武妍

中核檢修有限公司三門(mén)分公司 浙江臺(tái)州 317109

CAP1400國(guó)核壓水堆示范工程核島安裝項(xiàng)目2號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)包括兩個(gè)環(huán)路，每個(gè)環(huán)路包括1根熱段管段和2根冷段管段，每個(gè)管段有2道焊口，其中一道焊口連接反應(yīng)堆壓力容器，另一道焊口連接蒸汽發(fā)生器（熱段）或主泵（冷段），共12道焊口。反應(yīng)堆冷卻劑管道是連接反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和反應(yīng)堆冷卻劑泵的閉式循環(huán)回路，是壓水堆核電站最關(guān)鍵的核安全Ⅰ級(jí)設(shè)備，管內(nèi)介質(zhì)為帶有放射性的硼酸水。國(guó)核壓水堆示范工程核島安裝項(xiàng)目2號(hào)機(jī)組主管道布置示意圖參見(jiàn)下圖1。

圖1 CAP1400主管道布置和焊口號(hào)圖

1 工程的概況

國(guó)核壓水堆示范工程核島安裝項(xiàng)目2號(hào)機(jī)組主管道全尺寸模擬焊接施工是以其中A環(huán)路為原型，在反應(yīng)堆壓力容器模擬件、蒸汽發(fā)生器模擬件（含主泵）、和主管道模擬件（2根冷段、1根熱段）制作完成后，進(jìn)行主管道全尺寸模擬焊接試驗(yàn)。A環(huán)路主管道全尺寸模擬焊接試驗(yàn)中共計(jì)6道焊口。模擬主回路焊口分布一覽表詳見(jiàn)表1。

表1 模擬主回路焊口分布一覽表

2 主管道全尺寸模擬試驗(yàn)中的焊接難點(diǎn)和重點(diǎn)

主管道產(chǎn)品的焊接工作看似只有兩個(gè)環(huán)路，12道焊口，但是想要成功的組對(duì)并完成合格焊接質(zhì)量的焊縫，難度還是很大的。主管道產(chǎn)品的焊接工作中有很多重點(diǎn)和難點(diǎn)，這些要求施工人員和焊接技術(shù)人員必須要在產(chǎn)品焊接之前進(jìn)行全尺寸模擬焊接試驗(yàn)，通過(guò)反復(fù)不斷的試驗(yàn)積累數(shù)據(jù)和施工經(jīng)驗(yàn)，熟練掌握解決各種可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題的方法。以下是我根據(jù)全尺寸模擬焊接試驗(yàn)分析并總結(jié)的幾種焊接難點(diǎn)和重點(diǎn)[1]。

2.1 焊口充氬保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

2.1.1 安裝充氬保護(hù)裝置

為了保證焊縫背面成型和焊縫質(zhì)量，在主管道內(nèi)部安裝充氬保護(hù)裝置，如圖2安裝充氬保護(hù)裝置前對(duì)主管道內(nèi)部的充氬保護(hù)腔室進(jìn)行清潔處理（用無(wú)水乙醇擦拭并用無(wú)毛白布擦干）。按照主管道熱段規(guī)格尺寸，制作合適的專(zhuān)用充氬保護(hù)裝置并安裝。充氬裝置的材料宜用硬質(zhì)塑料。

充氬裝置與管道內(nèi)壁接觸位置應(yīng)在焊縫熱影響區(qū)外，確保裝置不因焊接區(qū)域高溫而產(chǎn)生對(duì)主管道產(chǎn)生不良影響。專(zhuān)用充氬保護(hù)裝置應(yīng)設(shè)進(jìn)氣孔和出氣孔，防止充氬腔室內(nèi)壓力過(guò)高。由于氬氣比重大于空氣比重，進(jìn)氣孔應(yīng)設(shè)置在下方，出氣孔應(yīng)設(shè)置在上方[2]。

