核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)波動(dòng)管安裝焊接技術(shù)

劉新利

摘要：論述了核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)波動(dòng)管的安裝、焊接技術(shù)，詳細(xì)闡述了波動(dòng)管安裝前的方案、焊接工藝評定等的準(zhǔn)備工作要求，安裝工序和具體實(shí)施過程及要點(diǎn)，焊接技術(shù)要求和焊接參數(shù)控制，焊接質(zhì)量檢驗(yàn)方法以及焊接變形的控制等，并對波動(dòng)管焊接工作的重點(diǎn)進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和反饋，對后續(xù)核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)波動(dòng)管的安裝焊接及質(zhì)量控制具有借鑒作用。

關(guān)鍵詞：核電站;反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng);波動(dòng)管;安裝焊接

0? ? 前言

國內(nèi)大型商用核電站通常采用技術(shù)成熟、安全可靠的壓水堆型，每個(gè)反應(yīng)堆的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)通常包括兩個(gè)或三個(gè)對稱的300MWe標(biāo)準(zhǔn)環(huán)路，每個(gè)環(huán)路由一個(gè)熱段、一個(gè)冷段和一個(gè)過渡段組成，波動(dòng)管將反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主管道的一環(huán)熱段與穩(wěn)壓器連接起來，管段呈空間曲線結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

波動(dòng)管屬于核一級設(shè)備，連接著主管道和穩(wěn)壓器，是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的重要組成部分，運(yùn)行中長期承受反應(yīng)堆冷卻劑的高溫、高壓及溫度變化，其安裝焊接質(zhì)量直接關(guān)系到核電站的安全運(yùn)行，安裝焊接質(zhì)量要求高，技術(shù)復(fù)雜[1-3]?，F(xiàn)以某國產(chǎn)商用核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)波動(dòng)管安裝為例，分析研究其安裝焊接技術(shù)。

1 波動(dòng)管的安裝焊接

1.1 波動(dòng)管安裝焊接前的準(zhǔn)備工作

波動(dòng)管由5段牌號為Z2CND18-12的控氮無縫熱軋不銹鋼管現(xiàn)場焊接組成[4]，管徑φ355.6×35.7 mm，總長度約為19.1 m。

主管道熱段波動(dòng)管接管嘴的理論中心標(biāo)高為+8.920 m，穩(wěn)壓器下封頭波動(dòng)管接管嘴的理論中心標(biāo)高為+13.278 m。在波動(dòng)管現(xiàn)場施工前，首先應(yīng)按規(guī)程對下述相關(guān)活動(dòng)進(jìn)行檢查。

1.1.1 組織機(jī)構(gòu)

現(xiàn)場應(yīng)具備健全的施工組織及管理機(jī)構(gòu)，做到管理有人負(fù)責(zé)，技術(shù)有人把關(guān)。

1.1.2 施工方案

波動(dòng)管安裝、焊接方案必須經(jīng)監(jiān)理公司及業(yè)主審查，認(rèn)可后方可用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

1.1.3 波動(dòng)管焊接工藝評定

波動(dòng)管焊接工藝評定根據(jù)技術(shù)要求以及現(xiàn)場實(shí)際安裝情況，共做了3項(xiàng)評定（見表1），經(jīng)監(jiān)理公司及業(yè)主審查合格。

1.1.4 焊工資格

為確保波動(dòng)管焊接質(zhì)量，現(xiàn)場從擔(dān)任主管道焊接工作的焊工中挑選2名經(jīng)培訓(xùn)后，根據(jù)HAF0903進(jìn)行焊工考試，考試結(jié)果經(jīng)監(jiān)理公司及業(yè)主審查合格后方可擔(dān)任波動(dòng)管的焊接。

1.1.5 設(shè)備就位情況

波動(dòng)管各管段應(yīng)在穩(wěn)壓器就位前運(yùn)入安裝區(qū)域;焊接工作應(yīng)在主管道一環(huán)熱段焊接完成及穩(wěn)壓器最終就位后方可進(jìn)行。

