中国核工业华兴建设有限公司
摘要：薄壁大直径不锈钢筒体的制作一直存在着焊接变形大，易产生错边、尺寸精度难于控制的问题；本文以某核电站3号机组反应堆厂房（UJA厂房）检查井不锈钢筒体的制作为例，对其焊接变形进行分析，并通过设计合理的焊接工艺及工装，有效的解决了变形大的难题，为各行业同类产品的制作提供了指导借鉴。
关键词：不锈钢筒体；变形；工装；焊接顺序；
某核电站3号机组反应堆厂房（UJA厂房）检查井+12.43m~+24.43m标高段为圆筒状筒体，筒体四周设有L60×3mm角钢肋，在135°方向有电视摄像机隔间，筒体在车间分3段制作（每段4m），之后运输到现场拼接，拼接完成之后焊接电视摄像机隔间、筒体外部钢筋绑扎、混凝土浇灌，不锈钢筒体衬里同时起着混凝土内模板的作用，一次预埋到混凝土中，并在混凝土浇灌过程中承受着侧压力，结构形式见图1。筒体通过钢板卷制、焊接制成，材质为奥氏体不锈钢022Cr19Ni10，厚度仅为4mm，直径为Φ3686mm，属于大直径薄壁构件，刚性较差，在加工制作过程中极其容易产生变形。现根据筒体制作过程中焊接变形的特点，利用有效的工装及合理焊接工艺，使筒体焊接完成后变形控制在设计要求范围之内。
图1 检查井筒体结构形式
1 图样分析及技术要求
根据图纸规定及其它技术文件要求，筒体制作焊接方法采用手工钨极氩弧焊（GTAW），焊缝形式为C21（ГОСТ5264-80），焊缝无损检测方法为：100%VT+100%煤油泄露+15%RT，焊缝质量需满足俄罗斯标准ПНАЭГ-10-031-92 НД类焊缝要求；筒体焊接完成之后要求半径偏差为-2mm/+5mm，整体垂直度偏差为-2mm/+5mm，筒体焊缝错变量为小于等于0.5mm；待现场安装及墙体混凝土浇筑完成之后，对整个结构通过水压试验进行密封性检查，水压试验按照俄罗斯标准СНиП 3.03.01-87第4.108和4.109条的规定注入水保留24小时，如果在试验过程中筒壁的表面或底部边缘不出现渗漏，水位不低于设计标高，则认为液压试验合格，最后将水通过排水管将水排走。
2 制作难点分析
2.1筒体自身稳定性控制
检查井筒体总高度为12m，直径为Φ3686mm，板厚为4mm，由于筒体壁厚较薄，高度较高，筒体自身的刚度不足以支撑其规定的圆度，且安装到现场后还需浇灌混凝土，在浇灌混凝土过程中筒体承受着混凝土的侧壁压力，也容易导致筒体内凹变形，进而影响后续设备的安装。
2.2 焊接变形控制
检查井筒体材质采用经过国产化的022Cr19Ni10不锈钢，022Cr19Ni10为超低碳奥氏体不锈钢，韧性和塑性较高，强度较低，导热系数约是碳钢的1/3、其热膨胀系数也比碳钢大，焊接过程中产生应力和变形都比碳钢较大，碳钢与不锈钢的导热系数和热膨胀系数对比见表1；且检查井筒体壁厚仅为4mm，整个制作过程中禁止焊接任何临时构件，筒体焊后很难达到半径偏差-2mm/+5mm、整体垂直度偏差-2mm/+5mm、错变量不超过0.5mm的设计要求。
3 焊接变形分析
3.1 钢板拼接焊接变形
筒体周长为11580mm，钢板采购规格为4×2000×6500mm，因此钢板长度方向需拼接，拼接焊接接头采用C21（ГОСТ5264-80），焊接方法为手工钨极氩弧焊，焊缝背面需充氩气保护；由于焊接是一个不均匀的受热过程，故不可避免的会产生内应力和变形，拼焊过程中，在应力作用下会产生横向和纵向的收缩变形，同时也会产生由纵向收缩和横向收缩引起的角度变形，且钢板较薄，如果不合理的控制，会引起波浪变形及错边，使整个结构失稳。
3.2 筒体拼接焊接变形
筒体拼接主要是指两个筒节高度上的接长，两筒节之间通过一条环向焊缝连接，焊缝长度等于筒体周长，环焊缝的焊接接头采用C21（ГОСТ5264-80），焊接方法为手工钨极氩弧焊，坡口朝向筒体的外侧，焊缝背面充氩气保护；同理，由于壁厚较薄，焊缝焊后极易发生纵向和横向收缩变形，使得筒体焊缝区域内凹，校正困难；此外，在焊接过程中，焊工手法为摆动焊，焊工施焊摆动时坡口上下两侧停留时间应一致，否则坡口上下两侧受热不均匀会造成错边变形。
4 解决方案
4.1 内膜设计及制作
由于筒体壁厚较薄、高度较高，筒体自身的刚度不足以支撑其圆度，且后续现场安装完成后在浇灌混凝土过程中筒体承受混凝土的侧压力，因此，筒体内部须设置内模支撑，内模上下两圈采用［10槽钢卷圆制成，立柱为70×4mm的方钢管，中间支撑为L50×50×5mm的角钢，所有与不锈钢筒体接触的表面都贴2mm不锈钢隔离板，隔离板组成的圆的外径为R=1843mm，内模高度为1800mm；经受力分析及计算，此内模完全能承受现场浇筑混凝土产生的压力。
4.2 钢板拼接变形控制
