CAP1400核電CV筒體焊接質(zhì)量控制管理研究

劉志東，火永騰

(山東核電設(shè)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(zhì)量控制管理研究

劉志東，火永騰

(山東核電設(shè)備制造有限公司，山東 海陽265118)

摘要：文章歸納總結(jié)了CAP1400核電CV筒體在焊接過程中產(chǎn)生焊接缺陷的主要類型，分析缺陷產(chǎn)生的具體原因，提出相應(yīng)的過程控制方法，通過在CV筒體1環(huán)施工過程中的實(shí)踐應(yīng)用，證明其有效性和實(shí)用性，為其他核電項(xiàng)目CV筒體施工焊接質(zhì)量控制提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：CAP1400核電；CV筒體；焊接控制；質(zhì)量控制

CAP1400是我國科技中長期發(fā)展規(guī)劃的16個(gè)重大專項(xiàng)之一，CAP1400型壓水堆核電機(jī)組是在消化、吸收、全面掌握我國引進(jìn)的第三代先進(jìn)核電AP1000非能動技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過再創(chuàng)新開發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、功率更大的非能動大型先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組[1]。

CV筒體板材質(zhì)均為SA738 Gr.B，筒體內(nèi)徑為43 m，總高為42.8 m，由11圈板組成，每圈由12塊環(huán)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(huán)焊縫為10條，均是雙面坡口熔透焊縫，筒體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　筒體結(jié)構(gòu)示意圖

CV筒體結(jié)構(gòu)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(zhì)量和焊接變形是現(xiàn)場施工的難點(diǎn)[2]。

1CV筒體施工工藝流程和技術(shù)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(zhì)量控制

根據(jù)CV筒體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在制造過程中必須對焊接過程進(jìn)行有效控制，才能保證CV筒體的最終質(zhì)量。為此，需要統(tǒng)計(jì)分析產(chǎn)品在制造過程中的不合格項(xiàng)，以確定影響產(chǎn)品不合格的主要因素、次要因素和一般因素[3]，進(jìn)行有針對性的預(yù)防和控制。

在CV筒體1環(huán)焊接過程中，采集大量的數(shù)據(jù)，繪制不合格項(xiàng)目排列圖[4]，如圖3所示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，氣孔和變形是影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素，未熔合是影響產(chǎn)品質(zhì)量的次要因素，裂紋等影響產(chǎn)品質(zhì)量的一般因素。

圖3　不合格項(xiàng)目排列圖

2.1影響焊接不合格項(xiàng)目分析

焊接是CV筒體施工過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在CV筒體1環(huán)焊接過程中，容易產(chǎn)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(chǎn)生原因分析[5]。高溫液態(tài)熔池金屬溶解了較多的氣體(如氫氣和氮?dú)?，焊接冶金反應(yīng)也會產(chǎn)生氣體(如一氧化碳和水蒸氣)，這些氣體在焊縫結(jié)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(jìn)行，為了防止氣候條件對焊縫質(zhì)量造成的缺陷，規(guī)定室外空氣濕度高于90%時(shí)禁止焊接，當(dāng)環(huán)境溫度低于10 ℃時(shí)必須采取加熱措施，對焊接區(qū)域形成有效的圍封(圖4)，防止風(fēng)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(shí)，熔化的金屬及近縫區(qū)母材受熱膨脹，產(chǎn)生塑性變形。凝固時(shí)，焊縫和近縫區(qū)金屬收縮，從而產(chǎn)生縱向和橫向內(nèi)應(yīng)力，使焊縫縱向和橫向收縮，導(dǎo)致焊件變形。

(3) 未熔合產(chǎn)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(cè)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(shí)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(yùn)條時(shí)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(chǎn)生原因分析。通過超聲檢查和過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)焊縫中最容易產(chǎn)生焊接裂紋的情況有如下3種[9]：① 打底焊時(shí)，對于剛開始焊接的第一道焊縫最容易產(chǎn)生裂紋，而且這種裂紋是由于鋼板不可避免的內(nèi)應(yīng)力所產(chǎn)生，需要在碳弧氣刨時(shí)挖除。② 清根結(jié)束后，再次進(jìn)行填充焊前，需要預(yù)熱。由于清根后的焊縫焊肉較薄(厚度≤10 mm)，如果預(yù)熱溫度升溫過快就容易產(chǎn)生裂紋。③ 焊接結(jié)束后，焊縫降溫過快或人為地對焊縫進(jìn)行急速降溫，此時(shí)也較容易產(chǎn)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(jìn)行有效圍封，防止風(fēng)速影響。

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

(3) 先行焊接外側(cè)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(jìn)行打磨清根或直接進(jìn)行打磨清根(清根打磨時(shí)應(yīng)打磨圓滑以便于下一層焊道焊接)，清根打磨后進(jìn)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(jìn)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(cè)各30 mm左右半徑變形，并出具報(bào)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(shè)計(jì)要求。

(7) 每完成一條焊縫焊接后，對焊縫表面進(jìn)行清理自檢[10-11]。

通過上述措施，產(chǎn)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(shí)，采用組對器或其他調(diào)整工裝進(jìn)行調(diào)整固定，使其達(dá)到控制要求。

(1) 組對間隙為0～10 mm，對于間隙在5～10 mm時(shí)，焊接時(shí)應(yīng)使用陶瓷襯墊。如CV筒體組對過程中，使用工裝卡具進(jìn)行調(diào)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(cuò)邊量、焊接坡口尺寸公差應(yīng)符合設(shè)計(jì)和焊接工藝規(guī)程要求，具體見表1所列。定位焊完成以后復(fù)查定位的尺寸是否改變。在縱縫、環(huán)縫允許的錯(cuò)邊量范圍內(nèi)應(yīng)修整成平滑過渡，在完工的焊接寬度范圍內(nèi)的斜度至少為3∶1。

表1　CV筒體錯(cuò)邊量技術(shù)要求　　　　　　mm

(3) 焊接時(shí)，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(dá)到控制焊接變形的目的。

2.3.2環(huán)焊縫焊接變形控制

(1) 環(huán)縫組對調(diào)整符合要求后，可同時(shí)安排多名焊工，分135個(gè)左右工位進(jìn)行焊接，焊縫分段示意如圖7所示。

圖7　環(huán)縫焊接順序

(2) 焊接時(shí)采用多層多道，正、反面交替，接頭錯(cuò)開焊，接頭錯(cuò)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(jìn)行打磨清根或直接進(jìn)行打磨清根，清根打磨時(shí)應(yīng)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(jìn)行過程監(jiān)測，待焊縫焊接完成后在焊縫兩側(cè)各30 mm左右半徑進(jìn)行檢測，并出具報(bào)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(shè)計(jì)要求。

(5) 在焊接過程中，根據(jù)焊接變形可以適當(dāng)調(diào)整內(nèi)外側(cè)的焊接順序。

3結(jié)束語

在CV筒體焊接中，通過使用組對器、對稱焊接、規(guī)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(nèi)，從而很好地保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

在CV筒體1環(huán)施工過程中，通過過程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出焊接缺陷的主要類型和產(chǎn)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(xù)產(chǎn)品制造提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，產(chǎn)品的一次合格率從80%提高到99%，證明相關(guān)控制措施的有效性。

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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(shè)備制造有限公司工程師．

中圖分類號：TG44

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0263-03