1.1.6 現(xiàn)場條件

為了保證波動(dòng)管安裝滿足Ⅱ級工作區(qū)的要求，在所有施焊部位，應(yīng)用防火板和圍布加以圍欄，形成一個(gè)相對獨(dú)立的施工空間，以滿足施工現(xiàn)場的清潔度要求。

1.1.7 材料驗(yàn)收

原材料（波動(dòng)管、焊材等）經(jīng)過驗(yàn)收合格且質(zhì)保文件和復(fù)驗(yàn)報(bào)告齊全。

1.1.8 施工工機(jī)具

對波動(dòng)管焊接時(shí)所用的焊機(jī)標(biāo)定情況進(jìn)行認(rèn)真檢查，兩次標(biāo)定間隔不得大于3個(gè)月。

1.2 波動(dòng)管的安裝

波動(dòng)管由5段管段現(xiàn)場焊接而成，共6道焊口，最終將反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主管道的一環(huán)熱段與穩(wěn)壓器連接起來。每一管段都有編號，管段的兩端都打有標(biāo)記，RCP010/02管段B、C兩端的坡口及RCP010/05管段E端的坡口已加工完畢，RCP010/01管段的B端、RCP010/03管段的C端、RCP010/04管段的E端留有約70 mm的現(xiàn)場安裝調(diào)整余量，在RCP010/01管段的A端、RCP010/05管段的F端留有40 mm余量以滿足水壓試驗(yàn)的要求。波動(dòng)管安裝操作順序如下：

（1）波動(dòng)管定位放線標(biāo)記;

（2）波動(dòng)管預(yù)組裝及管段劃線;

（3）坡口的加工和尺寸檢查;

（4）波動(dòng)管的組裝、調(diào)整、點(diǎn)焊;

（5）波動(dòng)管RCP010/01、RCP010/02、RCP010/03管段之間B、C焊口的焊接及RCP010/04、 RCP010/05管段之間E焊口的焊接;

（6）波動(dòng)管RCP010/01～03和RCP010/04～05兩焊接管段水壓試驗(yàn);

（7）波動(dòng)管最終A、D、F三道焊口的組對焊接。

1.2.1 波動(dòng)管定位放線及標(biāo)記

根據(jù)穩(wěn)壓器波動(dòng)管管段及焊口布置圖和穩(wěn)壓器波動(dòng)管幾何尺寸及坐標(biāo)示意圖，在穩(wěn)壓器波動(dòng)管間的地板和墻面上標(biāo)記出冷態(tài)時(shí)波動(dòng)管的理論中心線。標(biāo)記從穩(wěn)壓器下封頭的波動(dòng)管接管嘴中心線開始到一環(huán)主管道熱段波動(dòng)管接管嘴中心線為止。

1.2.2 波動(dòng)管預(yù)組裝及管段劃線

在波動(dòng)管的5個(gè)管段中，只有RCP010/02（BC）管段B、C兩端的坡口都已加工好。因此，預(yù)組裝時(shí)先調(diào)整固定RCP010/02管段，以該管段作為預(yù)組裝其他管段的基準(zhǔn)，即先將該管段放在臨時(shí)可調(diào)支承上，通過臨時(shí)可調(diào)支承的調(diào)節(jié)使其中心線與放出的波動(dòng)管冷態(tài)中心線重合。然后將RCP010/03（CD）管段放在可調(diào)支承上，通過臨時(shí)可調(diào)支承的調(diào)節(jié)，使該管段中心線與放出的冷態(tài)中心線x、y坐標(biāo)值重合，而z值要比放出的基準(zhǔn)中心線z值標(biāo)高低380 mm，以便于該管段C端劃線。RCP010/01（AB）管段B端的劃線方法與此相同。

