武妍

中核检修有限公司三门分公司 浙江台州 317109

CAP1400国核压水堆示范工程核岛安装项目2号机组反应堆冷却剂系统包括两个环路，每个环路包括1根热段管段和2根冷段管段，每个管段有2道焊口，其中一道焊口连接反应堆压力容器，另一道焊口连接蒸汽发生器（热段）或主泵（冷段），共12道焊口。反应堆冷却剂管道是连接反应堆压力容器、蒸汽发生器和反应堆冷却剂泵的闭式循环回路，是压水堆核电站最关键的核安全Ⅰ级设备，管内介质为带有放射性的硼酸水。国核压水堆示范工程核岛安装项目2号机组主管道布置示意图参见下图1。

图1 CAP1400主管道布置和焊口号图

1 工程的概况

国核压水堆示范工程核岛安装项目2号机组主管道全尺寸模拟焊接施工是以其中A环路为原型，在反应堆压力容器模拟件、蒸汽发生器模拟件（含主泵）、和主管道模拟件（2根冷段、1根热段）制作完成后，进行主管道全尺寸模拟焊接试验。A环路主管道全尺寸模拟焊接试验中共计6道焊口。模拟主回路焊口分布一览表详见表1。

表1 模拟主回路焊口分布一览表

2 主管道全尺寸模拟试验中的焊接难点和重点

主管道产品的焊接工作看似只有两个环路，12道焊口，但是想要成功的组对并完成合格焊接质量的焊缝，难度还是很大的。主管道产品的焊接工作中有很多重点和难点，这些要求施工人员和焊接技术人员必须要在产品焊接之前进行全尺寸模拟焊接试验，通过反复不断的试验积累数据和施工经验，熟练掌握解决各种可能会出现问题的方法。以下是我根据全尺寸模拟焊接试验分析并总结的几种焊接难点和重点[1]。

2.1 焊口充氩保护装置的设计

2.1.1 安装充氩保护装置

为了保证焊缝背面成型和焊缝质量，在主管道内部安装充氩保护装置，如图2安装充氩保护装置前对主管道内部的充氩保护腔室进行清洁处理（用无水乙醇擦拭并用无毛白布擦干）。按照主管道热段规格尺寸，制作合适的专用充氩保护装置并安装。充氩装置的材料宜用硬质塑料。

充氩装置与管道内壁接触位置应在焊缝热影响区外，确保装置不因焊接区域高温而产生对主管道产生不良影响。专用充氩保护装置应设进气孔和出气孔，防止充氩腔室内压力过高。由于氩气比重大于空气比重，进气孔应设置在下方，出气孔应设置在上方[2]。

2.1.2 充氩保护流量，同时相应逐渐减低乏气瓶的气流量直至关闭，过程中尽可能保证总气流量的稳定。准备好新的气瓶在乏气瓶关闭之后立即使用，过程中仍要保证总进气量满足施工工艺要求[3]。

2.1.3 测量腔室内氧气含量

使用氧含量分析仪测量充氩腔室内氧气浓度，氧气浓度不大于1%。氧含量高于1%时，继续进行充氩直到检测合格。若长时间气体检测不合格，停止充氩，待腔室周围氩气浓度降低后检查装置周边气密性等原因并解决确保后续充氩保护工作正常。正式焊接前将氩气流量调小至满足焊接施工要求（氩气流量过大或过小均影响焊缝成型质量）。

结论：由于纯度为99.999%的氩气价格比较昂贵，气室太大造成氩气浪费。但是气室太小，导致了稍微调整一点流量充氩效果

用氩气皮管连接气瓶和充氩装置进气孔，连接过程注意不要破坏充氩装置的气密性，打开气瓶阀门进行充氩。开始时采用大流量进气方式对气室进行充氩，以快速赶出气室内的空气，持续充氩时间不少于30min，然后按焊接工艺卡或技术交底要求调节好充氩流量。充氩时应注意氩气瓶剩余压力，不得低于0.2Mpa。为保证充氩过程的连续性，应同时准备两瓶氩气进行背面充氩，当其中一瓶气压接近最低使用要求时，将另一瓶气缓慢提升气流量到原进气总的变化就很大。当流量过小时，保护效果不好，流量过大时，严重焊缝成型造成了内凹的缺陷。过小的气室是很难把握调整到合适的流量的。合适的充氩装置在一定程度上既保证了焊缝熔池保护效果，又节约了企业生产成本。焊接前充氩的时间也决定了焊缝熔池保护效果，此次试验结论为该装置至少需要充氩半小时[4]。

图2 充氩保护装置示意图

2.2 焊接起弧位置的选择

2.2.1 点固焊

点固焊的起焊位置并不做特殊要求，根据组对工装的限制，可以从操作最方便处起焊，以此按图3的方式选择从坡口内或管道内进行定位焊。

图3 定位焊装配示意图

2.2.2 打底焊

对于首道根部打底焊，打底焊道从组对间隙较小的位置起弧，因为经过一圆周的焊接后，组对间隙相对较大处由于热输入的影响导致焊缝轴向收缩间隙有所缩小，这样便是减小了较大处打底焊接的难度。

2.2.3 层间焊和盖面焊和修饰焊

对于层间焊和盖面焊，起弧位置的选择原理同打底焊是一样的，如图4通过游标卡尺测得12、3、6、9四个点的焊接收缩量，找出测得的数据的跟原始数据对比差值最小的一处作为下一焊道的起弧点，两道之间的起弧位置应错开一段距离。

