反應堆冷卻劑管道焊接中的難點和重點

武妍

中核檢修有限公司三門分公司 浙江臺州 317109

CAP1400國核壓水堆示范工程核島安裝項目2號機組反應堆冷卻劑系統包括兩個環路，每個環路包括1根熱段管段和2根冷段管段，每個管段有2道焊口，其中一道焊口連接反應堆壓力容器，另一道焊口連接蒸汽發生器（熱段）或主泵（冷段），共12道焊口。反應堆冷卻劑管道是連接反應堆壓力容器、蒸汽發生器和反應堆冷卻劑泵的閉式循環回路，是壓水堆核電站最關鍵的核安全Ⅰ級設備，管內介質為帶有放射性的硼酸水。國核壓水堆示范工程核島安裝項目2號機組主管道布置示意圖參見下圖1。

圖1 CAP1400主管道布置和焊口號圖

1 工程的概況

國核壓水堆示范工程核島安裝項目2號機組主管道全尺寸模擬焊接施工是以其中A環路為原型，在反應堆壓力容器模擬件、蒸汽發生器模擬件（含主泵）、和主管道模擬件（2根冷段、1根熱段）制作完成后，進行主管道全尺寸模擬焊接試驗。A環路主管道全尺寸模擬焊接試驗中共計6道焊口。模擬主回路焊口分布一覽表詳見表1。

表1 模擬主回路焊口分布一覽表

2 主管道全尺寸模擬試驗中的焊接難點和重點

主管道產品的焊接工作看似只有兩個環路，12道焊口，但是想要成功的組對并完成合格焊接質量的焊縫，難度還是很大的。主管道產品的焊接工作中有很多重點和難點，這些要求施工人員和焊接技術人員必須要在產品焊接之前進行全尺寸模擬焊接試驗，通過反復不斷的試驗積累數據和施工經驗，熟練掌握解決各種可能會出現問題的方法。以下是我根據全尺寸模擬焊接試驗分析并總結的幾種焊接難點和重點[1]。

2.1 焊口充氬保護裝置的設計

2.1.1 安裝充氬保護裝置

為了保證焊縫背面成型和焊縫質量，在主管道內部安裝充氬保護裝置，如圖2安裝充氬保護裝置前對主管道內部的充氬保護腔室進行清潔處理（用無水乙醇擦拭并用無毛白布擦干）。按照主管道熱段規格尺寸，制作合適的專用充氬保護裝置并安裝。充氬裝置的材料宜用硬質塑料。

充氬裝置與管道內壁接觸位置應在焊縫熱影響區外，確保裝置不因焊接區域高溫而產生對主管道產生不良影響。專用充氬保護裝置應設進氣孔和出氣孔，防止充氬腔室內壓力過高。由于氬氣比重大于空氣比重，進氣孔應設置在下方，出氣孔應設置在上方[2]。

2.1.2 充氬保護流量，同時相應逐漸減低乏氣瓶的氣流量直至關閉，過程中盡可能保證總氣流量的穩定。準備好新的氣瓶在乏氣瓶關閉之后立即使用，過程中仍要保證總進氣量滿足施工工藝要求[3]。

2.1.3 測量腔室內氧氣含量

使用氧含量分析儀測量充氬腔室內氧氣濃度，氧氣濃度不大于1%。氧含量高于1%時，繼續進行充氬直到檢測合格。若長時間氣體檢測不合格，停止充氬，待腔室周圍氬氣濃度降低后檢查裝置周邊氣密性等原因并解決確保后續充氬保護工作正常。正式焊接前將氬氣流量調小至滿足焊接施工要求（氬氣流量過大或過小均影響焊縫成型質量）。

結論：由于純度為99.999%的氬氣價格比較昂貴，氣室太大造成氬氣浪費。但是氣室太小，導致了稍微調整一點流量充氬效果

用氬氣皮管連接氣瓶和充氬裝置進氣孔，連接過程注意不要破壞充氬裝置的氣密性，打開氣瓶閥門進行充氬。開始時采用大流量進氣方式對氣室進行充氬，以快速趕出氣室內的空氣，持續充氬時間不少于30min，然后按焊接工藝卡或技術交底要求調節好充氬流量。充氬時應注意氬氣瓶剩余壓力，不得低于0.2Mpa。為保證充氬過程的連續性，應同時準備兩瓶氬氣進行背面充氬，當其中一瓶氣壓接近最低使用要求時，將另一瓶氣緩慢提升氣流量到原進氣總的變化就很大。當流量過小時，保護效果不好，流量過大時，嚴重焊縫成型造成了內凹的缺陷。過小的氣室是很難把握調整到合適的流量的。合適的充氬裝置在一定程度上既保證了焊縫熔池保護效果，又節約了企業生產成本。焊接前充氬的時間也決定了焊縫熔池保護效果，此次試驗結論為該裝置至少需要充氬半小時[4]。

圖2 充氬保護裝置示意圖

2.2 焊接起弧位置的選擇

2.2.1 點固焊

點固焊的起焊位置并不做特殊要求，根據組對工裝的限制，可以從操作最方便處起焊，以此按圖3的方式選擇從坡口內或管道內進行定位焊。

圖3 定位焊裝配示意圖

2.2.2 打底焊

對于首道根部打底焊，打底焊道從組對間隙較小的位置起弧，因為經過一圓周的焊接后，組對間隙相對較大處由于熱輸入的影響導致焊縫軸向收縮間隙有所縮小，這樣便是減小了較大處打底焊接的難度。