同樣，將RCP010/05（EF）管段放在臨時(shí)可調(diào)支承架上，在F端適當(dāng)位置裝上抱箍，抱箍上有4個(gè)對稱的吊耳，用4個(gè)倒鏈將抱箍吊耳與房間頂部穩(wěn)壓器支承一次預(yù)埋件上焊的吊耳相連。首先通過調(diào)整使該管段的F端與穩(wěn)壓器上波動(dòng)管接管嘴同心，由于該管段E坡口已加工好，可通過調(diào)節(jié)臨時(shí)可調(diào)支承或調(diào)節(jié)倒鏈，使該管段的E端中心x、y與放出的E端中心x、y坐標(biāo)值重合，而管段整體標(biāo)高低于基準(zhǔn)中心標(biāo)高380 mm。然后，將RCP010/04（DE）管段放在臨時(shí)可調(diào)支承架上，對該管段的E端進(jìn)行劃線。

1.2.3 坡口的加工和尺寸檢查

根據(jù)預(yù)組裝的結(jié)果，并考慮焊接收縮量，分別標(biāo)出RCP010/01（AB）管段的B端、RCP010/03（CD）管段的C端、RCP010/04（DE）管段的E端需切除的余量長度，標(biāo)記好后將管段移到合適位置，采用專用設(shè)備切除管段余量。

根據(jù)焊接坡口形式圖（見圖2）對以上坡口進(jìn)行坡口加工和尺寸檢查。

1.2.4 波動(dòng)管的組裝、調(diào)整、點(diǎn)焊

根據(jù)波動(dòng)管設(shè)備間內(nèi)標(biāo)記出的理論冷態(tài)中心線，通過臨時(shí)支承的調(diào)節(jié)，分別將RCP010/04（DE）、RCP010/05（EF）管段調(diào)整到其理論中心線位置，并檢查E焊口的組對情況，點(diǎn)焊后應(yīng)滿足：內(nèi)錯(cuò)邊量小于0.5 mm，組對間隙在1～4 mm之間。同樣，分別完成RCP010/01、RCP010/02、RCP010/03管段的組裝。

1.2.5 波動(dòng)管焊口的焊接

組裝合格后即可分別對RCP010/02、RCP010/03管段的C焊口，RCP010/01、RCP010/02管段的B焊口及RCP010/04、RCP010/05管段的E焊口進(jìn)行焊接，在焊接過程中應(yīng)監(jiān)測由于焊接變形引起的管段位置參數(shù)的變化。

1.2.6 水壓試驗(yàn)

在上述RCP010/01、RCP010/02、RCP010/03及RCP010/04、RCP010/05管段之間的焊接完成后，應(yīng)分別對兩大焊接管段進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力25.8 MPa。分別在波動(dòng)管RCP010/01～03和RCP010/04～05兩管段的兩端焊上水壓試驗(yàn)用封頭，并在位于高處的封頭上安裝壓力表、截止閥，在另一端封頭處連接水壓試驗(yàn)泵。升、降壓按水壓試驗(yàn)升壓過程曲線進(jìn)行，如圖3所示。水壓試驗(yàn)過程中，仔細(xì)檢查波動(dòng)管母材及焊縫，不得有冒汗、滲漏現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)冒汗、滲漏現(xiàn)象應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊合格后重新進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

1.2.7 最終三道焊口的安裝、焊接

水壓試驗(yàn)合格后，首先將RCP010/01～03管段調(diào)整至要求的坐標(biāo)，測出A、D端需要切除的余量，并進(jìn)行坡口加工。然后，將RCP010/04～05管段調(diào)整至要求的坐標(biāo)，測出D、F端需要切除的余量并進(jìn)行坡口加工，其中F端余量的確定應(yīng)考慮焊接收縮量。