2.1.2 充氬保護(hù)流量，同時(shí)相應(yīng)逐漸減低乏氣瓶的氣流量直至關(guān)閉，過(guò)程中盡可能保證總氣流量的穩(wěn)定。準(zhǔn)備好新的氣瓶在乏氣瓶關(guān)閉之后立即使用，過(guò)程中仍要保證總進(jìn)氣量滿足施工工藝要求[3]。

2.1.3 測(cè)量腔室內(nèi)氧氣含量

使用氧含量分析儀測(cè)量充氬腔室內(nèi)氧氣濃度，氧氣濃度不大于1%。氧含量高于1%時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行充氬直到檢測(cè)合格。若長(zhǎng)時(shí)間氣體檢測(cè)不合格，停止充氬，待腔室周?chē)鷼鍤鉂舛冉档秃髾z查裝置周邊氣密性等原因并解決確保后續(xù)充氬保護(hù)工作正常。正式焊接前將氬氣流量調(diào)小至滿足焊接施工要求（氬氣流量過(guò)大或過(guò)小均影響焊縫成型質(zhì)量）。

結(jié)論：由于純度為99.999%的氬氣價(jià)格比較昂貴，氣室太大造成氬氣浪費(fèi)。但是氣室太小，導(dǎo)致了稍微調(diào)整一點(diǎn)流量充氬效果

用氬氣皮管連接氣瓶和充氬裝置進(jìn)氣孔，連接過(guò)程注意不要破壞充氬裝置的氣密性，打開(kāi)氣瓶閥門(mén)進(jìn)行充氬。開(kāi)始時(shí)采用大流量進(jìn)氣方式對(duì)氣室進(jìn)行充氬，以快速趕出氣室內(nèi)的空氣，持續(xù)充氬時(shí)間不少于30min，然后按焊接工藝卡或技術(shù)交底要求調(diào)節(jié)好充氬流量。充氬時(shí)應(yīng)注意氬氣瓶剩余壓力，不得低于0.2Mpa。為保證充氬過(guò)程的連續(xù)性，應(yīng)同時(shí)準(zhǔn)備兩瓶氬氣進(jìn)行背面充氬，當(dāng)其中一瓶氣壓接近最低使用要求時(shí)，將另一瓶氣緩慢提升氣流量到原進(jìn)氣總的變化就很大。當(dāng)流量過(guò)小時(shí)，保護(hù)效果不好，流量過(guò)大時(shí)，嚴(yán)重焊縫成型造成了內(nèi)凹的缺陷。過(guò)小的氣室是很難把握調(diào)整到合適的流量的。合適的充氬裝置在一定程度上既保證了焊縫熔池保護(hù)效果，又節(jié)約了企業(yè)生產(chǎn)成本。焊接前充氬的時(shí)間也決定了焊縫熔池保護(hù)效果，此次試驗(yàn)結(jié)論為該裝置至少需要充氬半小時(shí)[4]。

圖2 充氬保護(hù)裝置示意圖

2.2 焊接起弧位置的選擇

2.2.1 點(diǎn)固焊

點(diǎn)固焊的起焊位置并不做特殊要求，根據(jù)組對(duì)工裝的限制，可以從操作最方便處起焊，以此按圖3的方式選擇從坡口內(nèi)或管道內(nèi)進(jìn)行定位焊。

圖3 定位焊裝配示意圖

2.2.2 打底焊

對(duì)于首道根部打底焊，打底焊道從組對(duì)間隙較小的位置起弧，因?yàn)榻?jīng)過(guò)一圓周的焊接后，組對(duì)間隙相對(duì)較大處由于熱輸入的影響導(dǎo)致焊縫軸向收縮間隙有所縮小，這樣便是減小了較大處打底焊接的難度。

