CAP1400核電CV筒體焊接質量控制管理研究

劉志東，火永騰

(山東核電設備制造有限公司，山東 海陽　265118)

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CAP1400核電CV筒體焊接質量控制管理研究

劉志東，火永騰

(山東核電設備制造有限公司，山東 海陽265118)

摘要：文章歸納總結了CAP1400核電CV筒體在焊接過程中產生焊接缺陷的主要類型，分析缺陷產生的具體原因，提出相應的過程控制方法，通過在CV筒體1環施工過程中的實踐應用，證明其有效性和實用性，為其他核電項目CV筒體施工焊接質量控制提供參考依據。

關鍵詞：CAP1400核電；CV筒體；焊接控制；質量控制

CAP1400是我國科技中長期發展規劃的16個重大專項之一，CAP1400型壓水堆核電機組是在消化、吸收、全面掌握我國引進的第三代先進核電AP1000非能動技術的基礎上，通過再創新開發出具有我國自主知識產權、功率更大的非能動大型先進壓水堆核電機組[1]。

CV筒體板材質均為SA738 Gr.B，筒體內徑為43 m，總高為42.8 m，由11圈板組成，每圈由12塊環板組成，總重約為2 375 t；焊接方法為焊條電弧焊(SMAW),選擇E9018-G-H4的焊條。焊縫總長約為1 867 m，其中縱焊縫為132條、環焊縫為10條，均是雙面坡口熔透焊縫，筒體結構如圖1所示。

圖1　筒體結構示意圖

CV筒體結構尺寸大、板材厚，露天水泥施工場地容易受天氣等條件影響，如何控制焊縫焊接質量和焊接變形是現場施工的難點[2]。

1CV筒體施工工藝流程和技術要求

圖2所示為CV筒體施工工藝流程。施工中，焊縫目視檢查(VT)、焊縫液體滲透檢查(PT) 、焊縫超聲檢查(UT) 均要求100%檢測合格，筒體最大與最小直徑誤差要求≤215 mm，筒體任一橫截面的直徑與名義直徑相比，其誤差不得超過107.5 mm。

圖2　CV筒體施工工藝流程

2CV筒體焊接質量控制

根據CV筒體的結構特點，在制造過程中必須對焊接過程進行有效控制，才能保證CV筒體的最終質量。為此，需要統計分析產品在制造過程中的不合格項，以確定影響產品不合格的主要因素、次要因素和一般因素[3]，進行有針對性的預防和控制。

在CV筒體1環焊接過程中，采集大量的數據，繪制不合格項目排列圖[4]，如圖3所示。經分析發現，氣孔和變形是影響產品質量的主要因素，未熔合是影響產品質量的次要因素，裂紋等影響產品質量的一般因素。

圖3　不合格項目排列圖

2.1影響焊接不合格項目分析

焊接是CV筒體施工過程中的一個重要環節，在CV筒體1環焊接過程中，容易產生氣孔、未熔合、裂紋以及固體夾渣等4種焊接缺陷。

(1) 氣孔產生原因分析[5]。高溫液態熔池金屬溶解了較多的氣體(如氫氣和氮氣)，焊接冶金反應也會產生氣體(如一氧化碳和水蒸氣)，這些氣體在焊縫結晶過程中來不及逸出而殘留在焊縫中，就會形成氣孔。

由于CV筒體焊接是在室外進行，為了防止氣候條件對焊縫質量造成的缺陷，規定室外空氣濕度高于90%時禁止焊接，當環境溫度低于10 ℃時必須采取加熱措施，對焊接區域形成有效的圍封(圖4)，防止風速對焊接的影響[6]。

圖4　焊縫圍封效果圖

(2) 焊接變形原因分析[7]。焊接時，熔化的金屬及近縫區母材受熱膨脹，產生塑性變形。凝固時，焊縫和近縫區金屬收縮，從而產生縱向和橫向內應力，使焊縫縱向和橫向收縮，導致焊件變形。

(3) 未熔合產生原因分析[8]。常見原因有5種：① 焊接電流過小，但焊速過高，熱量不夠或焊條偏于坡口一側方向，使母材或先焊焊縫金屬未得到充分熔化就被熔化金屬覆蓋。② 母材或先焊的焊縫表面有銹、氧化鐵、熔渣及臟物等未清除干凈，在焊接時由于溫度不夠，未能將其熔化而蓋上了熔化金屬。③ 起焊溫度低，先焊的焊縫開始端未熔化。④ 手弧焊運條時偏離焊縫中心，熔化的金屬流到未熔化的表面上。⑤ 焊接坡口太小，焊根間隙太窄，會造成未熔合。

(4) 焊接裂紋產生原因分析。通過超聲檢查和過程數據統計分析，發現焊縫中最容易產生焊接裂紋的情況有如下3種[9]：① 打底焊時，對于剛開始焊接的第一道焊縫最容易產生裂紋，而且這種裂紋是由于鋼板不可避免的內應力所產生，需要在碳弧氣刨時挖除。② 清根結束后，再次進行填充焊前，需要預熱。由于清根后的焊縫焊肉較薄(厚度≤10 mm)，如果預熱溫度升溫過快就容易產生裂紋。③ 焊接結束后，焊縫降溫過快或人為地對焊縫進行急速降溫，此時也較容易產生裂紋。