將加工好坡口的管段調(diào)整至要求的坐標(biāo)并就位，此時(shí)波動(dòng)管A端與主管道波動(dòng)管嘴的組對應(yīng)滿足內(nèi)錯(cuò)邊（≤0.5 mm）及組對間隙（1～4 mm）的要求，并采用點(diǎn)固棒進(jìn)行四點(diǎn)固定;同樣波動(dòng)管F端與穩(wěn)壓器波動(dòng)管嘴的組對也應(yīng)滿足內(nèi)錯(cuò)邊（≤0.5 mm）及組對間隙（1～4 mm）的要求，并采用點(diǎn)固棒進(jìn)行四點(diǎn)固定。由于RCP010/04～05管段的F端留有一定的焊接收縮量Δ，在F端焊接時(shí)由于焊接收縮作用，RCP010/04～05管段將整體垂直向上收縮Δ，因此在組對D焊口時(shí)須將RCP010/01～03管段D端與RCP010/04～05管段D端管道中心在水平面內(nèi)左右方向?qū)R，在垂直面內(nèi)RCP010/04～05管段D端中心線應(yīng)向下偏移一個(gè)焊接收縮量Δ，如圖4所示。根據(jù)制造圖紙的建議及現(xiàn)場工藝評定的結(jié)果，現(xiàn)場選用Δ=6.0～6.5 mm。

首先焊接F焊口。在焊接過程中，采用百分表監(jiān)測焊口D的組對情況，當(dāng)F焊口焊接厚度超過50%以上，且D焊口的錯(cuò)邊滿足要求時(shí)（≤0.5 mm），采用點(diǎn)固棒點(diǎn)焊固定D焊口（組對間隙1～4 mm），并同時(shí)開始焊接A、D兩焊口，此時(shí)F焊口暫停焊接，當(dāng)A、D兩焊口的焊接厚度超過50%以上，方可繼續(xù)進(jìn)行F焊口的焊接工作。

波動(dòng)管最終焊縫應(yīng)打磨平整，其壁厚減薄量應(yīng)滿足公差要求，并防止打磨過熱。焊縫檢查完畢并做好標(biāo)識后，用防火布予以纏繞保護(hù)。

1.3 波動(dòng)管的焊接

1.3.1 波動(dòng)管焊接要求

根據(jù)波動(dòng)管現(xiàn)場焊接技術(shù)條件的要求，波動(dòng)管焊接過程中必須注意以下事項(xiàng)：

（1）坡口表面應(yīng)清洗干凈，無水、油脂、氧化物和其他可能影響焊接質(zhì)量的物質(zhì)。

（2）焊接作業(yè)應(yīng)避免在相對濕度大于90%、打底焊時(shí)風(fēng)速大于2 m/s、電弧焊時(shí)風(fēng)速大于10 m/s等惡劣的環(huán)境下進(jìn)行。

（3）環(huán)境溫度如果低于-10 ℃，則禁止施焊，焊件溫度至少保持在+5 ℃以上。

（4）焊接過程控制層間溫度小于173 ℃。

（5）采用窄焊道焊接方法，并注意及時(shí)調(diào)整施焊順序以控制焊接變形。

（6）層道間應(yīng)清理干凈，坡口兩側(cè)邊緣100 mm范圍內(nèi)均勻涂抹白堊粉，以防止飛濺并防止電弧焊煙塵和熔渣的污染。

（7）打磨時(shí)，應(yīng)防止在打磨中出現(xiàn)過熱區(qū)。

（8）禁止在波動(dòng)管表面起弧，TIG焊接應(yīng)具備遠(yuǎn)距離起弧裝置。

（9）在任何情況下，嚴(yán)禁波動(dòng)管與鐵素體接觸。

（10）焊口不允許強(qiáng)行組對，在第一道及最后一道焊縫上禁止錘擊。

1.3.2 波動(dòng)管的焊接參數(shù)

現(xiàn)場根據(jù)焊接工藝評定確定電流種類、直流電的極性或脈沖電極性、電流參數(shù)范圍以及Ar氣流量，制定了焊接工藝參數(shù)，2GT位置（即垂直固定管）的焊接工藝參數(shù)如表2所示。

