接變形控制采取的措施如：合理選用焊縫尺寸和形式；合理布置焊縫和接頭位置，盡可能較少焊縫數(shù)量；盡量避免復(fù)雜的多構(gòu)件連接和幾何不連續(xù)性存在。

工藝措施是指在換料水箱制造階段，為了減少變形采取的措施，分為焊前預(yù)防措施、焊接過程中的控制措施和焊后矯正措施，如：防止薄板波浪變形可以從降低應(yīng)力和提高臨界應(yīng)力兩方面入手，前者是用小的焊接熱輸入，減小受熱面積，后者是增加板厚或減小板的自幅面等[1]。不同焊接變形控制方法如圖4所示。

3.3 底板焊接變形控制

（1）底板焊接變形原因。

換料水箱底板變形較為復(fù)雜，控制比較困難。罐底變形是多種焊接變形的集合體，主要包括三個方面的焊接變形[4]：焊縫的橫向和徑向收縮對鋼板產(chǎn)生的應(yīng)力和變形；底板與壁板的角焊縫，底板邊緣板與底板中幅板間環(huán)焊縫的徑向收縮引起底板邊緣板的角變形和底板中幅板的應(yīng)力和變形；以上兩種應(yīng)力的疊加使鋼板失穩(wěn)，產(chǎn)生較大的波浪變形。

（2）底板焊接變形控制措施。

為有效控制焊接變形，在換料水箱罐底板施焊時，除應(yīng)遵守“先焊短焊縫，后焊長焊縫；初層焊道應(yīng)用分段退焊或跳焊法；焊接采用小電流、多層多道焊接等原則”的一般要求外，具體措施如下：

圖4 焊接變形控制方法

a.反變形法。短焊縫點(diǎn)焊固定后作2°～3°反變形，以抵消焊后變形量；若反變形量不能完全補(bǔ)償焊后變形，則將反變形量放大，使焊后出現(xiàn)向上拱起的變形，便于焊后用木錘敲擊焊道矯正變形，如圖5所示。

圖5 短焊縫反變形矯正示意

b.剛性固定法。罐底長焊縫作反變形后加裝反變形壓杠，強(qiáng)制施加反作用力來抵消焊接變形，反變形壓杠兩端楔入木楔，中間采用不銹鋼墊板與底板隔離，如圖6所示。

c.采用圖2a、圖2b、圖2c所示坡口，焊接時應(yīng)先焊接短縫，后焊長縫，焊接時采用分段退焊法或跳焊法，底板長焊縫焊接順序如圖7所示。

焊接點(diǎn)焊縫時，將長焊縫的定位焊點(diǎn)打開或不

焊，保證短焊縫焊接時能自由收縮，不受外力約束，減少焊接接頭應(yīng)力和焊接殘余變形。焊接長焊縫時，由焊縫中心向兩側(cè)采用分段退焊法或跳焊法，焊縫不容易出現(xiàn)橫向或縱向收縮變短，可以有效控制焊接變形。

圖6 長焊縫反變形工裝

圖7 底板長焊縫焊接順序

d.罐底與罐壁連接的角焊縫，采用圖2d所示坡口，采用8名焊工同時對稱分段退焊法，先焊內(nèi)側(cè)后焊外側(cè)。

e.水冷法。為了控制底板焊接變形，焊接過程中可以邊焊邊水冷，降低焊縫附近受熱面積和熱輸入量，從而減小焊接變形。

f.采用表1中的焊接參數(shù)，焊接過程中盡可能地采用小電流和較快的焊接速度，減少焊接熱輸入量，從而減少焊接變形。

3.4 壁板焊接變形控制

（1）壁板焊接變形原因。

壁板的焊接采用如圖2d所示的坡口形式，壁板的焊接變形主要集中在環(huán)焊縫和縱焊縫附近，是由于焊接局部受熱產(chǎn)生的變形。由于換料水箱壁板厚度為6～30 mm，環(huán)焊縫的焊接變形主要為焊縫內(nèi)凹，縱焊縫的焊接變形主要有波浪變形、焊縫外凸或內(nèi)凹、焊縫兩端外翹變形等。

（2）環(huán)焊縫焊接變形控制。

環(huán)焊縫采取多層多道雙面焊，先焊外側(cè)后焊內(nèi)側(cè)，外側(cè)焊完后在內(nèi)側(cè)坡口清根。焊工均勻分布，沿同一方向施焊，打底、填充焊道宜采取分段退焊，環(huán)焊縫的焊接變形主要依靠合理的焊接順序來控制。

