陳英杰 ，顏少華 ，王 松 ，陳忠兵 ，劉 超 ，成 鵬 ，馮興旺

（1.中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司，廣東深圳518124；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州215004）

1 研究背景

根據(jù)世界核電運(yùn)營(yíng)者協(xié)會(huì)（WANO）經(jīng)驗(yàn)反饋，英國(guó)Sizewell B核電廠曾因穩(wěn)壓器電加熱器包殼破損導(dǎo)致一回路冷卻劑泄漏，反應(yīng)堆強(qiáng)制停堆。中國(guó)廣核集團(tuán)某些在役、在建核電機(jī)組已出現(xiàn)一定數(shù)量的電加熱器絕緣低的故障，電加熱器包殼可能破損，需考慮更換。但當(dāng)前國(guó)內(nèi)尚未掌握其更換成套技術(shù)，包括關(guān)鍵焊接技術(shù)。

1.1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)外專業(yè)公司一般采用開(kāi)放式焊接機(jī)頭進(jìn)行過(guò)穩(wěn)壓器電加熱器的在役更換工作。國(guó)內(nèi)在役核電廠還未進(jìn)行過(guò)穩(wěn)壓器電加熱器的更換工作，包括焊接；制造階段采用法國(guó)某專業(yè)焊接設(shè)備廠家生產(chǎn)的設(shè)備進(jìn)行電加熱器安裝的自動(dòng)焊接工作，焊接機(jī)頭為開(kāi)放式。

1.2 現(xiàn)有技術(shù)的缺陷

目前普遍采用的開(kāi)放式機(jī)頭沒(méi)有封閉氣室，焊接完成后焊縫還處于較高溫度時(shí)鎢極噴嘴就已離開(kāi)，無(wú)法通過(guò)保護(hù)氣體對(duì)焊縫進(jìn)行良好保護(hù)；核電廠在役期間焊接工作易受外界干擾，如通風(fēng)、負(fù)壓等，焊接電弧不穩(wěn)定，從而影響焊接質(zhì)量。另外核電廠在役期間還存在空間狹窄、輻照劑量高、內(nèi)污染風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題，制造階段的焊接技術(shù)不適用，國(guó)外專業(yè)公司不轉(zhuǎn)讓在役更換焊接技術(shù)。

1.3 研究需解決的問(wèn)題

穩(wěn)壓器底部安裝有63根電加熱器，分3層布置（見(jiàn)圖1）。在制造階段，先組裝焊接內(nèi)層7根加熱器，然后組裝焊接中間層的26根，最后是外層的30根。機(jī)頭的尺寸及焊接操作要求相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。

圖1 穩(wěn)壓器電加熱器布置

核電廠在役期間一旦產(chǎn)生故障則割開(kāi)電加熱器與貫穿套管連接件焊縫，抽出舊加熱器，安裝新加熱器，焊接恢復(fù)該焊縫（見(jiàn)圖2）。焊接操作需滿足63根電加熱器任意1根的更換，此時(shí)其他電加熱器及套管會(huì)產(chǎn)生空間阻礙，因此機(jī)頭需結(jié)構(gòu)緊湊，焊接過(guò)程中鎢極能無(wú)阻礙旋轉(zhuǎn)360°以上。

圖2 電加熱器與套管連接結(jié)構(gòu)示意

另外，由于核島通風(fēng)系統(tǒng)、設(shè)備檢修負(fù)壓工作間（SAS）風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，核電廠穩(wěn)壓器房間不可避免存在空氣流動(dòng)，焊接過(guò)程中也很難避免負(fù)壓，這將影響焊接電弧的穩(wěn)定性及焊縫背面的氣體保護(hù)效果。而穩(wěn)壓器底部輻射劑量較高（約10 mSv/h），焊接機(jī)頭夾具應(yīng)能快速組裝，以便于現(xiàn)場(chǎng)狹窄空間位置的安裝、定位。

鑒于施工空間狹窄，焊接操作在橫焊位置，一旦焊接失敗則無(wú)法進(jìn)行手工局部修磨，需重新割除加熱器后再次更換，人員受照劑量和維修成本將成倍增加；且根據(jù)設(shè)計(jì)，舊套管只能割3次。為此，焊接工藝方面要求一次焊接成功，焊后射線探傷一次合格。

