廖國平，趙治軍

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川自貢643000）

0 前言

球罐是化工企業(yè)中常用的儲罐類容器，由鋼制球面殼體組成。球罐外殼是由若干個壓制而成的瓜瓣焊接而成[1]，常用于核電和石油化工領(lǐng)域，如國產(chǎn)三代壓水堆核電技術(shù)“華龍一號”安注箱設(shè)備，及液化天然氣、液氮、液氧等介質(zhì)儲罐。球罐與圓筒形儲罐相比，在相同容積和壓力下，球罐表面積最小，因此所需鋼材最少；在相同直徑下，球罐內(nèi)應(yīng)力最小，其承載能力比圓筒形儲罐大1倍；另外，球罐基礎(chǔ)工程小，占地面積小[2]。對于小直徑球罐（φ≤3 200mm），通?？刹捎?個模壓成型的半球拼焊而成，制造難度相對較小。對于大直徑球罐（φ＞3 200mm），則由2個壓制成型的球冠、1個整球瓜瓣組件或2個半球瓜瓣拼焊而成，制造難度較大。大直徑半球瓜瓣組件或整球瓜瓣組件由多片壓制成型的瓜瓣拼焊而成，瓜瓣拼縫坡口為X型。

通常此類瓜瓣拼接縱縫內(nèi)外側(cè)均采用焊條電弧焊，由3名焊工同時對稱間斷施焊：先在外側(cè)坡口內(nèi)定位焊，再翻身焊接坡口內(nèi)側(cè)，內(nèi)側(cè)焊完后外側(cè)清根，最終焊完外側(cè)[3]。此種焊接及道間打磨工作量大，焊接效率低，質(zhì)量不易保證。本研究是將瓜瓣拼縫坡口設(shè)計成U-V型，內(nèi)側(cè)采用焊條電弧焊，外側(cè)利用特殊設(shè)計制造的球罐焊接變位器輔助翻轉(zhuǎn)功能，配十字臂窄間隙埋弧焊機之間的聯(lián)動，實現(xiàn)球罐弧形焊縫的自動化焊接。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及功能

華龍一號核島安全注入系統(tǒng)內(nèi)共設(shè)有3臺安注箱，主要功能是在發(fā)生一回路失水事故時提供淹沒堆芯的硼酸溶液。

安注箱為球形容器，內(nèi)徑φ5 020mm，名義壁厚64mm，主體材質(zhì)為控氮026Cr19Ni10N奧氏體不銹鋼。其中由6塊瓜瓣組成中殼體，中殼體再與上、下封頭組成完整的球罐形狀容器，容器上設(shè)有1個人孔、9個管嘴。安注箱本體制造完成后裝焊在裙座組件上，用20個地腳螺栓將產(chǎn)品固定在支撐地板上，安注箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。安注箱安全等級為2級，規(guī)范等級為RCC-M核2級，質(zhì)保等級為Q1，清潔度等級為A1。

圖1 安注箱結(jié)構(gòu)

2 母材及焊材選擇

華龍一號三代核電安注箱采用的控氮奧氏體不銹鋼，其化學成分見表1，力學性能見表2。

奧氏體不銹鋼材料的焊接性較好，根據(jù)母材成分選擇國產(chǎn)京群公司的不銹鋼GES-308L焊條和GWS-308L/GXS-300埋弧焊絲/焊劑組合，具體成分見表3和表4。

表1 026Cr19Ni10N化學成分%

表2 026Cr19Ni10N力學性能

表3 GES-308L焊條化學成分%

表4 GWS-308L/GXS-300L組合熔敷金屬化學成分%

3 球罐弧形焊縫工藝試驗

3.1 球罐變位器設(shè)計制造

通常球罐自動化焊接由相應(yīng)的全位置自動給焊設(shè)備來實現(xiàn)[4]，但這需要產(chǎn)品本身具有導磁性，能確保自動化設(shè)備穩(wěn)定地在預(yù)設(shè)軌道上行走。該安注箱材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，不適合此焊接工藝。為了順利推進華龍一號安注箱中殼體瓜瓣拼接焊縫自動化焊接工藝，東鍋公司與專業(yè)變位器制造廠家聯(lián)合設(shè)計制造了專用球罐焊接變位器，如圖2所示。該專用變位器的工作原理為：變位器設(shè)計成雙支座下沉式結(jié)構(gòu)，采用雙驅(qū)交流電機通過齒輪傳動實現(xiàn)工作臺回轉(zhuǎn)以及工件翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)時通過在翻轉(zhuǎn)梁上端連接配重的方式，減少設(shè)備的翻轉(zhuǎn)扭矩。

