張海林 李鵬飛 常旭

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

CAP1000穩(wěn)壓器是壓水堆核電站的關(guān)鍵設(shè)備之一，用于主回路系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)和壓力保護(hù)，主要起維持系統(tǒng)壓力的作用。當(dāng)一回路壓力下降，穩(wěn)壓器電加熱器開始加熱產(chǎn)生蒸汽，蒸汽壓力增加使穩(wěn)壓器壓力升高，從而調(diào)節(jié)一回路系統(tǒng)壓力。電加熱器與電加熱器套管進(jìn)行焊接固定。因此，電加熱器套管與穩(wěn)壓器下封頭的焊接質(zhì)量對電加熱器的正常裝配和使用有著重要意義。在焊接過程中，為了有效控制電加熱器套管的焊接變形量，便于電加熱器的裝配滿足要求，需要采取必要措施對焊接變形進(jìn)行有效控制。

1 CAP1400穩(wěn)壓器與電加熱器套管結(jié)構(gòu)

CAP1000穩(wěn)壓器下封頭共設(shè)置78個電加熱器套管，在封頭內(nèi)壁分三圈布置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 穩(wěn)壓器下封頭與電加熱器套管裝配示意圖Figure 1 Assembly of pressurizer lower head and electric heater sleeve

下封頭內(nèi)壁使用鎳基堆焊凸臺，加工成臺階面，臺階面加工內(nèi)孔和碗裝的坡口。電加熱器套管通過冷裝的方式與封頭開孔部位進(jìn)行裝配，然后與鎳基坡口進(jìn)行焊接。電加熱器套管焊接后，其內(nèi)壁尺寸必須能垂直裝入電加熱器，便于電加熱器裝入后與內(nèi)壁裝配的支承托板裝配，符合圖紙要求，滿足電加熱器的使用要求。

2 焊接難點(diǎn)分析

為確保電加熱器套管焊接完成后滿足電加熱器順利裝配，滿足后續(xù)使用要求，電加熱器套管焊接后內(nèi)孔需順利穿入電加熱器且不能出現(xiàn)歪斜，同時為保證穩(wěn)壓器整體受壓狀況良好，需要確保焊縫質(zhì)量可靠，滿足承壓需求。

封頭開孔位置由鎳基材料堆焊凸臺，電加熱器套管材質(zhì)為SA-182 F316LN不銹鋼材料，壁厚5 mm。由于這兩種材質(zhì)都具有導(dǎo)熱率低、熱膨脹系數(shù)大的特點(diǎn)，在焊接過程中，易產(chǎn)生較大變形。因電加熱器套管采取過盈配合，本身存在一定的內(nèi)應(yīng)力，焊接后電加熱器套管內(nèi)直徑減小，導(dǎo)致電加熱器無法裝入。同時由于異種材料焊接，鎳基合金焊接性較差，焊接過程中要滿足承壓要求難度較大，需采取合理的焊接規(guī)范參數(shù)施焊，確保無損檢測合格。針對上述難點(diǎn)，需對電加熱器套管焊接過程中的焊接變形和焊縫質(zhì)量進(jìn)行控制。

3 電加熱器套管裝焊工藝流程

在穩(wěn)壓器制造過程中，電加熱器套管與下封頭裝焊主要按以下工藝流程進(jìn)行：

(1)對電加熱器套管外徑進(jìn)行測量并記錄，根據(jù)開孔尺寸確認(rèn)過盈量在工藝要求范圍內(nèi)，做好編號標(biāo)記，與待裝配的孔位一一對應(yīng)。

(2)準(zhǔn)備液氮，對電加熱器套管按照編號進(jìn)行冷卻。

(3)進(jìn)行電加熱器套管冷裝，裝配需一次到位，避免卡阻。

(4)按照焊接工藝規(guī)范要求進(jìn)行電加熱器套管與凸臺坡口焊接。

(5)檢測焊接變形情況，進(jìn)行無損檢測。

為順利實現(xiàn)電加熱器套管的裝焊，確保電加熱器實現(xiàn)裝配，注意采取措施，有效控制焊接變形。

4 電加熱器套管焊接變形控制措施

電加熱器套管與下封頭焊接變形主要影響因素有：結(jié)構(gòu)剛性、層間溫度、焊接順序等。因電加熱器套管壁厚只有5 mm，強(qiáng)度和剛性較差，同時因過盈配合存在一定的內(nèi)應(yīng)力，因此，需要加強(qiáng)其剛性，控制焊接變形；考慮層間溫度的影響，需要選取合適的焊接規(guī)范參數(shù)進(jìn)行施焊；通過合理的焊接順序調(diào)整，也可以有效控制焊接變形情況。因此，考慮從以上三個方面采取措施對電加熱器套管的焊接變形進(jìn)行控制。

4.1 防變形工裝設(shè)計

由電加熱器套管的結(jié)構(gòu)特性和工藝流程分析，焊接變形主要方向為內(nèi)孔直徑的收縮。由于電加熱器套管壁厚較薄，剛性較差，焊后會產(chǎn)生較大的焊接變形，導(dǎo)致尺寸超差，因此，需設(shè)計防變形工裝，增強(qiáng)電加熱器套管的剛性。