2 焊接設(shè)備開(kāi)發(fā)

2.1 焊接電源

根據(jù)電加熱器在役更換焊接要求，需進(jìn)行遠(yuǎn)程控制自動(dòng)焊接，焊接電源的關(guān)鍵參數(shù)需可調(diào)，并具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，如可編程控制焊接機(jī)頭的行走速度、自動(dòng)弧壓跟蹤（AVC）等。在此采用華恒銳弧400焊接電源。

2.2 焊接機(jī)頭開(kāi)發(fā)

（1）總體設(shè)計(jì)。

為提高氣體保護(hù)效果和焊接電弧穩(wěn)定性，研發(fā)了封閉式機(jī)頭（見(jiàn)圖3），以形成保護(hù)氣室。這可以保證鎢極噴嘴離開(kāi)后高溫焊縫仍能得到充分保護(hù)，并避免受現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)、負(fù)壓等異常影響。

根據(jù)穩(wěn)壓器圖紙及現(xiàn)場(chǎng)尺寸，建立底部空間模型，然后模擬試裝確定機(jī)頭最大外部尺寸，如圖4所示。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖3 封閉式機(jī)頭示意

圖4 封閉式機(jī)頭外形及最大尺寸示意

封閉式機(jī)頭（見(jiàn)圖3）包括機(jī)頭本體和設(shè)置在本體相對(duì)兩側(cè)的夾持裝置，機(jī)頭本體上設(shè)有貫穿其相對(duì)兩側(cè)用于容置待焊管件的焊接腔室，在焊接腔室的內(nèi)壁面與待焊管件之間留有一定空間，可充分容置用于焊接的保護(hù)氣體。

（3）動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及夾持裝置。

焊接腔室內(nèi)設(shè)有一個(gè)鎢極，鎢極的自由端指向焊接腔室的中心，且鎢極能繞管道中心無(wú)限回轉(zhuǎn)，以便焊接多圈；機(jī)頭本體上還設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)鎢極旋轉(zhuǎn)的裝置，可遠(yuǎn)程控制。上夾具體與下夾具體的一端活頁(yè)連接，另一端通過(guò)搭扣可拆卸連接，因此封閉式機(jī)頭與待焊管件之間的裝夾操作很方便，在更換穩(wěn)壓器的電加熱器時(shí)能有效縮短操作人員受輻照的時(shí)間。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，研發(fā)出封閉式機(jī)頭（華恒GTX32）及相關(guān)附件，解決了1.3節(jié)的相關(guān)問(wèn)題。經(jīng)試驗(yàn)和應(yīng)用表明，該機(jī)頭結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、自動(dòng)化程度高，焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊后焊縫外部、根部成形美觀，適用于在役穩(wěn)壓器電加熱器更換焊接作業(yè)。

3 焊接工藝

3.1 焊接工藝要求

原設(shè)計(jì)焊縫接頭坡口形式為I型，填充材料為自熔填充環(huán)。套管的母材為核級(jí)奧氏體不銹鋼Z2CN18-12N，外徑 32.5 mm，內(nèi)徑 26/23 mm，焊縫處壁厚3.25 mm（較厚，焊接難度大），如圖5所示。填充環(huán)材料為核級(jí)鐵素體鋼Z1CD26-1，因此焊縫有一定比例的鐵素體δ，可提高接頭的耐腐蝕性能并避免產(chǎn)生微裂紋[1]。母材及焊材的化學(xué)成分要求見(jiàn)表1[2]。

圖5 實(shí)際焊接接頭坡口

表1 母材及焊材的化學(xué)成分要求%

焊后焊縫內(nèi)、外表面不允許存在焊瘤、未焊透、咬邊等缺陷；焊縫外表面凹陷應(yīng)小于等于0.5 mm，根部?jī)?nèi)凸小于等于1.5 mm；焊后進(jìn)行宏觀檢測(cè)、液體滲透檢測(cè)（PT）和射線檢測(cè)（RT）[2]。

3.2 焊接工藝試驗(yàn)