圖2 球罐焊接變位器

為了保證變位器整機平衡和克服靜啟動力矩，在回轉(zhuǎn)扭矩范圍內(nèi)，工件重心距工作臺回轉(zhuǎn)中心最大距離不超過1m。翻轉(zhuǎn)扭矩相對于翻轉(zhuǎn)中心為30 t·m，此時最大載荷不超過60 t（包含工件和工裝總質(zhì)量）。變位器工作原理如圖3所示。

G1—工件質(zhì)量；L1—工件重心距設(shè)備翻轉(zhuǎn)中心距離；G2—工裝質(zhì)量；L2—工裝重心距設(shè)備翻轉(zhuǎn)中心距離。

必須同時滿足 G1+G2≤60 t和 G1×L1+G2×L2≤30 t·m兩個條件方可視為在翻轉(zhuǎn)能力范圍內(nèi)。

工作時先將工件與工裝夾具焊接固定，再將工裝與變位器工作盤通過螺栓連接固定，通過工作臺帶動工件翻轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)進行瓜瓣拼接焊縫外側(cè)自動焊。焊接瓜瓣時，當完成一條焊縫后，需要焊接第二條焊縫時，通過人工控制工作盤的回轉(zhuǎn)進行焊縫位置調(diào)節(jié)。瓜瓣焊接時，采用焊槍不動、變位機翻轉(zhuǎn)帶動工件旋轉(zhuǎn)方式完成平焊。

3.2 弧形焊縫焊接工藝試驗

為了驗證焊接過程變位器與埋弧焊機配合情況，確保華龍一號安注箱產(chǎn)品焊縫一次性合格，進行了焊接模擬試驗。模擬試驗選擇直徑與目標產(chǎn)品基本一致的兩節(jié)筒體組合在一起的環(huán)縫外壁焊接，工藝試驗過程如圖4所示。試驗件安裝上變位器并固定好，調(diào)整變位器翻轉(zhuǎn)中心與試件中心保持一致，這是能否實現(xiàn)弧形焊縫的關(guān)鍵點。

啟動變位器翻轉(zhuǎn)按鈕，同時啟動埋弧焊機焊接按鈕，這兩個按鈕本身進行了聯(lián)動功能改造，可以通過一個按鈕來控制兩個設(shè)備同時啟動。焊接過程中變位器與十字臂埋弧焊機配合較好，電弧穩(wěn)定，焊道成形美觀。焊接完成后對試驗焊縫進行RT探傷，探傷合格。

4 產(chǎn)品焊接

每臺安注箱中殼體瓜瓣組件由6塊瓜瓣組焊而成，瓜瓣實際下料厚度為68mm，壓制成型并機加好拼接坡口后進行試組裝，瓜瓣裝配錯邊量要求小于等于8mm，焊后瓜瓣組件內(nèi)徑應(yīng)滿足φ5 020±15mm，拼縫焊后進行100%PT、RT檢測。

圖4 模擬工藝試驗

不銹鋼熱導率低、線膨脹系數(shù)大、屈服強度低，相比碳鋼或低合金鋼而言，焊后更容易出現(xiàn)較大的焊接變形。每個瓜瓣組件6條拼縫（焊縫代號S/L003～S/L008）總長度達25m，焊接工作量大。為控制焊接變形，確保拼縫焊接質(zhì)量、提高工作效率，從坡口設(shè)計、焊接方法選擇、瓜瓣壓制尺寸控制、裝配尺寸控制、焊接過程控制、施焊順序等方面采取措施，全方位做好工藝策劃。

4.1 瓜瓣拼接焊接坡口設(shè)計

瓜瓣拼縫坡口設(shè)計為U-V型坡口如圖5所示，內(nèi)側(cè)為淺V型坡口，采用焊條電弧焊；外側(cè)為深U型坡口，采用埋弧焊。施焊順序為：點固①→內(nèi)側(cè)坡口焊條電弧焊②→外側(cè)清根焊接③→埋弧自動焊④。清根深度根據(jù)實際焊接情況確定，但需去除缺陷并確保焊透。

