主管道窄間隙全位置焊接機(jī)頭的改造

劉堯

1. 概述

核電站主管道是核電站施工中最重要也是技術(shù)難度最大的一項工程，主要原因在于主管道是核島內(nèi)連接核反應(yīng)堆、蒸發(fā)器和主泵的管路，常年處于高溫、高壓狀態(tài)下，不能發(fā)生任何質(zhì)量問題，一旦發(fā)生泄漏將可能對周圍環(huán)境及人員造成嚴(yán)重危害，并且由于核輻射的問題對主管道進(jìn)行維修和維護(hù)的成本極高。同時，主管道直徑大（接近1 m），壁厚（接近100mm），再加上施工環(huán)境限制，要保證極高的焊接質(zhì)量十分困難。

在國外，早在20世紀(jì)六七十年代，就已在核電站主管道上采用了自動焊，以更好的控制焊接質(zhì)量，保證主管道高可靠、長壽命的使用要求。而在我國，從2000年以后才開始主管道自動焊技術(shù)的研究。隨著我國核電站建設(shè)項目的不斷增加，為確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和提高主管道施工的生產(chǎn)效率，對主管道實施自動化焊接顯得極為迫切。

我公司作為從事航天制造領(lǐng)域的重要企業(yè)，從2007年起，通過與國外先進(jìn)自動化焊接裝備公司的合作，并結(jié)合自身所積累的航天焊接制造技術(shù)，在國內(nèi)核電領(lǐng)域大力推廣全位置窄間隙自動焊技術(shù)和設(shè)備，并于2009年與中廣核工程有限公司達(dá)成了合作項目，為其所承建的核電站主管道提供窄間隙全位置自動焊接系統(tǒng)及相關(guān)的技術(shù)服務(wù)。

圖1 主管道一個機(jī)組布置

圖2 主管道一個環(huán)路8個焊口布置

圖3 U1軌道試裝

圖4 軌道安裝

2. 難點分析及解決措施

目前國內(nèi)的核電站多為第三代CPR1000核電技術(shù)，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主管道分三個環(huán)路，每個環(huán)路有冷段、熱段和過渡段共8條焊縫（見圖2），三個環(huán)路共有24條焊縫。

雖然所引進(jìn)的全位置窄間隙自動焊機(jī)在國外核電站主管道焊接上已有許多成功的案例，但由于我國CPR1000的設(shè)計是基于手工焊技術(shù)，現(xiàn)在要采用自動焊方法施工，主管道的加工精度和現(xiàn)場可操作空間是影響自動焊是否能夠成功應(yīng)用的最為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為了確保主管道所有焊口都能順利實施自動焊，在設(shè)備交付用戶后，我們配合用戶將所有從國外引進(jìn)的焊接機(jī)頭和軌道在嶺澳二期已焊接完成（手工焊）的主管道上進(jìn)行模擬裝配焊接試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于用于U1口焊接機(jī)頭的軌道無法固定在管道上而造成U1口無法實施自動焊（見圖3）。

經(jīng)分析，主要原因是： 軌道所要安裝的管道段為一個彎頭，直管段非常短，比原圖樣上的理論尺寸還要短，軌道如果安裝到直管段上，那么機(jī)頭沿管道軸向長度將超過焊縫中心很多，焊槍無法在焊縫部位施焊。如果將軌道下移至焊槍能夠位于焊縫部位，那么軌道就要固定在彎曲的管段上，其表面不規(guī)則，軌道無法固定住。因此，解決U1口自動焊問題，成了整個主管道是否能夠完全實施自動焊的最大難點。

U1口是整個主管道自動焊第一條開始焊的焊口，留給我們的時間非常緊。為了盡快解決U1口焊接問題，我們經(jīng)過仔細(xì)研究該部位的結(jié)構(gòu)特點，進(jìn)行三維模擬，最終決定將軌道固定到焊口上部的蒸發(fā)器側(cè)（見圖4），因為這側(cè)的直線段較長，有利于軌道的固定和保證機(jī)頭的運行空間。

但由于焊口在焊接完成后，需要進(jìn)行蓋面的堆焊，蓋面的寬度至少要50mm，機(jī)頭安裝后，其軸向最短長度雖然能滿足焊口的焊接要求，但無法滿足蓋面的焊接要求，因此，必須要對機(jī)頭進(jìn)行改造。

如圖5所示，原機(jī)頭安裝到軌道上后，鎢極到軌道邊緣最小長度為17 0mm。為了縮短機(jī)頭軸向長度，同時又不增加機(jī)頭的徑向空間，我們將機(jī)頭機(jī)身和焊接前端之間加了一塊Z型的過渡板，目的是將焊接前端移到機(jī)頭的側(cè)面（見圖6），改造后鎢極到軌道邊緣最小長度達(dá)到5i n（127mm），縮短了約43mm。

此外，由于軌道安裝非常靠近蒸發(fā)器接管的圓弧（見圖7），機(jī)頭夾持軌道的部位與圓弧處過近，造成機(jī)頭安裝十分困難，并且極有可能在焊接過程中與圓弧處產(chǎn)生碰撞。為此，我們重新設(shè)計了一套軌道，將軌道直徑尺寸適當(dāng)加大，由原來直徑40i n（1016mm）改為41i n（1041.4mm）。

為了確保改造能夠完全滿足U1口自動焊要求，在改造完成后，我們又在核島內(nèi)進(jìn)行了兩次模擬裝配焊接試驗，確認(rèn)了機(jī)頭的改造滿足U1口自動焊要求。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)頭安裝尺寸模擬

圖6 改造后機(jī)頭模擬

圖7 機(jī)頭夾緊部位模擬

圖8 寧德核電站主管道自動焊啟動

圖9 U1口焊縫外觀

3. 實施效果

在2011年1月25日，寧 德核電站第一條主管道焊縫（U1口），也是中國第一條采用自動焊的主管道焊縫施工開始（見圖8）。經(jīng)過大約2周時間第一條U1口焊接完成（見圖9），焊縫質(zhì)量均一次檢測合格。隨著U1口焊接的成功，后續(xù)其他所有焊口的自動焊也先后順利完成，這標(biāo)志著我國第一個采用自動焊施工的核電站獲得圓滿成功。

4. 結(jié)語

U1口焊接機(jī)頭是整個主管道窄間隙全位置自動焊設(shè)備中技術(shù)難度最大的一部分，在我公司技術(shù)人員不懈努力下，并在最短的時間內(nèi)改造完成，確保了我國第一個采用自動焊施工的核電站主管道得以順利實施，并為最終取得圓滿成功奠定了基礎(chǔ)。

主管道自動焊的應(yīng)用使焊接質(zhì)量及其穩(wěn)定性有了大幅提高，使我國在此領(lǐng)域達(dá)到了世界先進(jìn)水平，具備了與國際核能巨頭相當(dāng)?shù)募夹g(shù)能力。此外，在工期方面，自動焊技術(shù)應(yīng)用有效地縮短了主管道的焊接工期，單道焊縫的焊接工期由手工焊的35天縮短至15天，單臺機(jī)組主管道焊接總工期由手工焊最短102天縮短至79天，為核電站提早運行發(fā)電創(chuàng)造了條件。