1.3.3 波動(dòng)管焊接過程檢查

在焊接過程中，為保證焊接質(zhì)量應(yīng)對下述內(nèi)容進(jìn)行過程檢查：

（1）焊接區(qū)域濕度檢查：濕度≤90%。

（2）焊接參數(shù)檢查：控制在焊接工藝卡規(guī)定的范圍內(nèi)。

（3）焊道層間溫度檢查：應(yīng)在173 ℃以內(nèi)。

（4）檢查變形監(jiān)測儀表的讀數(shù)。

1.4 波動(dòng)管的焊接質(zhì)量檢查

在波動(dòng)管的焊接過程中，根據(jù)技術(shù)要求及現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行了無損檢驗(yàn)，如表3所示。

1.4.1 焊縫目視檢查

焊縫表面目視檢查（VT）應(yīng)符合技術(shù)要求。

1.4.2 尺寸檢查

焊縫表面粗糙度Ra≤6.3μm，壁厚減薄量應(yīng)滿足公差要求。

1.4.3 表面液體滲透（PT）檢查

表面著色探傷檢查（PT）應(yīng)符合技術(shù)要求。

1.4.4 射線探傷（RT）檢查

焊縫應(yīng)經(jīng)100%射線探傷檢查（RT），Ⅰ級為合格。波動(dòng)管共6道現(xiàn)場焊口，分別在三個(gè)階段進(jìn)行RT檢驗(yàn)，共拍片108張。由無損檢驗(yàn)工程師對全部RT底片進(jìn)行審查，一次合格率100%。RT所用的各項(xiàng)參數(shù)如表4所示。

1.5 波動(dòng)管的焊接見證件

根據(jù)核安全法規(guī)和技術(shù)規(guī)格書的要求，為了驗(yàn)證波動(dòng)管焊縫的質(zhì)量和保證現(xiàn)場焊接實(shí)施條件與焊接工藝評定試驗(yàn)所確定的焊接工藝相一致，每個(gè)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)都應(yīng)分別在水平軸線固定管及垂直軸線固定管兩種位置制備焊接見證件接頭，并在波動(dòng)管現(xiàn)場施焊第一條焊縫后，完成第一個(gè)焊接見證件，施焊最后一條焊縫后，完成第二個(gè)焊接見證件。

見證件所用母材為廠供無縫熱軋直管，其規(guī)格為φ355.6 mm×35.7 mm，每管段長不小于150 mm，與現(xiàn)場實(shí)際產(chǎn)品同規(guī)格、同牌號、同一爐批號，并由焊過相應(yīng)產(chǎn)品焊縫的焊工完成，采用與產(chǎn)品焊縫相同的焊接參數(shù)和相同類型的焊接設(shè)備。

現(xiàn)場每焊完一個(gè)焊接見證件后，都在規(guī)定的兩個(gè)月內(nèi)完成了對它的各項(xiàng)檢驗(yàn)（包括無損檢驗(yàn)和破壞性試驗(yàn)）和評定，結(jié)果全部滿足設(shè)計(jì)要求，證明該焊接工藝是穩(wěn)定可靠的，波動(dòng)管的焊接質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。5GT焊接見證件的機(jī)械性能及化學(xué)試驗(yàn)結(jié)果如表5、表6所示。

2 波動(dòng)管安裝焊接經(jīng)驗(yàn)

設(shè)計(jì)文件要求5段管段焊接完成后須進(jìn)行水壓試驗(yàn)，且坡口加工要考慮焊接收縮量，給現(xiàn)場安裝帶來了極大的難度。

2.1 波動(dòng)管安裝焊接方案的確定

波動(dòng)管應(yīng)遵守RCC-M 1級設(shè)備的設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[5]，根據(jù)RCC-M B5000的規(guī)定，波動(dòng)管應(yīng)在出廠前進(jìn)行水壓試驗(yàn)。但根據(jù)波動(dòng)管采購技術(shù)規(guī)格書及安裝技術(shù)規(guī)格書的要求，波動(dòng)管現(xiàn)場組焊后，應(yīng)由管道安裝承包者進(jìn)行現(xiàn)場水壓試驗(yàn)，合格后方可與穩(wěn)壓器及主管道進(jìn)行焊接。水壓試驗(yàn)的壓力為25.8 MPa，高于22.8 MPa的主系統(tǒng)冷態(tài)功能試驗(yàn)壓力。