2.2.3 層間焊和蓋面焊和修飾焊

對于層間焊和蓋面焊，起弧位置的選擇原理同打底焊是一樣的，如圖4通過游標卡尺測得12、3、6、9四個點的焊接收縮量，找出測得的數據的跟原始數據對比差值最小的一處作為下一焊道的起弧點，兩道之間的起弧位置應錯開一段距離。

結論：RV側焊口每一焊道起弧位置的選擇，決定了下一焊道焊接時SG側焊口往哪個點鐘位置偏向。通過每一焊道調整起弧位置來最終使SG側焊口組對成功。

圖4 焊縫軸向收縮量測量點位置

2.3 窄間隙自動焊新舊焊機焊接熱輸入的計算

主管道采用窄間隙自動氬弧焊機進行焊接，型號規格為利寶地GT-Ⅵ，軌道配有冷段軌道2套（Φ冷軌道=870mm），熱段軌道外徑規格1套（Φ熱外軌道=11750mm），內徑規格1套（Φ熱內軌道=870mm）。由于焊接電源為脈沖電源，如圖5所示波形圖為方波，所以根據傳統的原始焊接熱輸入公式如下公式（1）所示計算得出的窄間隙自動焊熱輸入顯然并不準確。

表2 模擬試驗不同位置缺陷返修

圖5 脈沖電源方波波形圖

公式（1）：熱輸入（J/in）=

U—電壓，單位伏特V

I—電流，單位安培A

V—焊接速度，in/min

利寶地新推出的焊機由于系統程序中自帶了輸入軌道規格尺寸的功能，所以在焊機焊接過程中可以自動實現將軌道行走角速度轉化為實際焊接行走線速度，故焊機顯示屏上的焊接熱輸入，就是焊機根據V實際焊接行走線速度瞬間計算得出并在屏幕上的真實焊接熱輸入。

但是利寶地的舊焊機卻沒有很好的解決這一問題，V實際焊接=V軌道行走＊Φ實際/Φ軌道，由于不同的軌道尺寸規格不一致，那么即便是軌道行走角速度和實際行走直徑一樣的條件下，實際焊接行走線速度也是不一樣的。利寶地的舊焊機系統程序中并沒有設計出輸入焊接軌道規格尺寸的地方，所以顯示屏上給出的焊接熱輸入也是不準確的。經過與焊機加拿大廠家研發人員的溝通和交流，并結合窄間隙自動焊機的波形特點，在原始公式（1）基礎上修改衍生出如下窄間隙自動焊機熱輸入計算公式（2）：

公式（2）：熱輸入（J/in）=

其中V實際焊接=V軌道行走＊Φ實際/Φ軌道

U峰值—峰值電壓，單位伏特V（手動輸入）

U基值—基值電壓，單位伏特V（屏幕顯示）

I峰值—峰值電流，單位安培A（手動輸入）

I基值—基值電流，單位安培A（手動輸入）

V—焊接線速度，in/min

結論：利用以上公式（2）通過在excel表中插入函數計算所得的舊焊機熱輸入與新焊機屏幕上顯示的熱輸入進行對比發現，公式計算的數值大于屏幕顯示數值5000J/in左右。

2.4 主管道焊縫的缺陷返修

原則上，除打底過程發生的影響后續焊接正常進行的缺陷外，均采取缺陷返修方式處理焊接缺陷，如打底過程中發生了影響后續正常焊接施工的，如熔穿、打底凹坑等，應先跳過缺陷發生位置，完成后續打底焊接，再返回處理發生的缺陷，確保后續焊接正常進行[5]。如在15mm進行的無損檢測發現該位置存在其他焊接缺陷，則采取返修措施進行處理見表2。

去除缺陷時，打磨區域應成拋物線形狀以便于后續補焊。缺陷去除后，凹坑應與臨近焊縫兩端平滑過渡；缺陷打磨時不宜用力過大，應逐步緩慢去除缺陷。打磨至接近缺陷位置時須控制每次打磨量不大于0.5mm，每次打磨后都要觀察打磨位置，盡可能顯示缺陷。操作人員發現疑似缺陷且打磨去除后方可通知NDE進行打磨區域檢測。打磨過程中控制打磨溫度，當局部打磨區域出現發藍現象，立即停止打磨，待溫度降下來后再進行后續打磨；采用坡口機去除缺陷時當加工至臨近缺陷位置時，應控制每次加工進刀量小于0.5mm，且操作人員須逐次觀察打磨后的缺陷位置，確認去除焊縫缺陷后，再用5°成型刀對坡口機機加區域進行坡口修整，或采用手工打磨的方式修整坡口，對打磨區域進行目視檢驗(VT)、液體滲透檢測(PT)。必要時還可添加射線檢測(RT)。若檢測結果不合格，繼續打磨直至檢驗結果合格。

結論：帶▼處，18mm、15mm和23mm的數值是根據使用的打磨工具可達焊縫深度來確定的。可以根據不同的工具尺寸進行相應調整。

3 主管道全尺寸模擬試驗中的其他難點和重點

主管道全尺寸模擬試驗中除了以上幾種焊接難點和重點，還有主管道坡口加工、主管道吊裝、主管道焊口組對、主管道熱段稱重、百分表的焊接變形測量監控、激光跟蹤儀的焊接變形測量監控、主管道SG軟件模型擬合等等。

4 結語

CAP1400項目的主管道焊接安裝及其全尺寸模擬試驗是參考AP1000依托項目的施工人員培訓、方案審核、施工前期準備、施工過程管理等施工管理經驗，并在此基礎上進行了經驗傳承和方法改進。相信隨著核電主管道窄間隙焊接技術的不斷發展，施工技術人員的不斷努力和焊接技術人員對知識的不斷探索，產品焊縫的焊接質量也會越來越優良。