（1）氣體保護(hù)。

采用32.5 mm厚直套管（即試驗(yàn)件）及同樣的填充環(huán)進(jìn)行自動(dòng)焊接試驗(yàn)，內(nèi)部插入模擬加熱器后組對(duì)、焊接，如圖6所示。正面、背面分別采用不同的保護(hù)氣體進(jìn)行焊接試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

背面保護(hù)氣體：氬氣、氦氣和空氣的相對(duì)分子量分別為39.95、4.0、28.8。焊接時(shí)管子垂直布置，焊接前通過(guò)填充環(huán)缺口向背面充氣，下端密封上端微開(kāi)口（模擬現(xiàn)場(chǎng)情況）。從上述分子量可看出，氦氣比空氣輕很多，因此很難完全排出背面空氣；另一方面氦氣無(wú)法在背面貯存長(zhǎng)久從而沉入空氣，導(dǎo)致保護(hù)效果差，氧化發(fā)黑。而用氬氣則不存在此問(wèn)題。

圖6 焊接試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

表2 氣體保護(hù)效果對(duì)比

正面保護(hù)氣體：在氬氣中，電弧電壓和能量密度較低，適合焊接薄板金屬和熱導(dǎo)率低的金屬；氦氣的熱導(dǎo)率高于氬氣，所以對(duì)于給定的電弧長(zhǎng)度和焊接電流，氦氣保護(hù)的電弧電壓比氬氣高得多。因此，氦氣適用于中厚板和熱導(dǎo)率高的金屬材料[3-4]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)I型焊接坡口，鎢極氬弧焊一般最大熔透厚度約2 mm，厚度為3.25 mm時(shí)需考慮引入氦氣保護(hù)焊接。試驗(yàn)結(jié)果亦證實(shí)了上述分析。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及理論分析，確定采用正面氦氣、背面氬氣的保護(hù)方式進(jìn)行自動(dòng)焊接。

（2）試件尺寸的影響。

實(shí)際焊接坡口見(jiàn)圖5，試驗(yàn)件坡口見(jiàn)圖6。焊接實(shí)物時(shí)，由于坡口附近厚度變大，散熱增加，焊接熱輸入可能需要增加。

采用ABAQUS軟件建立有限元模型，模擬試驗(yàn)件及實(shí)物焊接過(guò)程的熔池尺寸，采用移動(dòng)熱源模型研究熱輸入對(duì)熔池尺寸的影響。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)熱輸入比試驗(yàn)件評(píng)定參數(shù)增加約10%時(shí)，實(shí)物熔池尺寸與試驗(yàn)件基本相同。

采用與實(shí)物結(jié)構(gòu)、尺寸相同的試件（即模擬件）進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并對(duì)比試驗(yàn)件、模擬件的焊接參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3，證實(shí)了試件尺寸對(duì)焊接熱輸入及參數(shù)的影響趨勢(shì)。

表3 試驗(yàn)件、模擬件焊接效果對(duì)比

由于試驗(yàn)件與實(shí)物尺寸存在差異，采用試件焊接參數(shù)焊接實(shí)物時(shí)，存在焊縫根部無(wú)法焊透的風(fēng)險(xiǎn)。為此確定采用與實(shí)際結(jié)構(gòu)、尺寸相同的模擬件進(jìn)行進(jìn)一步的焊接工藝試驗(yàn)和見(jiàn)證件焊接。

（3）試件材質(zhì)的影響。

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，管道材質(zhì)對(duì)焊縫成形影響較大。采用國(guó)產(chǎn)非核級(jí)316L材質(zhì)加工的試件，用已成熟的焊接參數(shù)基本無(wú)法焊透；而采用法國(guó)核級(jí)Z2CND18-12N材質(zhì)試件焊接及在穩(wěn)壓器模擬體上焊接，都能得到較高品質(zhì)的焊縫。故采用法國(guó)核級(jí)Z2CND18-12N材質(zhì)進(jìn)行下一步焊接工藝試驗(yàn)。