（3）壁板焊縫焊接變形控制措施。

a.剛性固定法。壁板縱焊縫焊接時通常會產(chǎn)生角變形、縱向變形和波浪變形，為了防止各種變形，在焊接縱縫前，現(xiàn)場采取機(jī)械固定的焊接變形控制方法，如圖8所示。

圖8 罐壁縱焊縫焊接變形控制工裝

b.縱焊縫焊接順序是先焊相鄰上、下圈板的縱焊縫，后焊接上、下圈板之間的環(huán)焊縫。為了保證相鄰上下圈板的縱環(huán)焊縫焊接后所有的T型焊縫不會出現(xiàn)較大的內(nèi)凹變形，要求在焊接縱縫時上下各

留出150 mm短焊縫不焊接，當(dāng)上、下圈板環(huán)焊縫點(diǎn)焊完畢后，再補(bǔ)焊此前未施焊的縱焊縫，其后有數(shù)名焊工均勻分布在罐內(nèi)沿同一方向焊接環(huán)縫，所有壁板焊縫的前三層應(yīng)采用分段跳焊和加分段退焊的焊接順序，壁板縱焊縫焊接順序詳見圖9。

圖9 壁板縱縫焊接順序

3.5 頂板焊接變形控制

（1）頂板焊接變形原因。

頂板的焊接采用如圖2f所示的坡口形式，頂板為厚6 mm的不銹鋼薄板，焊接過程中由于原焊接殘余應(yīng)力或外載荷相互疊加容易產(chǎn)生應(yīng)力失衡，從而產(chǎn)生波浪變形。

（2）灌頂焊接變形控制措施。

頂板焊接時，先焊接外側(cè)焊縫，后焊接內(nèi)側(cè)焊縫；徑向的長焊縫宜采用間隔對稱施焊方法，并由中心向外分段退焊，頂板徑向長焊縫焊接順序見圖10。

圖10 灌頂焊縫焊接順序

3.6 焊接變形矯正

雖然在換料水箱焊接過程中采取了焊接變形控制措施，但有些部位的焊接變形量還是會超過設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍，如底板和頂板焊接變形，局部容易出現(xiàn)鋼板波浪變形和彎曲變形。受現(xiàn)場條件的限制，現(xiàn)場通常會采取滾壓法和錘擊法來矯正焊接變形，保證換料水箱底板和頂板局部焊接變形量控制在規(guī)定范圍內(nèi)。錘擊法通常是利用圓頭小錘錘擊焊縫，使焊縫金屬延展，抵消一些焊縫區(qū)的收縮，以降低焊縫內(nèi)應(yīng)力，減少焊接變形量；針對底板的波浪焊接變形，通常采用滾壓法進(jìn)行矯正。

4 結(jié)論

00Cr19Ni10不銹鋼換料水箱由于材料的焊接特性和換料水箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素，導(dǎo)致?lián)Q料水箱焊接過程中焊接變形不容易控制。因此，必須嚴(yán)格控制焊接過程的每個環(huán)節(jié)，如板材的預(yù)制加工、組對焊接等，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝參數(shù)及焊接順序。按照提出的焊接變形控制方法，通過某核電工程不銹鋼貯罐的現(xiàn)場焊接，驗證了擬定的焊接變形措施是可行的。

[1]陳祝年.焊接工程師手冊（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：1205-1236.

[2]陳丙森.焊接手冊（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：19-23.

[3]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊（焊接結(jié)構(gòu)）（第三版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：191-193.

[4]茅衛(wèi)東.SUS304不銹鋼表面拋光缺陷原因分析及改進(jìn)措施[J].上海金屬，2011（2）：58-60.

Stainless steel storage tank welding deformation control of nuclear power plants

TANG Shi，LI Hansheng，CHENG Xiaoling，F(xiàn)U Longfei
（State Nuclear Power Demonstration Plant Co.，Ltd.，Rongcheng 264312，China）

This paper，taking the in-containment refueling water storage tank(IRWST)of nuclear power plant as an example，introduced the function，design requirements，constitution and fabrication flowofthe IRWST，analyzed the welding characteristics ofsteel 00Cr19Ni10（304L），difficulties in welding process，and reasons for welding deform，summed up the regulations，methods and measures to control weldingdeform.This paper could be a reference for the field weldingdeformofstorage tanks ofnuclear power plants in the future.

nuclear power plants；stainless steel storage tank；welding deformation control

TG404

B

1001-2303（2016）10-0050-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.10

獻(xiàn)

唐識，李漢勝，程曉玲，等.核電站不銹鋼貯罐焊接變形控制[J].電焊機(jī)，2016，46（10）：50-55.

2016-03-11

唐識（1976—），男，四川仁壽人，高級工程師，學(xué)士，主要從事核電廠執(zhí)照申請、設(shè)計和焊接管理工作。