2.2.3 層間焊和蓋面焊和修飾焊

對(duì)于層間焊和蓋面焊，起弧位置的選擇原理同打底焊是一樣的，如圖4通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)得12、3、6、9四個(gè)點(diǎn)的焊接收縮量，找出測(cè)得的數(shù)據(jù)的跟原始數(shù)據(jù)對(duì)比差值最小的一處作為下一焊道的起弧點(diǎn)，兩道之間的起弧位置應(yīng)錯(cuò)開(kāi)一段距離。

結(jié)論：RV側(cè)焊口每一焊道起弧位置的選擇，決定了下一焊道焊接時(shí)SG側(cè)焊口往哪個(gè)點(diǎn)鐘位置偏向。通過(guò)每一焊道調(diào)整起弧位置來(lái)最終使SG側(cè)焊口組對(duì)成功。

圖4 焊縫軸向收縮量測(cè)量點(diǎn)位置

2.3 窄間隙自動(dòng)焊新舊焊機(jī)焊接熱輸入的計(jì)算

主管道采用窄間隙自動(dòng)氬弧焊機(jī)進(jìn)行焊接，型號(hào)規(guī)格為利寶地GT-Ⅵ，軌道配有冷段軌道2套（Φ冷軌道=870mm），熱段軌道外徑規(guī)格1套（Φ熱外軌道=11750mm），內(nèi)徑規(guī)格1套（Φ熱內(nèi)軌道=870mm）。由于焊接電源為脈沖電源，如圖5所示波形圖為方波，所以根據(jù)傳統(tǒng)的原始焊接熱輸入公式如下公式（1）所示計(jì)算得出的窄間隙自動(dòng)焊熱輸入顯然并不準(zhǔn)確。

表2 模擬試驗(yàn)不同位置缺陷返修

圖5 脈沖電源方波波形圖

公式（1）：熱輸入（J/in）=

U—電壓，單位伏特V

I—電流，單位安培A

V—焊接速度，in/min

利寶地新推出的焊機(jī)由于系統(tǒng)程序中自帶了輸入軌道規(guī)格尺寸的功能，所以在焊機(jī)焊接過(guò)程中可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)將軌道行走角速度轉(zhuǎn)化為實(shí)際焊接行走線速度，故焊機(jī)顯示屏上的焊接熱輸入，就是焊機(jī)根據(jù)V實(shí)際焊接行走線速度瞬間計(jì)算得出并在屏幕上的真實(shí)焊接熱輸入。

但是利寶地的舊焊機(jī)卻沒(méi)有很好的解決這一問(wèn)題，V實(shí)際焊接=V軌道行走＊Φ實(shí)際/Φ軌道，由于不同的軌道尺寸規(guī)格不一致，那么即便是軌道行走角速度和實(shí)際行走直徑一樣的條件下，實(shí)際焊接行走線速度也是不一樣的。利寶地的舊焊機(jī)系統(tǒng)程序中并沒(méi)有設(shè)計(jì)出輸入焊接軌道規(guī)格尺寸的地方，所以顯示屏上給出的焊接熱輸入也是不準(zhǔn)確的。經(jīng)過(guò)與焊機(jī)加拿大廠家研發(fā)人員的溝通和交流，并結(jié)合窄間隙自動(dòng)焊機(jī)的波形特點(diǎn)，在原始公式（1）基礎(chǔ)上修改衍生出如下窄間隙自動(dòng)焊機(jī)熱輸入計(jì)算公式（2）：

公式（2）：熱輸入（J/in）=

其中V實(shí)際焊接=V軌道行走＊Φ實(shí)際/Φ軌道

U峰值—峰值電壓，單位伏特V（手動(dòng)輸入）

U基值—基值電壓，單位伏特V（屏幕顯示）

I峰值—峰值電流，單位安培A（手動(dòng)輸入）

I基值—基值電流，單位安培A（手動(dòng)輸入）

V—焊接線速度，in/min

結(jié)論：利用以上公式（2）通過(guò)在excel表中插入函數(shù)計(jì)算所得的舊焊機(jī)熱輸入與新焊機(jī)屏幕上顯示的熱輸入進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，公式計(jì)算的數(shù)值大于屏幕顯示數(shù)值5000J/in左右。