结论：RV侧焊口每一焊道起弧位置的选择，决定了下一焊道焊接时SG侧焊口往哪个点钟位置偏向。通过每一焊道调整起弧位置来最终使SG侧焊口组对成功。

图4 焊缝轴向收缩量测量点位置

2.3 窄间隙自动焊新旧焊机焊接热输入的计算

主管道采用窄间隙自动氩弧焊机进行焊接，型号规格为利宝地GT-Ⅵ，轨道配有冷段轨道2套（Φ冷轨道=870mm），热段轨道外径规格1套（Φ热外轨道=11750mm），内径规格1套（Φ热内轨道=870mm）。由于焊接电源为脉冲电源，如图5所示波形图为方波，所以根据传统的原始焊接热输入公式如下公式（1）所示计算得出的窄间隙自动焊热输入显然并不准确。

表2 模拟试验不同位置缺陷返修

图5 脉冲电源方波波形图

公式（1）：热输入（J/in）=

U—电压，单位伏特V

I—电流，单位安培A

V—焊接速度，in/min

利宝地新推出的焊机由于系统程序中自带了输入轨道规格尺寸的功能，所以在焊机焊接过程中可以自动实现将轨道行走角速度转化为实际焊接行走线速度，故焊机显示屏上的焊接热输入，就是焊机根据V实际焊接行走线速度瞬间计算得出并在屏幕上的真实焊接热输入。

但是利宝地的旧焊机却没有很好的解决这一问题，V实际焊接=V轨道行走＊Φ实际/Φ轨道，由于不同的轨道尺寸规格不一致，那么即便是轨道行走角速度和实际行走直径一样的条件下，实际焊接行走线速度也是不一样的。利宝地的旧焊机系统程序中并没有设计出输入焊接轨道规格尺寸的地方，所以显示屏上给出的焊接热输入也是不准确的。经过与焊机加拿大厂家研发人员的沟通和交流，并结合窄间隙自动焊机的波形特点，在原始公式（1）基础上修改衍生出如下窄间隙自动焊机热输入计算公式（2）：

公式（2）：热输入（J/in）=

其中V实际焊接=V轨道行走＊Φ实际/Φ轨道

U峰值—峰值电压，单位伏特V（手动输入）

U基值—基值电压，单位伏特V（屏幕显示）

I峰值—峰值电流，单位安培A（手动输入）

I基值—基值电流，单位安培A（手动输入）

V—焊接线速度，in/min

结论：利用以上公式（2）通过在excel表中插入函数计算所得的旧焊机热输入与新焊机屏幕上显示的热输入进行对比发现，公式计算的数值大于屏幕显示数值5000J/in左右。

2.4 主管道焊缝的缺陷返修

原则上，除打底过程发生的影响后续焊接正常进行的缺陷外，均采取缺陷返修方式处理焊接缺陷，如打底过程中发生了影响后续正常焊接施工的，如熔穿、打底凹坑等，应先跳过缺陷发生位置，完成后续打底焊接，再返回处理发生的缺陷，确保后续焊接正常进行[5]。如在15mm进行的无损检测发现该位置存在其他焊接缺陷，则采取返修措施进行处理见表2。

去除缺陷时，打磨区域应成抛物线形状以便于后续补焊。缺陷去除后，凹坑应与临近焊缝两端平滑过渡；缺陷打磨时不宜用力过大，应逐步缓慢去除缺陷。打磨至接近缺陷位置时须控制每次打磨量不大于0.5mm，每次打磨后都要观察打磨位置，尽可能显示缺陷。操作人员发现疑似缺陷且打磨去除后方可通知NDE进行打磨区域检测。打磨过程中控制打磨温度，当局部打磨区域出现发蓝现象，立即停止打磨，待温度降下来后再进行后续打磨；采用坡口机去除缺陷时当加工至临近缺陷位置时，应控制每次加工进刀量小于0.5mm，且操作人员须逐次观察打磨后的缺陷位置，确认去除焊缝缺陷后，再用5°成型刀对坡口机机加区域进行坡口修整，或采用手工打磨的方式修整坡口，对打磨区域进行目视检验(VT)、液体渗透检测(PT)。必要时还可添加射线检测(RT)。若检测结果不合格，继续打磨直至检验结果合格。

结论：带▼处，18mm、15mm和23mm的数值是根据使用的打磨工具可达焊缝深度来确定的。可以根据不同的工具尺寸进行相应调整。

3 主管道全尺寸模拟试验中的其他难点和重点

主管道全尺寸模拟试验中除了以上几种焊接难点和重点，还有主管道坡口加工、主管道吊装、主管道焊口组对、主管道热段称重、百分表的焊接变形测量监控、激光跟踪仪的焊接变形测量监控、主管道SG软件模型拟合等等。

4 结语

CAP1400项目的主管道焊接安装及其全尺寸模拟试验是参考AP1000依托项目的施工人员培训、方案审核、施工前期准备、施工过程管理等施工管理经验，并在此基础上进行了经验传承和方法改进。相信随着核电主管道窄间隙焊接技术的不断发展，施工技术人员的不断努力和焊接技术人员对知识的不断探索，产品焊缝的焊接质量也会越来越优良。