秦山核電二期擴建工程不銹鋼厚壁管的焊接施工技術(shù)

馬新朝，邱望冬，邢 洋

（北京四達貝克斯工程監(jiān)理有限公司，河北 石家莊 050019）

核電建設(shè)安裝過程中通常會遇到多種類型的不銹鋼管道，這些管道一般為RCC-M1、2級，部分管子直接與冷卻劑接觸或處在反應(yīng)堆的強輻照區(qū)。在高溫、高壓下受熱沖擊、中子輻照脆化、動態(tài)應(yīng)變失效、高溫水致腐蝕與疲勞，多發(fā)生因熱疲勞、晶間應(yīng)力腐蝕和水錘效應(yīng)等因素引起的裂紋，而且結(jié)構(gòu)特殊，如果沒有相應(yīng)的工藝和安裝順序，將會給施工帶來不必要的麻煩，并對焊縫的質(zhì)量造成影響。

秦山二期擴建工程核級不銹鋼厚壁管道主要有以下幾種規(guī)格：φ60.3 mm×8.74 mm；φ88.9 mm×11.13 mm；φ114.3 mm×13.49 mm；φ168.3 mm×18.26 mm；φ219.1 mm×23.01 mm；φ273.1 mm×25.40mm；φ323.8 mm×28.68 mm。其中，主管道的規(guī)格：熱段長（6001±3）mm，管徑φ873 mm×68.5 mm，重9.174 t；冷段長（7157±3）mm，管徑φ828 mm×64.75 mm，重9.466 t；過渡段總長為4557.6 mm（2685.8 mm+1521 mm+350.8 mm），管徑φ932 mm×72.3 mm，重14.544 t（管徑尺寸為制造尺寸，實際尺寸要大于該數(shù)值）。其材質(zhì)主要為法國牌號Z2CN18-10、Z2CND18-12和Z3CN20-09M，規(guī)定的化學成分如表1所示。

表1 核電用不銹鋼厚壁管的化學成分Table 1 Chemical composition of thick-walled stainless steel pipes in nuclear power plant%

Z2CN18-10、Z2CND18-12和Z3CN20-09M全部為超低碳不銹鋼，主要涉及反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、安全注入系統(tǒng)、化學和容積控制系統(tǒng)和余熱排出系統(tǒng)，工作壓力和溫度較高。

不銹鋼的線膨脹系數(shù)大而導(dǎo)熱能力小，厚壁管道焊接時必然出現(xiàn)較大的焊接變形，再加上焊接時的工藝不妥當及錯邊的影響，厚壁管焊接時更容易在接頭和結(jié)構(gòu)中形成較大的殘余應(yīng)力或產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，直接對安裝造成困難，焊縫無損檢驗不合格或間接造成焊接接頭的應(yīng)力腐蝕，使焊接接頭的使用壽命縮短或降低了焊縫的抗腐蝕能力。

1 不銹鋼管的焊接

1.1 焊接前的準備工作

1.1.1 焊接材料的確定

不銹鋼焊接材料主要應(yīng)根據(jù)母材的化學成分確定。因為管子有含Mo的和不含Mo的兩種不銹鋼，為使其在高溫、高壓的服役條件下有優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕性能，合金體系為Cr-Ni-Mo系列較好，所以統(tǒng)一選擇含Mo的超低碳不銹鋼焊接材料，也是為了減少工藝評定的數(shù)量。此材料應(yīng)滿足RCC-MS中對材料的要求?？紤]到管道的規(guī)格和工藝，焊絲規(guī)格選擇φ2.0mm，焊條規(guī)格為φ3.2 mm，牌號分別為ER316L和E316L，它們的化學成分如表2所示。

主要是用超低碳焊材，控制δ鐵素體和雜質(zhì)的含量，避免偏析及在焊縫金屬中形成含有一定的δ相；Co的同位素在一回路結(jié)構(gòu)中的輻射場中（特別是在Ni含量高、直接處于強輻射場中的結(jié)構(gòu)中）對構(gòu)件的破壞起主要作用；Cu的提高會增加材料中子輻射脆化的敏感性，因此需要控制焊材中Co和Cu的含量，使其符合技術(shù)條件的要求。