圖5 瓜瓣拼縫坡口

4.2 瓜瓣組件的裝配

單塊瓜瓣由外委壓制并加工拼縫坡口，瓜瓣壓制成型后采用全尺寸樣板檢查成型尺寸；拼縫坡口加工時單邊預(yù)留2mm收縮余量。瓜瓣組件先在外委進行試組裝如圖6所示，組裝時對每片瓜瓣進行編號并標記方位；組裝好后檢查瓜瓣組件赤道處外周長和拼縫裝配錯邊量。

圖6 瓜瓣組件的裝配

考慮到瓜瓣拼縫焊接時先焊條電弧焊接坡口內(nèi)側(cè)，且內(nèi)側(cè)赤道以下部分焊縫焊完后需將瓜瓣組件翻身，因此應(yīng)在瓜瓣裝配前在其中2塊瓜瓣組件上避開總圖開孔位置，焊接2個翻身工藝吊耳。受焊接位置限制，瓜瓣點焊定位時，赤道以下部分在內(nèi)側(cè)坡口內(nèi)點固，赤道以上部分在外側(cè)坡口內(nèi)點固，每隔400mm點固一段，點固焊縫厚度至少10mm，每道長度至少50mm，確保赤道以下部分焊縫焊條電弧焊時，赤道以上部分裝點尺寸不發(fā)生較大變化。

4.3 瓜瓣組件的焊接

瓜瓣組件焊接時，先焊妥內(nèi)側(cè)、再清根焊妥外側(cè)。經(jīng)焊接工藝評定驗證合格的工藝參數(shù)見表5。

表5 瓜瓣拼縫焊接參數(shù)

內(nèi)側(cè)焊縫焊完后進行外側(cè)清根。清根時要求完全去除內(nèi)側(cè)焊縫根部缺陷，確保根部圓滑、不形成尖銳夾角，清根寬度不得低于12mm（對局部清根不規(guī)則處可采用焊條電弧焊，但需打磨圓滑，確保后續(xù)埋弧焊時不出現(xiàn)未熔合等焊接缺陷），為埋弧焊創(chuàng)造良好的施焊條件。

清根完成后，將工裝環(huán)板與工裝支座通過螺栓連接牢固，再將瓜瓣組件吊裝到工裝環(huán)板上焊妥，焊腳高30mm，連續(xù)焊接，如圖7所示。工裝環(huán)板和工裝支座上開有缺口，以便于瓜瓣拼縫的焊接。

圖7 瓜瓣組件與變位器的連接

測量并記錄每個瓜瓣外壁高度中心定位點（左、右各1點）到工裝環(huán)板上表面的垂直距離，并據(jù)此調(diào)整變位器工作平臺離地的高度，調(diào)整到位后將瓜瓣組件及裝配工裝吊裝固定在變位器工作平臺上。調(diào)整8m×6m十字臂的埋弧焊機到合適位置，先試翻轉(zhuǎn)工件并進行模擬焊接（不引弧，見圖8），確定工件和焊接位置合適、工件翻轉(zhuǎn)線速度滿足焊接工藝要求后再開始正式焊接。焊接時焊機不動，通過變位器帶動工件翻轉(zhuǎn)來實現(xiàn)瓜瓣拼接縱縫外壁的自動焊。焊接速度通過在變位器控制柜的液晶顯示屏上輸入工件直徑來設(shè)定；而工件的來回翻轉(zhuǎn)則通過變位器手控盒來操控，如圖9所示。每焊一層，轉(zhuǎn)動瓜瓣組件，焊接下一條焊縫一層（每層可根據(jù)實際情況分道或不分道），依次轉(zhuǎn)動，直至外側(cè)焊縫全部焊接完成。

圖8 變位器翻轉(zhuǎn)

圖9 變位器與焊機聯(lián)動

為防止焊接應(yīng)力過度集中后變形超差，埋弧焊時必須采用交替對稱焊接，嚴格控制焊接熱數(shù)量[5]。每條焊縫焊完一層后，轉(zhuǎn)動瓜瓣組件，以相同的焊接方向焊接相對焊縫一層。依次交替對稱施焊，直至焊完。外側(cè)埋弧焊時，通過移動100 t變位機底座位置，調(diào)整瓜瓣組件球心與變位器回轉(zhuǎn)中心同心。在焊接過程中，調(diào)整變位機使瓜瓣組件以恒定的線速度翻轉(zhuǎn)，使自動焊機機頭與焊縫垂直，實現(xiàn)自動焊接。

