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摘要：核电站主管道现场安装采用窄间隙EPR自动焊可提高主管道现场安装施工质量、缩短施工周期。介绍了福清、方家山两个核电工程自主研发的主管道窄间隙TIG自动焊工艺的焊接设备、坡口形式、焊接材料、工艺参数等，组对情况、性能试验、无损检测及焊接工期表明窄间隙EPR自动焊技术在核电站主管道现场焊接的工程应用是成功的，但由于窄间隙自动焊技术是国内核电工程首次应用，需加强反馈、积累经验。
关键词：主管道；自动焊；焊接工艺
引言
目前国内百万千瓦级核电站采用M310型机组，每台机组反应堆冷却剂系统为三环路布置，每条环路包括反应堆压力容器、蒸汽发生器、主泵三大主设备，通过反应堆冷却剂系统管道（简称主管道）将三大主设备连接起来，构成高温（设计温度343℃）、高压（设计压力17.2MPa，abs）、带放射性的反应堆冷却剂流动的环路。主管道现场焊接是整个核电厂建造的关键环节，直接关系到核电厂建造的质量和进度，国内M310型核电机组主管道现场安装采用了自主研发的窄间隙自动钨极惰性气体保护电弧焊（TIG）技术，相比以往的手工TIG打底加手工电弧焊填充的氩电联合手工焊工艺，该技术可提高主管道现场安装施工质量、缩短施工周期。
1 EPR焊接工艺
EPR核电站主回路系统由对称布置的四环路组成[1]，每个环路包括一台蒸汽发生器、一台主泵以及相连的主管道冷段、热段和过渡段，每个环路6个现场焊口，一共24个。
1.1 施工逻辑分析
EPR主管道焊接实施涉及压力容器、蒸汽发生器、主泵以及主管道回路设备，包含测量计算、坡口加工引入组对和焊接等工作[2]，各项工序具有严格的逻辑关系。EPR主管道由于采用自动焊工艺，其施工逻辑有了较大的改进。
1.2 施工工艺分析
自动焊工艺组对间隙要求为0-1mm[3]，相比传统手工焊1-4mm更为严格。因此，EPR核电站主管道施工引入了工装，以实现主管道的精确调整和组对，因此需要通过对主设备竣工尺寸进行精密测量；另外，为尽量消除安装公差对主管道组对影响[4]，主管道在组对调整过程中，需通过紧密测量严格控制设备安装位置，以满足自动焊组对的要求。
2 CPR1000焊接工艺
CPR1000焊接工艺[5]采用二代加一回路百万千瓦级压水堆核电站技术路线。一回路系统通过主管道将反应堆压力容器、蒸汽发生器、主泵、稳压器连接构成3个封闭的环路[6]。
2.1 焊接工艺评定
通过分析产品焊缝的母材材质、规格、坡口形式、焊接位置及焊接方法，主管道工?评定母材选用与产品同钢号，且母材硼含量小于0.0018%，氮含量小0.08%的不锈钢材料；由于主管道属于大壁厚管道，采用氩弧自动焊，坡口形式加工为窄间隙[7]U型。
2.2 现场焊接
CPR1000 压水堆核电站每个环路由热段、过渡段和冷段组成，热段连接压力容器和蒸汽发生器；过渡段连接蒸汽发生器和主泵泵壳；冷段连接主泵泵壳和压力容器[8]。每个环路现场焊口8道，3个环路共有24道焊口。3个环路的焊接顺序及焊接施工活动彼此不受影响，可以同时开展焊接活动。
3 AP1000主管道焊接工艺
3.1 AP1000核电站主回路介绍
AP1000核电站主回路系统分2个环路组成，包括1条热段和2条冷段，稳压器通过波动管与1环热段相连，每个环路有6道主管道焊口，每台机组共12道焊口[9]。
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3.2 AP1000核电站主管道安装施工逻辑
AP1000主管道的安装施工逻辑顺序：1）压力容器、蒸发器、主泵泵壳、主管道就位；2）主管道压力容器侧焊口坡口检查，焊口组对，内部使用点固块进行固定；3）RV侧焊接至主管道壁厚50%，并执行相应的过程检查；4）SG侧测量定位，并进行数据拟合切割，加工坡口；5）坡口检查，焊口组对，点固焊，焊接至约50%厚度，执行过程检查；6）焊接RV侧焊口50%～100%，焊接SG侧焊口50%～100%[10]。
3.3 AP1000核电站主管道焊接过程
AP1000核电站主管道冷段每道焊口由三部分组成[11]，热段焊口由四部分组成。其中冷段焊缝组成包括根部焊道、填充层焊道、盖面层焊道，热段焊缝组成包括根部焊道、内部填充焊道、填充焊道、盖面焊道。焊接组对要求：组对间隙0～2mm，内错边量0～0.8mm。
3 窄间隙自动焊工程应用
3.1 应用情况
相比氩电联合手工焊，窄间隙TIG自动焊工艺较易出现侧壁和层间未熔合缺陷，但自主研发的窄间隙TIG自动焊技术还是成功应用于福清、方家山等核电站主管道的现场焊接[3，6]。
福清、方家山5台机组共120道焊口组对间隙及内错边量均满足要求，合格率100%；工艺评定和焊接见证件性能试验自动焊接头拉伸强度与手工焊接头强度相当，而且自动焊接头熔敷金属的冲击韧性明显好于手工焊接头，特别是自动焊对热影响区韧性的降低更是远小于手工焊的影响；5台机组共120道焊口和10个焊接见证件均按要求进行了无损检测，检测结果总体良好，特别是最先施焊的2台机组焊缝无损检测合格率100%；采用窄间隙自动焊技术，单道焊口焊接时间为10～15天，相比手工焊约30天焊口，单道焊口焊接时间缩短将近一半。
3.2 焊接缺陷
福清、方家山5台机组共120道焊口和10个焊接见证件无损检测未发现焊接导致的咬边、裂纹等缺陷，除6道焊口出现个别焊接未熔合及气孔超标，其余都满足RCC-M规范[4]一级焊缝质量要求，无损检测结果总体良好。5台机组主管道窄间隙TIG自动焊接头未熔合和超标气孔缺陷情况见表3。
2.编号1和2的机组最先焊接，编号3、4、5的机组在编号1和2的机组焊接完成后才开始进行焊接.
