■ 李遠(yuǎn)

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1. 概述

穩(wěn)壓器是核電站核島主設(shè)備，其作用主要是借助電加熱元件加熱形成的蒸汽和噴淋系統(tǒng)的噴淋冷凝汽對(duì)一回路內(nèi)壓力進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。穩(wěn)壓器設(shè)備中水空間通過(guò)波動(dòng)管與反應(yīng)堆出口管道連接，汽空間通過(guò)噴霧管與反應(yīng)堆入口管道連接，為了減緩容器壁因溫差而引起的熱應(yīng)力，在波動(dòng)管和噴霧管內(nèi)設(shè)有防熱沖擊套管。在封閉的一回路系統(tǒng)內(nèi)，任何溫度和容積的變化都會(huì)影響到系統(tǒng)壓力，進(jìn)而影響到設(shè)備及系統(tǒng)的安全。因此防熱沖擊套管的焊接質(zhì)量影響到穩(wěn)壓器設(shè)備的正常運(yùn)行。

2. 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及焊接要求

穩(wěn)壓器產(chǎn)品設(shè)計(jì)中防熱沖擊套管與波動(dòng)管、噴霧管安全端焊接接頭形式如圖1所示，坡口根部預(yù)置焊接襯環(huán)，該焊縫為全焊透的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，焊后要求100%RT檢測(cè)合格。根部預(yù)置焊接襯環(huán)可便于裝配，而焊接過(guò)程需要使焊接襯環(huán)完全焊透熔入接頭，并保證外觀成形，但由于焊接襯環(huán)的存在，會(huì)導(dǎo)致焊縫背面成形難以控制，易產(chǎn)生余高超標(biāo)等缺陷，因此需要在保證焊縫質(zhì)量的同時(shí)獲得良好的焊縫成形。

防熱沖擊套管與接管安全端焊縫背面結(jié)構(gòu)空間有限，只能從內(nèi)側(cè)施焊并實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，焊接過(guò)程中無(wú)法對(duì)背面成形進(jìn)行有效觀察，一旦出現(xiàn)焊接缺陷無(wú)法進(jìn)行返修，其中噴霧接管防熱沖擊套管直徑比較小，焊接操作空間狹小，焊接難度更大。由此可見(jiàn)，防熱沖擊套管與接管安全端焊接是穩(wěn)壓器制造的難點(diǎn)之一。

防熱沖擊套管與接管安全端材料分別為Z2CND17-12、Z2CND18-12（控氮）不銹鋼，化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2所示；焊接襯環(huán)材質(zhì)為IN316L，焊接填充材料為ER316L，化學(xué)成分如表3所示。

圖1 防熱沖擊套管與接管安全端焊接接頭結(jié)構(gòu)形式

表1 Z2CND17-12 和Z2CND18-12化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 Z2CND17-12 和Z2CND18-12力學(xué)性能

3. 焊接工藝試驗(yàn)

（1）焊接方法和設(shè)備 根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，若采用手工焊，施焊空間有限，焊接操作人員無(wú)法在施焊的同時(shí)對(duì)熔池及焊縫背面成形情況進(jìn)行觀察，若要完成產(chǎn)品焊接要求操作者具有豐富的經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行大量的培訓(xùn)及試驗(yàn)，難度較大，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。為此工藝試驗(yàn)中采用自動(dòng)鎢極惰性氣體保護(hù)焊方法，焊接電源采用POLYSOUDE PC600，焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)電腦編程控制，采用脈沖模式可實(shí)現(xiàn)對(duì)峰值電流與時(shí)間、基值電流與時(shí)間、焊接速度、送絲速度、擺動(dòng)功能等參數(shù)進(jìn)行精細(xì)控制，焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊縫成形均勻美觀，可以有效地控制焊接熱輸入及熔池的尺寸和形狀，提高焊縫抗燒穿和熔池的保持能力，適用于單面焊雙面成形焊接方法，保證焊縫成形及焊接質(zhì)量。

（2）接頭形式改進(jìn) 焊接襯環(huán)屬于熔化性填塞，是一種特殊焊材，但由于焊接襯環(huán)制造工藝復(fù)雜，供貨周期長(zhǎng)，且采購(gòu)用量較小，能滿(mǎn)足供貨要求的焊材廠家較少，所以焊接襯環(huán)的采購(gòu)難度較大；同時(shí)，對(duì)于帶有焊接襯環(huán)的接頭形式，控制焊縫背面成形難度較大。因此，在工藝試驗(yàn)過(guò)程中一方面采用成分相近的不銹鋼材料加工產(chǎn)品要求尺寸的襯環(huán)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，另一方面對(duì)接頭形式進(jìn)行改進(jìn)，取消原焊接接頭設(shè)計(jì)中的焊接襯環(huán)，改進(jìn)后的產(chǎn)品接頭形式如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后無(wú)焊接襯環(huán)的接頭形式