1.1.2 焊接工藝評定

對于上述管道，主要進行了表3中的評定。

對于厚壁管焊接工藝評定，焊接工藝參數(shù)的確定只是重要控制的一方面，更主要的是通過焊接，找出實際的焊縫收縮量，為實際的焊前組對確定組對間隙提供參考評定，從而精確的組對，減小管道的收縮和焊接變形。

表2 焊接填充材料的化學成分Table 2 Chemical composition of welding packing material%

表3 主要評定的管道規(guī)格尺寸型號Table 3 Evaluated pipe specifications and models

1.1.3 焊工考試

焊工資格考試按照設(shè)計院的規(guī)定及HAF0603中的要求進行，在焊接中，焊工資格與實際的操作位置需一一對應(yīng)，不能超越資格范圍進行焊接。

1.1.4 焊接工藝卡

根據(jù)焊接工藝評定的結(jié)果編制焊接工藝卡，焊接工藝卡應(yīng)考慮現(xiàn)場的實際情況并能完全覆蓋現(xiàn)場的各類焊接接頭，如按坡口形式可分為單V形對接；雙V形坡口對接；U形坡口對接、復(fù)合U形坡口對接；單U形＋單V形組合接頭等形式形成的焊接接頭，焊接位置可涵蓋1G、2G、3G、4G、5G、5G1T、5G2T、6G等焊接位置，焊接工藝的制定需要根據(jù)不同的施工情況合理選用工藝評定報告。

1.2 產(chǎn)品焊接

1.2.1 坡口形式

坡口形式按照圖紙的規(guī)定進行加工，保證管子和管件的接口內(nèi)徑相同，坡口如圖1至圖3所示，焊接坡口表面粗糙度應(yīng)≤6.3×10－6mm。

圖1 壁厚≤10mmFig.1 Wall thickness≤10mm

圖2 10mm＜壁厚≤20mmFig.2 10mm＜Wall thickness≤20mm

圖3 壁厚＞20mmFig.3 Wall thickness＞20mm

1.2.2 組對及控制

對于小直徑管子，組對采用直接在坡口根部用焊絲點固，正式焊接時再打磨掉；對大直徑管子，采用不銹鋼圓棒定位、焊絲點固，點固焊縫應(yīng)均勻飽滿不得有裂紋，用圓棒組對主要是便于拆卸調(diào)整。

1.2.3 焊口錯邊

厚壁管焊口的組對錯邊是影響焊接質(zhì)量的一個重要因素，克服錯邊是一個重要環(huán)節(jié)。

焊口錯邊的控制原理：經(jīng)焊接工藝評定證明，厚壁管在焊口焊至45%～55%的厚度時，其收縮基本保持不變，直到焊完整個焊縫（見圖4）?；诖耸湛s變形的特點，可在焊接過程中充分控制錯邊的影響。

圖4 主管道工藝評定時焊縫的收縮曲線Fig 4 The contract chart of welding process evaluation for the mail pipe（RCP pipe）

通過增大或減小管道的受力大小來調(diào)整實際的管段支撐位置，進行管道位置的調(diào)整；對于所焊焊口的熔敷金屬的厚度進行一定深度的挖除與補焊進行補償，通過焊接收縮量進一步調(diào)整管段的錯邊量，從而達到消除管口錯邊的目的。

