在役核電廠不銹鋼管道對接焊縫質量控制

劉 超，佟 慶，李 海

（中廣核核電營運有限公司，廣東深圳 518124）

0 引言

在役核電廠維修階段涉及到的大量不銹鋼管道焊縫，大部分為對接形式的焊縫，主要通過單面焊雙面成型的方式實施焊接。焊接方法一般采用手工鎢極氬弧焊進行打底、填充及蓋面層的全氬弧焊接，部分厚壁管道也會使用手工焊條電弧焊進行填充和蓋面焊，可提高焊接效率。由于受在役核電廠現場環境因素限制、不銹鋼管道本身的材料特性和焊接過程的特殊要求，焊接過程中經常會出現諸如打底層焊縫背部發渣、根部焊縫錯邊、焊后管道變形嚴重等焊接質量異常，導致焊后無損檢測不合格的情況。因此，需分析不銹鋼管道對接焊縫的焊接技術難點，制定有效的焊接質量控制措施，保障核電廠的安全穩定運行。

1 不銹鋼管道對接焊縫的焊接技術難點

1.1 根部焊縫錯邊

不銹鋼管道在生產制造過程中規格尺寸上會存在一定的允許公差，在役核電廠機組的維修方案一般會將不銹鋼管道進行切割后再重新實施回焊，有些甚至會出現多次反復切割焊接的情況，很大程度上增加了管道的變形量，導致焊口組對后極易出現錯邊異常，最終造成根部出現未焊透、未熔合等焊接缺陷，這在壁厚較薄的不銹鋼管道上尤其明顯（圖1）。

圖1 焊接缺陷

1.2 打底層焊縫背部發渣

不銹鋼管道對接焊縫形式主要以V形坡口為主，一般采用單面焊雙面成型的焊接方式。基于不銹鋼材料的特點，背部充氬效果直接影響打底層的焊接質量?，F場實際焊接過程中，經常出現因系統管道內存在風、水、氬氣室安裝異常等原因導致打底層焊縫背部發渣（圖2）。

圖2 充氬效果

1.3 焊接變形

不銹鋼具有較好的塑性和韌性，但因導熱性差、線膨脹系數大，焊縫周邊熱影響區域非常大，無限制條件下的焊接實施，會導致焊接過程中很容易出現應力集中和焊接變形，降低管道設計承載能力（圖3）。

圖3 焊后收縮變形

2 不銹鋼管道對接焊縫的焊接技術要點

2.1 焊口組對需滿足標準要求

良好的焊口組對是消除根部焊縫錯邊的有效手段，對接焊縫的錯邊量分為外表面和內表面兩部分，實際影響焊接操作的主要是管道內表面錯邊量，因此組對時應優先對齊管道內壁。如錯邊量超標，可使用銼刀、打磨機或者通過機加工車床對管道內壁進行機械內修，直至滿足組對要求。

核電廠在役維修對于核級管道的具體錯邊量標準需滿足RCC-M F4300的相關要求，即：內表面的最大錯變量不應超過e/20+1 mm（e為裝配件厚度），1級和2級設備的最大值為3 mm，3級設備的最大值為3.75 mm，外表面錯邊量應當滿足：厚度e＜12 mm，最大允許錯變量e/4 mm；厚度e≥12 mm，最大允許錯變量e/10+2 mm（最大8 mm），3級設備的最大值為10 mm。當2個不同厚度零件在對接時，e取較薄零件的厚度。測量內表面錯變量使用高低尺，外表面錯邊量則使用組合尺測量，選取4點對稱均勻測量。

圖4 焊口組對

2.2 建立合格的氬氣室

建立合格的氬氣室是防止不銹鋼管道打底層焊縫背部發渣的最有效方式。小口徑的管道氬氣室的建立較容易，而對于內徑大于48 mm以上的不銹鋼管道，氬氣室的建立難度會隨著尺寸的增加越來越高。

氬氣室的大小與充氬時間的長短、充氬量的大小成正比?？傮w上充氬效果的好壞與氬氣純度的高低、氬氣室的安裝位置、進氣口和排氣口的選擇、充氬速度的快慢及氬氣置換時間存在直接關系。

2.2.1 氬氣的選擇

不銹鋼管道焊接建立氬氣室的目的是通過氬氣對空氣進行置換，從而降低焊接區域的氧含量。因此氬氣的質量必須滿足使用需求，一般執行標準GB/T 4842—2006《氬》相關規定，氬氣含量需≥99.99%。在役核電廠維修常用的是含量為99.999%的高純氬氣，有利于獲得更好的充氬和焊接效果。

2.2.2 安裝氬氣室

常見的氬氣室類型有堵板氬氣室、水溶紙氬氣室、氣球氬氣室、氣囊氬氣室等：現場主要采用堵板氬氣室；在因管線布置等導致無法安裝堵板的情況時會使用水溶紙氬氣室；氣球和氣囊氬氣室存在較大的異物引入風險，只有在上述兩種氬氣室都無法實施的極端情況下才會偶爾用到，正常情況不推薦使用。

（1）堵板氬氣室。堵板采用耐高溫的橡膠或泡沫板，中間用不銹鋼板進行加固，并將其用不銹鋼牽引繩連接后延至管道外部，便于焊接完成后將堵板取出。堵板一般安裝在距焊口兩側各200 mm處，具體可根據實際情況進行調整，但需防止焊接溫度軟化和損壞堵板。由于氬氣密度大于空氣，進氣口安裝在一側堵板的下方，并將充氬管出氣口設置在另一側堵板的上方，以利于空氣的排除。焊縫間隙用耐高溫膠帶進行密封，為使焊接部位得到最佳的保護效果，焊接時可按需分段，逐步撕開密封膠帶（圖5）。