根據(jù)電加熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計一個脹緊工裝。脹緊工裝(見圖2)采用膨脹中心管結(jié)構(gòu)，在裝入電加熱器套管內(nèi)部時，通過螺栓調(diào)節(jié)將內(nèi)控?fù)尉o，施加一定的預(yù)緊力。工裝脹緊后，對儀表接管內(nèi)壁有一定壓力，與焊接變形方向相反。

圖2 防變形工裝結(jié)構(gòu)和使用示意圖Figure 2 Configuration and usage of anti-deformation tool

防變形夾持工裝與電加熱器套管裝配后，利用扳手把緊，施加一定的預(yù)緊力。同時，在整個焊接過程中，不取下工裝，確保焊接應(yīng)力不集中在電加熱器套管內(nèi)壁產(chǎn)生變形。同時，為便于工裝裝配后進(jìn)行焊接，工裝伸出長度需控制在合理范圍內(nèi)，便于調(diào)整焊接順序。

4.2 焊接規(guī)范參數(shù)的選擇

因電加熱器套管待焊接部位凸臺本體為鎳基合金，電加熱器套管為不銹鋼材質(zhì)。為保證焊接質(zhì)量，選取鎳基合金焊材作為填充金屬。焊接規(guī)范參數(shù)見表1。

表1 選用的焊接規(guī)范參數(shù)Table 1 Selected welding specification parameters

為減少溫度對焊接變形的影響，焊接過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫層間溫度≤50℃。由于單個電加熱器套管和凸臺尺寸較小，焊接時會導(dǎo)致焊縫溫度升高較快。因此，焊接過程中需輪流進(jìn)行施焊，給工件一定的冷卻時間，確保層間溫度可控。

4.3 焊接順序

在管類件的焊接過程中，焊接順序的調(diào)整對焊接變形方向具有重要影響作用。在坡口填充過程中，需要不斷調(diào)整焊接順序，最終實現(xiàn)焊縫變形情況可控。通過模擬件焊接，采取如圖3所示的焊接順序。

圖3 焊接順序示意圖Figure 3 Welding sequence

焊接時首先分四段對稱進(jìn)行點(diǎn)焊固定。按照0點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)、3點(diǎn)的順序進(jìn)行點(diǎn)焊固定，點(diǎn)焊固定不送絲，只使用電弧進(jìn)行熔合。之后進(jìn)行打底層焊接，按照圖示順序進(jìn)行打底層的對稱焊接，打底層需控制焊縫厚度并確保熔合良好。然后進(jìn)行100% PT檢測，合格后再進(jìn)行后續(xù)層的焊接。

填充層分2～3道進(jìn)行焊接，根據(jù)實際變形情況進(jìn)行調(diào)整。焊接時按照圖3所示方向?qū)ΨQ施焊，進(jìn)行下一層時按照上一層的相反對稱順序施焊，確保每層焊接變形方向相反，最終實現(xiàn)控制焊接變形的目的。

5 實施效果

5.1 電加熱器套管焊接變形情況

通過措施的實施，焊后對所有78根電加熱器套管進(jìn)行尺寸檢測，并用止通量具對電加熱器套管內(nèi)徑變形情況進(jìn)行檢查。經(jīng)確認(rèn)，電加熱器套管內(nèi)孔全部通過檢查(見表2)。

表2 焊前及焊接過程中的內(nèi)孔尺寸及通棒檢查情況Table 2 Inner hole size and pass bar inspection before and during welding

經(jīng)確認(rèn)，電加熱器套管與下封頭焊后變形控制良好，均通過止通量具檢驗。可以滿足電加熱器裝配，電加熱器裝配后可與支撐板開孔對中，符合設(shè)計要求。

5.2 電加熱器套管無損檢測結(jié)果

為確保電加熱器套管的焊接質(zhì)量，電加熱器套管與下封頭焊接過程中，對首層、坡口焊一半、焊縫表面進(jìn)行PT檢測，對角焊縫焊后進(jìn)行UT檢測，所有檢測均一次合格，符合工藝和標(biāo)準(zhǔn)要求。無損檢測情況見表3。

表3 電加熱器套管與封頭焊接探傷情況Table 3 Welding flaw detection of electric heater sleeve and head

由表3可以看出，通過對電加熱器套管坡口焊接的各項無損檢測，焊縫質(zhì)量滿足工藝要求，過程探傷和最終探傷檢測均合格，焊縫質(zhì)量可控。

6 結(jié)束語

通過防變形工裝的設(shè)計和應(yīng)用，有效提高了電加熱器套管的剛性，抵消其過盈配合后的內(nèi)應(yīng)力。焊接過程中，掌握了較為合理的鎳基合金焊接規(guī)范參數(shù)。通過模擬件焊接掌握了對電加熱器套管變形控制有利的焊接順序。通過以上措施的綜合應(yīng)用，實現(xiàn)了電加熱器套管與穩(wěn)壓器下封頭的裝焊工序，掌握了電加熱器套管焊接變形控制的關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)電加熱器的順利裝配提供了有效支持。