以主管道環(huán)路的錯邊產(chǎn)生原因及控制為例進行詳細說明：蒸汽發(fā)生器處于冷態(tài)位置，整個壓力容器側(cè)（熱段）管道周圍倒鏈拉緊調(diào)節(jié)，下面有可滑移且高低可調(diào)節(jié)支撐，熱段A側(cè)有一拉力計，全部措施可讓A1焊接過程中整個熱段處于重力和拉力平衡的狀態(tài)，熱段就位，A1焊口組對好。A1焊口焊縫近50%厚度時，發(fā)現(xiàn)焊口熱段側(cè)的管口未按計算的數(shù)值Lz向上提高，導(dǎo)致錯邊量為5 mm。經(jīng)分析認為，當組對完成后，G=拉力計的F1+F2（支撐力）+F3（A1焊縫的拉力F的Z向分力，F(xiàn)4為焊縫拉力的水平方向的分拉力），在焊接過程中，A1的焊縫收縮，Lz和Lx均有位移，但是Lz的位移導(dǎo)致F2力消失，G=F1+F3，這時候的F3已經(jīng)變化，其拉力計反映的拉力只能保持焊口A側(cè)的管口保持水平位置不變，卻不能向上提起管道的A側(cè)，同時在焊接A1過程中，因焊縫的上側(cè)受到一個拉力F的變化，在焊縫焊接受熱的情況下，增加了延伸，造成管口的錯邊較大。

解決措施：對A1的焊縫進行打磨，其打磨區(qū)域為靠近蒸汽發(fā)生器側(cè)，且在管道截面11點到1點的位置，打磨出一個深10mm的凹槽，采用補焊工藝評定的工藝進行焊接；在焊接過程中對支撐進行調(diào)高，使其緊貼主管道的下壁，并受力。監(jiān)視拉力計度數(shù)變化，避免大幅度擺動；通過焊接調(diào)節(jié)，并適當增加對支撐的調(diào)高，使A焊口的錯邊達到設(shè)計要求，如圖5所示。

1.2.4 產(chǎn)品見證件焊接

對于不能在產(chǎn)品上進行的其他檢測項目，可由焊接見證件的焊接來完成，因此，增加了過程中的焊接見證件的控制內(nèi)容。第一，要求施工單位嚴格按焊接/熱處理工藝進行施工；第二，可以驗證焊接產(chǎn)品的焊接工藝的正確性；第三，可以為不容易檢驗的產(chǎn)品提供產(chǎn)品的性能報告，對各生產(chǎn)的焊接/熱處理因素進行驗證，特別是驗證硬度及熔敷金屬化學成分含量，更重要的是檢查金相中有無有害組織。

圖5 錯邊量受力及錯邊調(diào)整示意圖Fig 5 The contract chart of lack of groove uniformity

采用焊接見證件，可驗證不能在產(chǎn)品上進行的其他檢測項目的結(jié)果，有利于及時發(fā)現(xiàn)問題和在焊接過程中實施調(diào)整。見證件的焊接同產(chǎn)品焊接。

2 焊接及焊接變形的控制

2.1 焊接注意事項

焊接按照焊接工藝卡進行。氬弧打底一般為2～3層（4～5 mm厚度），此后背面充氬可以停止。

焊接時應(yīng)注意焊縫背面充氬良好；焊接時應(yīng)采用小電流、快焊速，除5G1T位置的表面焊道外，應(yīng)盡量使用窄焊道，并控制層間溫度不超過150 ℃；在焊接管道與法蘭等焊口時，應(yīng)注意坡口根部兩邊的停留時間，保證根部有良好熔合；多道焊的接頭應(yīng)錯開30～50mm，并應(yīng)將接頭的熔敷金屬打磨掉，收弧時應(yīng)填滿弧坑，以免這些地方的偏析；短弧焊，嚴禁在母材上起弧，不得使不銹鋼母材受到鐵素體沾染；對TIG+SMAW焊接的焊縫，焊后焊縫打磨至圓滑過渡，不得影響無損檢驗。

2.2 安裝焊接實例

2.2.1 安裝控制措施

在安裝較大直徑的不銹鋼厚壁管道時，應(yīng)采取一定的措施。先點焊管線有余長以外的焊口，檢查管道和支架方面的情況，檢查合格后焊接焊口至熔敷金屬厚度為6～8 mm，必要時進行射線檢驗。當全部返修合格后，再焊接至管道壁厚的70%～80%，這時焊縫的收縮已基本穩(wěn)定，可以對預(yù)留段處進行切除，如無預(yù)留段，則車間預(yù)制時，應(yīng)考慮現(xiàn)場安裝時的收縮量。當管線中所有焊口都焊接至壁厚的70%～80%后，再焊接相連的固定支架，然后焊接剩余的管道焊縫的焊道。法蘭兩側(cè)的焊口應(yīng)放在最后焊接，考慮充氬保護時的方便程度，焊接時應(yīng)采取從上往下進行管口的焊接。