（4）焊接電壓。

焊接電壓可反映焊接時(shí)電弧的長(zhǎng)度。焊接過(guò)程中可通過(guò)觀察電壓的變化了解電弧長(zhǎng)度和熔池透度，從而了解焊縫成形的優(yōu)劣及是否焊透。經(jīng)多次試驗(yàn)確認(rèn)，鎢極噴嘴距工件距離的變化會(huì)影響電弧長(zhǎng)度，從而影響焊接電壓，進(jìn)而影響熱輸入及焊縫成形。試驗(yàn)表明，鎢極噴嘴距工件1.1～1.3 mm、焊接電壓為16～21 V時(shí)，可順利完成焊接并獲得理想的焊縫成形。

（5）焊接速度、占空比及焊接電流。

焊接速度、占空比及焊接電流是關(guān)鍵參數(shù)，三者相互組合從而影響熱輸入。

試驗(yàn)表明，占空比小時(shí)焊縫窄且均勻、平直，占空比大則焊縫寬而彎曲；焊接速度過(guò)快無(wú)法焊透，過(guò)慢則焊縫熔深大、焊道寬、余高大且易造成燒穿。

為應(yīng)用方便，需固化占空比和焊接速度，調(diào)整焊接電流來(lái)達(dá)成理想焊接效果。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，固定占空比為3∶1、焊接速度102 mm/min，焊縫成形較穩(wěn)定、美觀。

進(jìn)一步焊接工藝試驗(yàn)在一定范圍內(nèi)調(diào)整焊接電流，根據(jù)焊縫成形和根部透度，確定焊接電流為基值25～34 A、峰值55～80 A時(shí)，焊接效果良好。

（6）焊縫成形特點(diǎn)。

試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)焊縫外部成形與根部成形有關(guān)，如表4所示。

表4 焊縫外部與根部成形情況對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)得出最優(yōu)焊接參數(shù)及焊接時(shí)序，如表5和圖7所示。

表5 最優(yōu)焊接參數(shù)

圖7 焊接時(shí)序

3.3 焊接工藝評(píng)定

依據(jù)法國(guó)壓水堆核島機(jī)械設(shè)計(jì)與建造規(guī)范（RCC-M）的要求進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，參照表5的焊接參數(shù)焊接了多組試件，焊縫成形良好（見(jiàn)圖8），PT、RT檢測(cè)合格，破壞性試驗(yàn)完全滿足規(guī)范要求[2]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

圖8 接頭金相試驗(yàn)結(jié)果

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及分析

4.1 陽(yáng)江核電站1號(hào)機(jī)組第1次大修（Y101）實(shí)施情況

4.1.1 情況總結(jié)

2015年2月，采用研發(fā)的自動(dòng)焊接設(shè)備及工藝，按RCC-M規(guī)范要求完成見(jiàn)證件焊接并檢驗(yàn)合格后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行陽(yáng)江核電站1號(hào)機(jī)組2根穩(wěn)壓器電加熱器的更換及焊接工作。焊接過(guò)程中克服了系統(tǒng)負(fù)壓、母材尺寸差異，尤其是化學(xué)成分差異、空間狹窄等不利條件，最終產(chǎn)品焊縫目視檢測(cè)（VT）、PT及RT一次合格。

表6 接頭性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.1.2 異常分析

（1）情況介紹。

2015年2月9日，采用75 A（峰值）電流焊接見(jiàn)證件，焊縫外部有明顯凹陷，根部透度很好。2月10日，采用75 A電流焊接現(xiàn)場(chǎng)19號(hào)加熱器，焊縫外部無(wú)凹陷，懷疑根部未焊透；2月11日，焊縫RT結(jié)果合格，但射線底片顯示根部剛焊透，如果焊接熱輸入稍小可能焊不透。由此可知，采用相同參數(shù)焊接，產(chǎn)品和見(jiàn)證件焊縫成形差異較大，產(chǎn)品焊縫有未焊透風(fēng)險(xiǎn)。

（2）化學(xué)成分對(duì)比。

穩(wěn)壓器套管備件與見(jiàn)證件的材料牌號(hào)、廠家一致，只是化學(xué)成分有輕微差異，但都滿足RCC-M規(guī)范的要求[2]，如表7所示。其中差異較大的是S，現(xiàn)場(chǎng)為0.0019%，見(jiàn)證件為0.0067%。其他如Si、B等，僅有輕微差異。