首臺瓜瓣組件拼縫焊接完成后，測量瓜瓣組件焊后赤道處外周長和上、下端口內(nèi)直徑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)下端焊接工裝環(huán)板處平均內(nèi)徑比上端口小5mm，說明上端口在自由狀態(tài)下產(chǎn)生的焊接收縮量大于下端口，另外還發(fā)現(xiàn)瓜瓣組件整體內(nèi)徑變小。分析首臺測量數(shù)據(jù)后，在第2臺瓜瓣組件拼縫焊接時在上端口裝焊了防變形拉撐，并測量焊后相關(guān)尺寸，測量結(jié)果見表6。由表6可知，裝焊拉撐后，上端口內(nèi)徑比下端口大2mm，說明裝焊拉撐起到一定效果，但效果不明顯。通過對比還發(fā)現(xiàn)，上、下端口實測內(nèi)徑相差不超過5mm，說明前期采取交替對稱焊的施焊順序在控制瓜瓣組件整體焊接變形上取得了一定效果。

表6 瓜瓣組件焊后尺寸測量結(jié)果

焊接完成后對每臺中殼體瓜瓣拼接焊縫進行100%RT探傷，3臺安注箱瓜瓣組件共18條拼縫，總長達75 m，焊縫總體成形美觀，均一次性通過100%PT、RT檢查，做到零返修。華龍一號安注箱中殼體瓜瓣拼接焊縫的自動化焊接表明弧形焊縫的自動化焊接工藝是可行的。

拼接焊縫試板進行各項力學性能試驗及金相檢驗均合格，力學性能見表7，金相圖片見圖10、圖11。宏觀金相圖顯示焊接順序為先手工打底焊內(nèi)壁，反面清焊根后再進行埋弧自動焊，微觀金相組織為典型的柱狀奧氏體組織加少量的δ鐵素體相。

表7 試板力學性能

圖10 焊縫宏觀

5 結(jié)論

（1）采取特殊設(shè)備及工藝，實現(xiàn)球罐拼接弧形焊縫自動化焊接，且試板各項力學性能及金相組織均符合設(shè)計要求，保證了焊接質(zhì)量。

（2）對于球罐類拼接焊縫，焊前調(diào)整變位器翻轉(zhuǎn)中心與球體中心重合是實現(xiàn)自動化焊接的關(guān)鍵。

（3）專用球罐變位器對于實現(xiàn)弧形焊縫自動化焊接非常必要，但大多數(shù)廠家也可以考慮采用一般的變位器配合焊機機頭部分的三維運動軌跡來實現(xiàn)弧形焊縫的自動化焊接。

圖11 焊縫金屬微觀（j區(qū)）

（4）球罐類拼接坡口設(shè)計要盡量考慮坡口根部帶R形式，這樣根部焊縫不容易產(chǎn)生夾渣類缺陷，特別是熔池流動性差的奧氏體不銹鋼材料。

（5）球罐瓜瓣拼接焊接過程中，要實時監(jiān)測變形數(shù)據(jù)以調(diào)整焊接順序，采取對稱焊接方式控制焊接變形，采用支撐方式效果不明顯，每條焊縫盡量采取多次焊接完成，通過檢測數(shù)據(jù)分析，變形較小，效果明顯。

[1]劉長軍，張國宏.球罐的焊接工藝研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2008（3）：93.

[2]程紅光.球形儲罐的檢驗工藝研究[D].青海：青海大學，2014.

[3]黎新華，吳宜雄.球罐的焊接技術(shù)研討[J].現(xiàn)代焊接，2008（10）：39-40.

[4]雷毅，許曉鋒，姚榮榮.球罐自動焊應(yīng)用現(xiàn)狀及焊縫跟蹤技術(shù)研究[J].石油化工設(shè)備，2006，35（5）：49-52.

[5]蔣受林，杜志明，王能干.大型薄壁球罐組裝及焊接變形的控制措施[J].石油工程建設(shè)，2003，30（5）：27-29.