針對(duì)兩種不同的接頭形式分別進(jìn)行工藝試驗(yàn)，結(jié)合焊縫成形進(jìn)行對(duì)比并擇優(yōu)選取。經(jīng)對(duì)比分析，對(duì)于含有襯環(huán)的接頭形式易出現(xiàn)焊接襯環(huán)未焊透現(xiàn)象，而當(dāng)焊接襯環(huán)完全焊透時(shí)所形成的余高較大；對(duì)于沒(méi)有焊接襯環(huán)的接頭形式，更易獲得外觀成形良好的焊縫。由此可見(jiàn)，當(dāng)采用不帶焊接襯環(huán)的接頭形式更易獲得外觀成形良好的焊縫，同時(shí)又節(jié)省了使用襯環(huán)所帶來(lái)的采購(gòu)成本，因此經(jīng)向設(shè)計(jì)方提出變更申請(qǐng)，將產(chǎn)品接頭形式進(jìn)行改進(jìn)，采用不帶焊接補(bǔ)環(huán)的接頭形式。

（3）裝配定位及工裝 對(duì)于改進(jìn)后的接頭形式為保證裝配精度，制定專(zhuān)用的內(nèi)撐工裝輔助裝配對(duì)中，嚴(yán)格控制裝配質(zhì)量，盡量做到無(wú)間隙和錯(cuò)邊。裝配后采用自動(dòng)TIG焊接方法在焊縫坡口內(nèi)進(jìn)行定位焊固定，焊點(diǎn)周向均布并對(duì)稱(chēng)焊接，防止定位焊過(guò)程中接管發(fā)生變形。

（4）焊接參數(shù) 防熱沖擊套管焊接過(guò)程中各參數(shù)的微小變化都可能對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)確定表4所示的焊接參數(shù)。首層采用填絲直道焊，確保獲得良好的背面成形。由于首層焊道所形成的焊縫厚度較小，第二層焊接時(shí)為避免電弧熱量過(guò)于集中，造成因首層焊縫重熔而破壞背面焊縫成形，因此采用擺動(dòng)焊接，擺動(dòng)寬度根據(jù)首層焊道寬度調(diào)整確定。焊接過(guò)程嚴(yán)格控制道溫度≤50℃。

（5）性能檢測(cè) 焊接試件按RCC-M標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接試件進(jìn)行各項(xiàng)性能檢測(cè)，經(jīng)無(wú)損檢測(cè)、焊縫外觀檢測(cè)、PT檢測(cè)、RT檢測(cè)全部合格。接頭各項(xiàng)性能試驗(yàn)如表5所示，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)文件要求。

表3 焊接襯環(huán)IN316L與焊接材料ER316L化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 焊接參數(shù)

表5 性能試驗(yàn)

4. 產(chǎn)品焊接

穩(wěn)壓器產(chǎn)品中噴霧管組件和波動(dòng)管組件各有一件防熱沖擊套管與安全端進(jìn)行焊接。采用工藝試驗(yàn)所確定的焊接工藝在通過(guò)焊接工藝評(píng)定后用于產(chǎn)品焊接，產(chǎn)品焊接時(shí)將接管與安全端焊接后的接管組件安裝于變位機(jī)上。在平焊位置進(jìn)行防熱沖擊套管與接管安全端焊接，焊接前對(duì)接頭背部空間即防熱沖擊套管與接管本體間預(yù)充氬氣，以對(duì)背面焊縫進(jìn)行保護(hù)防止氧化，開(kāi)始焊接使用氣體測(cè)定儀對(duì)氬氣含量進(jìn)行測(cè)定，確保背部空間充滿(mǎn)氬氣。

采用經(jīng)工藝試驗(yàn)開(kāi)發(fā)的焊接工藝順利完成了某項(xiàng)目穩(wěn)壓器噴霧接管、波動(dòng)管防熱沖擊套管與安全端的焊接，并經(jīng)檢測(cè)全部一次合格。

5. 結(jié)語(yǔ)

（1）采用自動(dòng)鎢極氬弧焊方法，克服了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間小，受人為因素影響、操作不便的困難，焊接過(guò)程可完全編程控制。通過(guò)工藝參數(shù)的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化，獲得了良好的焊縫成形及焊接質(zhì)量，滿(mǎn)足了核電穩(wěn)壓器設(shè)備中防熱沖擊套管的焊接。

（2）對(duì)于穩(wěn)壓器防熱沖擊套管與安全端焊接采用不帶襯環(huán)的接頭形式，更易獲得良好的焊縫外觀成形，并節(jié)省了焊接襯環(huán)的采購(gòu)成本。但取消襯環(huán)后對(duì)產(chǎn)品的裝配精度要求較高，需設(shè)計(jì)專(zhuān)用的工裝輔助裝配，以保證裝配質(zhì)量。