表7 現(xiàn)場(chǎng)母材及見(jiàn)證件試件化學(xué)成分對(duì)比%

（3）原因分析。

結(jié)合多次試件、現(xiàn)場(chǎng)焊接情況，從材料、坡口尺寸、現(xiàn)場(chǎng)空氣流動(dòng)、焊接設(shè)備等方面進(jìn)行分析，見(jiàn)表8。主要原因與現(xiàn)場(chǎng)母材S含量相對(duì)見(jiàn)證件較低有關(guān)，另外現(xiàn)場(chǎng)的套管略大、略厚也有一定影響。

表8 Y101大修穩(wěn)壓器19號(hào)電加熱器焊接異常原因初步分析

4.1.3 S影響的分析

（1）理論依據(jù)。

根據(jù)相關(guān)研究，驅(qū)動(dòng)熔池熔融金屬對(duì)流的主要因素是表面張力梯度。熔池流動(dòng)方向取決于表面張力梯度的正負(fù)。大多數(shù)純金屬，當(dāng)表面梯度為負(fù)值時(shí)，熔池流動(dòng)方向向外（見(jiàn)圖9a）；反之，流動(dòng)方向向內(nèi)（見(jiàn)圖9b），并可增加焊縫的深寬比[5]。

增加w（S），熔融金屬將向內(nèi)流動(dòng)，從而導(dǎo)致焊接熔深增加，這是由于焊接時(shí)在熔池中形成的FeS導(dǎo)致表面張力梯度由負(fù)變正[6]。

（2）實(shí)踐分析。

對(duì)比此前多次焊接的模擬件、見(jiàn)證件及產(chǎn)品的焊縫成形、S含量，證實(shí)了S對(duì)焊縫成形及熔深的影響，如表9所示。

圖9 熔池流動(dòng)模式

表9 試件焊縫成形與S含量關(guān)系對(duì)比分析

S含量越高越容易焊透，反之需加大熱輸入才能焊透。

4.2 其他應(yīng)用情況

采用研發(fā)的技術(shù)并結(jié)合上述分析，在大亞灣、紅沿河等核電機(jī)組進(jìn)行了數(shù)10根穩(wěn)壓器電加熱器的更換工作，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品的S含量選取合適的焊接電流，焊接后一次無(wú)損檢測(cè)合格率100%。

部分大修中系統(tǒng)負(fù)壓仍然較大，但焊接結(jié)果幾乎不受影響。分析認(rèn)為，相比于開(kāi)放式機(jī)頭焊接時(shí)受負(fù)壓影響較大問(wèn)題，采用封閉式機(jī)頭進(jìn)行焊接可形成微正壓封閉氣室，且保護(hù)氣體有一定流量持續(xù)供氣，可避免空氣進(jìn)入氣室，更適用于穩(wěn)壓器電加熱器的在役更換環(huán)境，可有效減輕負(fù)壓影響。

5 結(jié)論

自主研發(fā)的穩(wěn)壓器電加熱器在役更換自動(dòng)焊接成套技術(shù)，經(jīng)焊接工藝試驗(yàn)、評(píng)定，并在陽(yáng)江核電站1號(hào)機(jī)等核電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，驗(yàn)證了其可靠性。

（1）相關(guān)成套技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在役核電廠穩(wěn)壓器63根電加熱器任意位置的更換要求。

（2）開(kāi)發(fā)的封閉式機(jī)頭確保了氣體保護(hù)效果，提高了焊接電弧的穩(wěn)定性，提高了焊接質(zhì)量，焊縫外部成形更佳。

（3）實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品焊縫焊接一次成功、焊后探傷一次合格率100%的目標(biāo)。

根據(jù)試驗(yàn)及應(yīng)用情況，還需注意以下事項(xiàng)：

（1）需采用與實(shí)際結(jié)構(gòu)、尺寸相同的試件進(jìn)行進(jìn)一步焊接工藝試驗(yàn)及見(jiàn)證件焊接。

（2）需關(guān)注見(jiàn)證件、產(chǎn)品母材的化學(xué)成分，尤其是微量元素S的含量。盡可能選擇與產(chǎn)品母材差異較小的見(jiàn)證件試件，否則試件焊接合格后需根據(jù)和母材的差異，對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

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