圖5 安裝堵板氬氣室

（2）水溶紙氬氣室。主要適用于管線路徑較長、彎頭及管線布置結構復雜等充氬困難的水沖洗管線。需先找到可作為進氣點的支管線充氬口，并關閉支管側主管道閥門。將水溶紙裁剪成圓形，直徑應大于管道內徑約60 mm。將其制作成一個略大于管道內徑的邊緣鋸齒狀水溶紙圓盤。在水溶紙圓盤中心的偏上方開出一個小孔，作為排氣口。最后將水溶紙用水溶膠帶或者水溶膠水將其固定在管道內部的另一側，建立氬氣室邊界（圖6）。

圖6 安裝水溶紙氬氣室

2.2.3 充氬進行空氣置換

氬氣室安裝完成后即可進行充氬，充氬流量的大小會直接影響焊接質量，充氬流量過小，無法起到保護效果，造成焊縫背部氧化，充氬流量過大，會在管內形成氣體紊流，空氣置換不徹底，并在打底焊接過程中對熔池有向外的推力，增加焊接難度。

以口徑6英寸（168.30 mm）不銹鋼管道為例，一般應先用5～10 L/min的流量充氬15 min左右，焊接前加大充氬流量至15～20 L/min，打底層臨近封口時再將流量降至5～10 L/min。需要注意填充層焊接時，在基礎焊縫厚度小于4 mm的情況下仍需維持5～10 L/min的充氬流量，以防止因基礎焊縫厚度不足造成背部氧化。

2.2.4 驗證充氬效果

驗證充氬效果的方法主要有：

（1）在密封膠帶處撕開與焊接時同等大小的口子，靠近進行點火試驗，如能正常點火說明氧含量過高，充氬效果不達標。

（2）密封膠帶處撕開與焊接時同等大小的口子，使用厚度1 mm左右的不銹鋼薄板緊貼開口處進行焊接驗證，根據焊接點背面顏色進行判斷：呈銀白色、紫色、金黃色說明氬氣充足，若為黑色或呈氧化狀則表示充氬效果不達標。

（3）使用測氧儀對氬氣室內氧含量進行檢測，當氧含量＜2%為滿足要求。

2.3 控制焊接變形

在役核電廠維修控制焊接變形最常用的方法有：預留反變形余量，選擇合理的焊接順序，優化焊道布置，控制焊接熱輸入。

2.3.1 預留反變形

以水平固定管道為例，組對時仰焊起弧位置預留間隙應比平焊收弧位置預留間隙小2～3 mm，由于焊接過程中焊縫會向收弧位置進行收縮，因此焊接完成后焊口最終會趨于平直（圖7）。

圖7 預留反變形

2.3.2 選擇合理的焊接順序

以水平固定管道為例，一般采用分段對稱的焊接順序，具體的施焊順序如下（圖8）：

圖8 水平固定管焊接

（1）打底層順序：6點→9點，6點→12點，9點→12點；

（2）填充及蓋面層順序：6點→9點，3點→12點，9點→12點，6點→3點。

2.3.3 優化焊道布置

采用多層多道焊，可降低焊接應力集中，減少焊接變形。多層多道焊熔池擺動寬度小，熱影響區小，焊縫高溫停留時間短，防止了焊接接頭過熱，能夠有效改善金相組織，顯著提高焊接金屬的塑性和韌性（圖9）。

圖9 多層多道焊

2.3.4 控制焊接熱輸入

選擇合適的焊接方法匹配對應的焊接工藝，合理地使用焊接電流和焊接速度能夠有效控制焊接熱輸入。

（1）合適的焊接方法：盡量使用手工鎢極氬弧焊（TIG），并用搖擺焊的操作方式。鎢極氬弧焊的焊接線能量比焊條電弧焊小很多，搖擺焊的節奏頻率高，兩者組合能有效控制層間溫度。

（2）較小的焊接電流：根據現場實際焊接經驗，打底層需使用較小的焊接電流，填充層可適當加大焊接電流防止層間未熔合，蓋面層較填充層需適當減小焊接電流。規格為273 mm×3.05 mm的不銹鋼管焊接參數見表1。

表1 薄壁不銹鋼管焊接參數

（3）較快的焊接速度：不銹鋼管道焊接在不影響焊接質量的前提下，應盡量使用較快的焊接速度，防止熔池急劇升溫、焊縫局部出現氧化現象。

3 結論

（1）通過合適的測量工具、準確的測量方法及適當的修磨措施，可實現焊口組對的標準要求，有效控制焊接錯邊量。

（2）針對不同的系統條件，建立相應類型的合格氬氣室是防止打底層焊縫背部發渣的有效措施。

（3）將焊前預留反變形，焊接過程中優化焊接順序和焊道布置，控制焊接熱輸入等方法結合使用，可顯著減少焊接變形和焊接應力，獲得優質的不銹鋼管道對接焊縫。

在役核電廠不銹鋼管道對接焊縫在實際工作中存在諸多技術難點，需針對具體問題梳理分析制約因素，制定相應的處理措施，不斷總結和固化良好實踐，積累經驗。