由于钢板拼接时受热不均匀会产生角度变形和错边，焊缝两侧需采用刚性固定法进行固定，刚性固定法工装的材料宜采用刚性比较大的材料，为保证焊接时坡口两侧散热均匀，避免错边，工装距坡口两侧的距离应一致，加工平台提前预留尺寸为20×15mm的密封槽进行焊缝背面充氩保护（见图2）。
图2 不锈钢板拼接刚性固定法
4.3 筒体制作过程控制
钢板拼接完成之后进行卷圆，卷圆前应将卷板机卷制区域打扫干净，确保无灰尘、杂物等，不锈钢板采用专用聚乙烯薄膜将其包裹严密，确保不锈钢板不被铁素体污染；为避免不锈钢衬里在卷制过程中被划伤，应仔细检查卷板机辊子的表面，确保无异物及凸起的杂物；筒体卷制前开动机器进行空载运转检查，各转动部分运转声音正常，润滑良好，电器开关动作灵敏，运转正常后进行筒体卷制。卷制过程中，不锈钢板宽度方向应与辊子轴线方向平行送入卷板机，不得歪斜；
为便于检查筒体的卷制圆度，应制作样板，制作样板采用不易变形、坚固耐用的15mm厚的胶合板，样板的半径为1843mm，样板长度为1500mm；卷压量不宜过大，每压一段圆弧，即用样板进行检查，直到卷到需要的半径为止。
钢板卷圆完成之后，将其围在预制好的内模上，内模应放置在经过仪器测量超平的加工平台上，在围圆过程中要确保卷制好的钢板不发生歪斜，始终保持筒体上下口平行于地面，且距离内模边沿尺寸均为100mm，固定后焊接收口纵缝，收口纵缝最终要在现场切割掉，无需满焊，只需局部焊接使其不脱离内模即可。
4.4 筒体拼接环焊缝变形控制
4.4.1 环缝组对过程控制
筒体拼接的组对采用销轴加带孔板组对工装进行定位，销轴、带孔板采用不锈钢材质，且在上部筒体吊就位之前均匀设置在下部筒体的下沿，为确保安全，吊装上部筒体的吊车到位后不松钩直到筒体组对完毕；组对时通过销轴、带孔板调节筒体边沿的平齐度，确保无错边后方可进行定位焊接，定位焊缝长度不应小于10mm，两定位焊缝的距离不超过80mm，同时定位焊缝做为后续永久焊缝的一部分。
4.4.2 工装设置
由于筒体环焊缝上下两侧距离内模边沿高度为100mm，焊接区域刚度较小，由前面分析可知，筒体环焊缝容易产生内凹的角度变形及错边变形，且环焊缝背面在焊接过程中需进行充氩气保护；现采用刚度及热导率均稍大的25mm厚碳钢圆弧板来做工装，碳钢圆弧板宽度为180mm，长度为1930mm，共6件，圆弧半径为1843mm，碳钢圆弧板中间开充氩保护槽，开槽尺寸为15mm×15mm，碳钢圆弧板与不锈钢筒体接触部分均焊接2mm厚不锈钢隔离板，在圆弧板背面钻直径为8mm的孔并焊接氩气管接头；环焊缝焊接前，将此工装按照图3的方式安装在环焊缝背面，且保证焊缝始终处于充氩保护槽中间，安装完成后使用钩铁进行固定，然后用纸胶带将工装与筒体所有的缝隙进行密封。
图3 环焊缝工装安装图
4.4.3 环焊缝焊接
筒体环焊缝焊接由4名焊工沿着同一方向对称分段跳焊，隔一段焊一段，每段长度为400mm左右，4名焊工同时打底、填充、盖面，且焊接速度保持一致，焊接顺序见图10；为了控制焊接线能量，焊接时，在保证熔合良好的情况下电流参数尽量采用焊接工艺卡要求的下限值，焊缝背面通过氩气管充氩气保护，保护氩气流量为10~15L/min；焊缝正面焊接完成并检查合格后，为防止拆胎膜后焊缝变形回弹，先将焊缝正面角钢肋进行焊接，角钢肋和筒体的焊缝为普通角焊缝，焊脚尺寸为3mm，且为断续焊，隔200mm焊接100mm，由于筒体内侧有内模的支撑作用，角钢肋的焊接基本不会导致筒体变形，角钢肋之间的间距为418mm，亦可满足射线检测需求；待角钢肋焊接完成之后，拆除环焊缝工装，并对焊缝背面保护不好的地方进行适当的清根、焊接，全部焊接完毕后，对焊缝按设计要求进行无损检测，焊缝质量满足俄罗斯标准ПНАЭГ-10-031-92 НД类焊缝要求，焊缝错变量在0.5mm范围之内，且有效的控制了焊接变形。
5 结论
本文对不锈钢筒体制作过程中可能产生的焊接变形进行了分析，根据焊接变形的机理，设计合理的工装及焊接工艺顺序，成功的解决了不锈钢薄壁大直径筒体制作中焊接变形大、尺寸精度要求高的难题；其最大的优势在于，筒体在整个制作过程中没有焊接任何临时构件，避免了焊接临时构件有可能对不锈钢筒体造成的损坏，且工装简单、实用、成本低、可重复利用；它不仅提高了产品的质量、缩短了工期、节约了成本，也为解决此类大直径薄壁不锈钢筒体的焊接变形问题提供了宝贵的经验。
参考文献
[1]李立碑 孙玉福.《金属材料物理性能手册》，机械工业出版社 ,2011. 05，978-7-111-33830-7.
[2]田锡唐.《焊接结构》，北京 机械工业出版社，1997.10, 7-111-01810-9.
论文作者:徐运波
论文发表刊物:《防护工程》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/26
标签：工装论文; 不锈钢论文; 过程中论文; 混凝土论文; 钢板论文; 角钢论文; 圆弧论文; 《防护工程》2017年第27期论文;