2.4 主管道焊縫的缺陷返修

原則上，除打底過(guò)程發(fā)生的影響后續(xù)焊接正常進(jìn)行的缺陷外，均采取缺陷返修方式處理焊接缺陷，如打底過(guò)程中發(fā)生了影響后續(xù)正常焊接施工的，如熔穿、打底凹坑等，應(yīng)先跳過(guò)缺陷發(fā)生位置，完成后續(xù)打底焊接，再返回處理發(fā)生的缺陷，確保后續(xù)焊接正常進(jìn)行[5]。如在15mm進(jìn)行的無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該位置存在其他焊接缺陷，則采取返修措施進(jìn)行處理見(jiàn)表2。

去除缺陷時(shí)，打磨區(qū)域應(yīng)成拋物線形狀以便于后續(xù)補(bǔ)焊。缺陷去除后，凹坑應(yīng)與臨近焊縫兩端平滑過(guò)渡；缺陷打磨時(shí)不宜用力過(guò)大，應(yīng)逐步緩慢去除缺陷。打磨至接近缺陷位置時(shí)須控制每次打磨量不大于0.5mm，每次打磨后都要觀察打磨位置，盡可能顯示缺陷。操作人員發(fā)現(xiàn)疑似缺陷且打磨去除后方可通知NDE進(jìn)行打磨區(qū)域檢測(cè)。打磨過(guò)程中控制打磨溫度，當(dāng)局部打磨區(qū)域出現(xiàn)發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，立即停止打磨，待溫度降下來(lái)后再進(jìn)行后續(xù)打磨；采用坡口機(jī)去除缺陷時(shí)當(dāng)加工至臨近缺陷位置時(shí)，應(yīng)控制每次加工進(jìn)刀量小于0.5mm，且操作人員須逐次觀察打磨后的缺陷位置，確認(rèn)去除焊縫缺陷后，再用5°成型刀對(duì)坡口機(jī)機(jī)加區(qū)域進(jìn)行坡口修整，或采用手工打磨的方式修整坡口，對(duì)打磨區(qū)域進(jìn)行目視檢驗(yàn)(VT)、液體滲透檢測(cè)(PT)。必要時(shí)還可添加射線檢測(cè)(RT)。若檢測(cè)結(jié)果不合格，繼續(xù)打磨直至檢驗(yàn)結(jié)果合格。

結(jié)論：帶▼處，18mm、15mm和23mm的數(shù)值是根據(jù)使用的打磨工具可達(dá)焊縫深度來(lái)確定的?？梢愿鶕?jù)不同的工具尺寸進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

3 主管道全尺寸模擬試驗(yàn)中的其他難點(diǎn)和重點(diǎn)

主管道全尺寸模擬試驗(yàn)中除了以上幾種焊接難點(diǎn)和重點(diǎn)，還有主管道坡口加工、主管道吊裝、主管道焊口組對(duì)、主管道熱段稱(chēng)重、百分表的焊接變形測(cè)量監(jiān)控、激光跟蹤儀的焊接變形測(cè)量監(jiān)控、主管道SG軟件模型擬合等等。

4 結(jié)語(yǔ)

CAP1400項(xiàng)目的主管道焊接安裝及其全尺寸模擬試驗(yàn)是參考AP1000依托項(xiàng)目的施工人員培訓(xùn)、方案審核、施工前期準(zhǔn)備、施工過(guò)程管理等施工管理經(jīng)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)傳承和方法改進(jìn)。相信隨著核電主管道窄間隙焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，施工技術(shù)人員的不斷努力和焊接技術(shù)人員對(duì)知識(shí)的不斷探索，產(chǎn)品焊縫的焊接質(zhì)量也會(huì)越來(lái)越優(yōu)良。