2.2.2 安裝

現(xiàn)場某規(guī)格為φ168.3 mm×18.26 mm的系統(tǒng)管道（見圖6），其安裝過程介紹如下：

因M1焊口位置已經(jīng)固定，所以首先組對焊接M1；M6焊口與M1的橫向收縮在Z軸方向上方向相同，也應(yīng)先焊接。當焊接至6～8 mm時，可以進行一次射線檢驗，目的是防止根部有缺陷難以返修。當合格后，繼續(xù)焊接至壁厚度的70%～80%時，收縮已基本穩(wěn)定，這時可以組對M11焊口。因為M1焊接時有兩個方向的位移，同時考慮到M6本身的收縮會使M11處升高，因此M6處直段的長度并不是設(shè)計的長度，應(yīng)該是M1產(chǎn)生的位移加上M6產(chǎn)生的位移（向上的）之和，而M11處直段也應(yīng)考慮M1的收縮和自身的收縮。

當考慮了M1和M6的收縮，當它們焊接到70%～80%后，M11剛好達到對口要求，則焊接M11。M11產(chǎn)生的橫向收縮則可以通過與其相連的后面的管段的移動獲得釋放。當M11焊接至6～8 mm時，可以進行一次射線檢驗，然后再焊接至壁厚的70%～80%時，收縮也趨向穩(wěn)定，再將幾個焊口的剩余焊道焊完。同樣，因M12和M19焊口的橫向收縮方向一致，可先不焊接它們，先將M12焊口點固，焊接M15，此處直段長度不是設(shè)計長度，還應(yīng)加上M15的收縮量。當M15焊接至6～8 mm時進行射線檢驗，再焊接至壁厚的70%～80%時，收縮已穩(wěn)定，且M19焊口剛好達到對口要求，這時同時焊接M12和M19，因二者收縮方向一致，故不會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力。當焊接至6～8 mm時，進行射線檢驗，再焊接至壁厚的70%～80%時，整個管線中基本無應(yīng)力，再焊接固定支架S和剩余的焊道。

2.3 變形控制與調(diào)整

在安裝中，難免會出現(xiàn)管子的直線度、坡度和法蘭的平行度超差，也可以用焊接收縮進行調(diào)整。某法蘭不能達到0.2 mm的平行度的要求，只要將在間隙超差的一側(cè)的部分焊縫挖除，再焊接，焊縫的收縮可以很容易地把法蘭端面拉到要求的程度，如圖7所示。

圖7 變形的處理Fig 7 Control of welding deformation

3 結(jié)論

（1）不銹鋼厚壁管的焊接，焊接工藝評定，厚壁管在焊口焊至45%～55%的厚度時，其收縮基本保持不變，因此，對于厚壁不銹鋼管的焊接變形控制，主要控制前期控制層間溫度，焊接速度等參數(shù)，可大大減小焊接變形。

（2）不銹鋼厚壁管的焊接工藝評定時，可采取實際工況（主要是實際尺寸），焊接產(chǎn)品焊接見證件，進行焊接收縮量的測量，從而為管道的精確組對做好參考值，便于實際的操作，減小組對難度。

（3）不銹鋼厚壁管道的焊接應(yīng)嚴格按照設(shè)計要求和工藝進行。在安裝中遵守先焊長段和焊口焊接順序，預(yù)留一定的收縮量和組對間隙，可保證管道的整體長度滿足圖紙的要求。

（4）在控制管道焊口的變形時，可采取在該變形的對面焊縫處進行局部挖補、補焊，可矯正管子的直線度、坡度和法蘭的平行度超差質(zhì)量問題。