2.2焊接過程控制

(1) 焊前使用吊籠、防火布等對焊縫進行有效圍封，防止風速影響。

(2) 焊接時采用多層多道，正、反面交替，接頭錯開焊，接頭錯開不小于30 mm。

(3) 先行焊接外側打底層和部分填充層。

(4) 完成打底層和部分填充層焊接之后，背面碳弧氣刨后再進行打磨清根或直接進行打磨清根(清根打磨時應打磨圓滑以便于下一層焊道焊接)，清根打磨后進行PT檢測。

(5) PT檢測合格后，完成剩余焊縫焊接。

(6) 焊接過程中，可采用全站儀或自制樣板進行過程變形檢查。待焊縫焊接完成后，采用全站儀測量焊縫兩側各30 mm左右半徑變形，并出具報告。若其形狀半徑與理論外形半徑誤差不超過52 mm，則變形符合設計要求。

(7) 每完成一條焊縫焊接后，對焊縫表面進行清理自檢[10-11]。

通過上述措施，產品一次合格率從80%提升到99%，焊接控制效果對比如圖5所示。

圖5　焊接控制效果對比圖

2.3焊接變形控制

2.3.1縱焊縫焊接變形控制

為了有效控制焊縫縱向變形和角向變形，在CV筒體鋼板組對時，采用組對器或其他調整工裝進行調整固定，使其達到控制要求。

(1) 組對間隙為0～10 mm，對于間隙在5～10 mm時，焊接時應使用陶瓷襯墊。如CV筒體組對過程中，使用工裝卡具進行調整固定，如圖6所示。

圖6　CV筒體拼裝組對卡具示意圖

(2) 焊接坡口組對錯邊量、焊接坡口尺寸公差應符合設計和焊接工藝規程要求，具體見表1所列。定位焊完成以后復查定位的尺寸是否改變。在縱縫、環縫允許的錯邊量范圍內應修整成平滑過渡，在完工的焊接寬度范圍內的斜度至少為3∶1。

表1　CV筒體錯邊量技術要求　　　　　　mm

(3) 焊接時，多采用對稱焊接和正、反交替焊接，盡量使焊接熱量輸入保持均衡，以達到控制焊接變形的目的。

2.3.2環焊縫焊接變形控制

(1) 環縫組對調整符合要求后，可同時安排多名焊工，分135個左右工位進行焊接，焊縫分段示意如圖7所示。

圖7　環縫焊接順序

(2) 焊接時采用多層多道，正、反面交替，接頭錯開焊，接頭錯開不小于30 mm。

(3) 完成打底焊道和部分填充焊縫之后，背面碳弧氣刨后再進行打磨清根或直接進行打磨清根，清根打磨時應打磨圓滑以便于下一層焊道焊接。

(4) 焊接過程中檢查焊接變形，可采用全站儀或自制樣板進行過程監測，待焊縫焊接完成后在焊縫兩側各30 mm左右半徑進行檢測，并出具報告。若其形狀半徑與理論外形半徑誤差不超過52 mm，則變形符合設計要求。

(5) 在焊接過程中，根據焊接變形可以適當調整內外側的焊接順序。

3結束語

在CV筒體焊接中，通過使用組對器、對稱焊接、規定焊接順序等一系列的有效措施，使CV筒體焊接變形量控制在±2 mm之內，從而很好地保證了產品質量。

在CV筒體1環施工過程中，通過過程監控和數據分析，總結出焊接缺陷的主要類型和產生缺陷的主要原因，提出一些行之有效的過程控制方法，給后續產品制造提供強有力的技術支持，產品的一次合格率從80%提高到99%，證明相關控制措施的有效性。

〔參考文獻〕

[1]孫廣見.7年錘煉“中國大核電”CAP1400蓄勢待發[EB/OL].[2016-03-21].http://news.xinhuanet.com/energy/2015-06/04/c_12879020.htm.

[2]程平東 孫漢宏.核電工程項目管理[M].北京:中國電力出版社，2006.

[3]全國質量用書編寫組.質量專業理論與實務[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2012.

[4]何楨.六西格瑪管理[M].北京:中國人民大學出版社，2014.

[5]顧鵬展.壓力容器焊接缺陷的產生與防治措施[J].科技信息，2007(3)：377.

[6]徐占發.建筑施工[M].北京:機械工業出版社，2009.

[7]劉會杰.焊接冶金與焊接性[M].北京:機械工業出版社，2007.

[8]田雙.淺談如何識別未焊透與未熔合[J].無損檢測，2000 (4)：22-23.

[9]張文鉞.焊接冶金學(基礎原理) [M].北京:機械工業出版社，1999.

[10]陳祝年.焊接工程師手冊(第2版)[M].北京:機械工業出版社，2010.

[11]林尚楊，于丹，于靜偉.壓力容器焊接新技術及其應用[J]．壓力容器,2009,26(11):1-6．

收稿日期：2016-03-04；修改日期：2016-03-25

作者簡介：劉志東(1991-)，男，吉林白山人，山東核電設備制造有限公司工程師．

中圖分類號：TG44

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0263-03