对表3中无损检测结果进一步分析，存在如下现象：
1）后焊机组焊接缺陷比先焊机组焊接缺陷多。根据表3最先焊接的编号1和2两台机组共48道焊口无损检测未发现不满足设计要求的焊接缺陷，焊缝质量良好；在编号1和2两台机组焊接完成后进行的其它机组主管道的焊接，都出现了不满足设计要求的焊接缺陷。
2）采用自动焊工艺返修处易出现缺陷。在编号5的机组主管道焊接过程中，1U4和1U6焊口缺陷去除后采用窄间隙自动焊返修时再次出现不满足设计要求的焊接缺陷。
4 焊接缺陷原因分析及反馈
4.1 后焊机组焊接缺陷较多
在焊接缺陷出现后，经过询问焊接操作工、调阅焊接记录及焊接视频、检查焊接设备，缺陷主要由以下原因造成：
1）焊道表面与坡口侧壁边缘熔合区存在轻微的高低不均匀现象，在进行下一道焊接时，焊接操作工未对轻微不平处修整清理，导致后续焊道焊接时该处焊缝熔合不良。
2）焊接时焊丝出现轻微抖动等异常后未及时停止焊接，导致后续焊接出现熔合不良。
3）焊机轨道接头处些微不平整、导丝嘴孔径磨损增大等设备异常导致焊缝熔合不良。
4）出现焊丝尖偏离、铁水前涌等异常时，焊接操作工视频监控时观察重点为焊缝表面成型及侧壁熔合情况，未关注焊缝中心熔合情况，没有及时进行焊接过程中的微调，导致焊缝中心未熔合。
4.2 采用自动焊工艺返修处易出现缺陷
查阅焊接记录，自动焊返修处焊道宽度基本靠近工艺覆盖下限，且焊接缺陷人工打磨去除，打磨后坡口面不如机加平整，再根据焊接视频中熔池流动情况，分析认为自动焊工艺返修处易出现缺陷主要是打磨去除缺陷过程中因顾忌伤及母材，影响窄间隙焊道坡口状况，缺陷打磨后的焊道很窄，且打磨坡口面的修整不够，导致返修过程中出现气孔、侧壁未熔合等新缺陷。
4.3 反馈
无损检测结果表明，主管道窄间隙TIG自动焊技术能有效降低焊接未熔合风险，所进行的无损检测也能有效发现焊接未熔合缺陷，确保主管道焊接质量。但后焊的几台机组出现的缺陷处理情况表明：
1）窄间隙TIG自动焊对坡口状况要求极高，焊道间目视检查应观察到位，对成形不好的焊道应及时修整；
2）窄间隙TIG自动焊对焊接操作工要求极高，焊接过程中要观察到位，应能根据异常情况及时对钨极位置和送丝进行微调；
3）进一步把握自动焊接设备保养要点，对焊机易磨损也应加强监控，及时更换。
参考文献
[1]聂岩，王东，刘瑜.EPR核电站主管道自动焊施工技术研究[J].科技创新导报，2013：50-53.
[2]刘新利.核电站反应堆冷却剂系统主管道安装焊接[J].中国核电，2011，04：60-67.
[3]黄宗仁，董岱林，冯琳娜.核电厂主管道手工焊与自动焊工艺对比分析[J].电焊机，2015，45：107-111.
[4]王府强，蒋自强.核电站主管道焊接变形控制及应力消除[J].商品与质量，2016.
论文作者:常利波,栗涛
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第12期
论文发表时间:2018/9/21
标签：核电站论文; 间隙论文; 缺陷论文; 机组论文; 环路论文; 焊工论文; 手工论文; 《建筑学研究前沿》2018年第12期论文;