現(xiàn)場技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況認(rèn)真研究了安裝技術(shù)規(guī)格書及參考電站的安裝經(jīng)驗(yàn)后認(rèn)為，如果波動(dòng)管五段焊成一體水壓試驗(yàn)后再與主管道和穩(wěn)壓器組對焊接A、F焊口，容易出現(xiàn)由于波動(dòng)管的制造、安裝、焊接變形等原因影響最后兩道焊口的組對，甚至出現(xiàn)強(qiáng)制對口的嚴(yán)重后果。由于安裝焊接方案難以通過，業(yè)主組織包括設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工單位的有關(guān)專家經(jīng)過共同探討形成如下決定：（1）鑒于波動(dòng)管整體水壓試驗(yàn)后再與主管道及穩(wěn)壓器焊接的方案難以操作，可將波動(dòng)管分成兩大段分別進(jìn)行水壓試驗(yàn)，即RCP010/01、RCP010/02、RCP010/03三管段焊成一體及RCP010/04、RCP010/05兩管段焊成一體后兩大焊接管段分別單獨(dú)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，然后將兩大管段與設(shè)備進(jìn)行焊接。（2）最后三道焊口A、D、F的劃線要考慮焊接收縮量，焊接過程中分三個(gè)階段對焊口進(jìn)行RT檢驗(yàn)，該三道焊口最后參加主回路水壓試驗(yàn)。

2.2 波動(dòng)管焊接收縮量的預(yù)留

最后三道焊口不預(yù)留焊接收縮量，方便現(xiàn)場組對，但這與安裝技術(shù)規(guī)格書要求不符。設(shè)計(jì)院經(jīng)過計(jì)算認(rèn)為：如果最后三道口不預(yù)留焊接收縮量，應(yīng)力指數(shù)將上升一倍，疲勞問題尚須進(jìn)一步計(jì)算分析。關(guān)于最后三道焊口組對困難的問題，有關(guān)專家經(jīng)過共同探討形成了如下方案：（1）F端坡口的加工應(yīng)考慮焊接收縮量，A、D端不預(yù)留焊接收縮量。（2）波動(dòng)管A端與主管道波動(dòng)管嘴正常組對并點(diǎn)焊固定;同樣波動(dòng)管F端與穩(wěn)壓器波動(dòng)管嘴正常組對并采用點(diǎn)固棒進(jìn)行四點(diǎn)固定;D焊口組對時(shí)，RCP010/01～03管段D端與RCP010/04～05管段D端管道中心在水平面內(nèi)左右方向?qū)R，在垂直面內(nèi)RCP010/01～03管段D端中心線應(yīng)向上偏移一個(gè)焊接收縮量Δ，見圖4。（3）先進(jìn)行F焊口的焊接，由于焊接收縮，當(dāng)D焊口上下的錯(cuò)邊滿足要求時(shí)（≤0.5 mm），采用點(diǎn)固棒點(diǎn)焊固定D焊口，暫停F焊口的焊接并同時(shí)開始焊接A、D兩焊口，當(dāng)A、D兩焊口的焊接厚度超過50%以上時(shí)，可同時(shí)進(jìn)行三道焊口的焊接工作。

上述安裝方案即便于現(xiàn)場施工操作又滿足波動(dòng)管的力學(xué)要求，最終波動(dòng)管的安裝符合技術(shù)規(guī)格書的規(guī)定。

3 結(jié)論

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)波動(dòng)管共8道焊口（包括2個(gè)見證件），共拍片136張，一次拍片合格率100%，高質(zhì)量地完成了反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)波動(dòng)管的安裝、焊接工作，為今后核電建設(shè)積累了寶貴的財(cái)富。

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