核電站ASP水箱制作防變形控制措施*

周天啟，王 康，王 雄，郭公斌

(中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概況

核電站ASP水箱主要由箱體、連通管嘴(上、下部)、頂部包邊和肋板(縱肋、橫肋)組成。模塊箱體尺寸約為8 250mm(外弧長)×7 350mm(內(nèi)弧長)×2 850mm(寬度)×6 900mm(高度)×6mm(厚度)，箱體四周側(cè)壁焊接的縱、橫肋為└75×50×6，底部焊接的徑向肋為[75×50×6(見圖1)。單模塊重約11t，材質(zhì)為022Cr19Ni10不銹鋼。

圖1 ASP水箱模塊結(jié)構(gòu)示意

該水箱箱體呈弧形，尺寸大、壁薄、單條焊縫長、焊接收縮量大，且箱體上還有大量加強(qiáng)筋需焊接，易導(dǎo)致不可預(yù)見的收縮。水箱邊角采用包邊、包角設(shè)計，部分包邊為弧形，在弧形包邊及弧形角鋼成型過程中易產(chǎn)生加工誤差，導(dǎo)致箱體整體尺寸發(fā)生變化。制造廠按常規(guī)技術(shù)方案制造ASP水箱時，出現(xiàn)極嚴(yán)重的焊接變形和結(jié)構(gòu)變形問題。

2 焊接變形的影響因素

2.1 熱輸入量對焊接變形的影響

焊接過程中，受局部高溫?zé)嵩从绊?，焊縫區(qū)被急劇加熱，出現(xiàn)局部熔化。該區(qū)域材料被加熱，使焊接區(qū)擴(kuò)展，而周圍溫度相對于較低區(qū)域?qū)附訁^(qū)產(chǎn)生約束，從而產(chǎn)生彈性熱應(yīng)力，材料屈服應(yīng)力極限在溫度升高后急劇下降，導(dǎo)致熱彈性應(yīng)力超過屈服極限，形成熱壓縮。冷卻過程中，焊縫區(qū)域收縮受不均勻溫度場影響，產(chǎn)生不均勻收縮變形，焊接區(qū)承受拉伸殘余應(yīng)力，相鄰區(qū)域承受壓縮殘余應(yīng)力。

焊件冷卻后，由于溫度場分布不均勻?qū)е略诤缚p及其附近形成拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域形成壓應(yīng)力，由于薄板材料本身承受的臨界失穩(wěn)應(yīng)力較小，因此極易產(chǎn)生變形(見圖2)。

圖2 焊接變形示意

2.2 焊縫尺寸對焊接變形的影響

焊縫尺寸與焊件撓曲變形具有密不可分的關(guān)系，薄板縱向上的撓曲變形和整體縱向收縮應(yīng)力存在一定函數(shù)關(guān)系。ASP水箱對接單條焊縫最長為8.5m，采用合適的焊接工藝控制焊接變形至關(guān)重要。

2.3 焊件裝配對焊接變形的影響

焊接裝配時應(yīng)選擇合適的裝配順序和裝配間隙，避免在總構(gòu)件內(nèi)引起多余的裝配應(yīng)力。由于在不同裝配階段，裝配體總剛度和重心位置發(fā)生改變，導(dǎo)致裝配后焊件內(nèi)存在不該有的應(yīng)力。

3 控制焊接變形的工藝措施

3.1 優(yōu)化焊接工藝

箱體由6mm厚不銹鋼板制作而成，全熔透焊縫長約170m，若全部使用常規(guī)焊接方式，焊接變形量較大。為減小箱體變形，采用以下焊接工藝：①pwps-075 將6mm厚022Cr19Ni10不銹鋼板V形坡口對接TIG自動焊PF位置(手工焊打底+自動焊填充蓋面)；②pwps-076 將6mm厚022Cr19Ni10不銹鋼板V形坡口拼板機(jī)對接TIG自動焊PA位置。熱絲TIG自動焊機(jī)、拼板機(jī)對接自動焊機(jī)的應(yīng)用，對控制水箱焊接變形起重要作用(見圖3)。

圖3 自動焊機(jī)

熱絲TIG自動焊機(jī)主要由激光視覺檢測系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信及控制系統(tǒng)、焊接小車、焊接電源和擺動送絲機(jī)構(gòu)組成。

熱絲TIG自動焊機(jī)擁有15 000Hz的超級脈沖，使電弧更精密、更聚弧、功率強(qiáng)度更密集，能加大均勻熔深，減少熱影響區(qū)域，加大電弧壓力。擺動焊接技術(shù)擁有配合機(jī)械傳動的擺動參數(shù)，能均勻融合焊縫兩側(cè)母材。熱絲技術(shù)在不提高熱輸入的條件下，可提高焊接熔敷速度，增加焊絲熔化速度。相比于手工焊，能減小熱影響區(qū)，減少焊接熱輸入量。

拼板對接自動焊機(jī)由焊接主機(jī)和控制系統(tǒng)組成，焊接主機(jī)和控制系統(tǒng)間通過線纜連接成整體。焊接主機(jī)主要由主機(jī)架、琴鍵式液壓夾具、銅襯墊部件、焊接小車、焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)、上下料平臺、氣動對中機(jī)構(gòu)、工件輸送裝置、氣路系統(tǒng)等組成。

拼板對接自動焊機(jī)夾具采用銅材質(zhì)，可避免不銹鋼板材與碳鋼接觸發(fā)生滲碳腐蝕，并通過銅壓板固定防止變形，能很快傳遞、帶走焊接過程中產(chǎn)生的熱量，避免由于焊縫區(qū)域溫度場過高導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形。自動焊接設(shè)備的焊接速度為人工焊接的3～5倍，能有效減少熱輸入量。

3.2 固定工裝

在自動焊技術(shù)應(yīng)用的前提下，為進(jìn)一步控制變形，采用剛性約束工裝控制焊接過程中產(chǎn)生的變形(見圖4)。

圖4 支撐工裝及配重塊

整體組裝時，采用箱體內(nèi)部支撐工裝、焊縫區(qū)域弧形切合馬板及組對工裝的方式控制焊接過程中產(chǎn)生的變形。內(nèi)部支撐及轉(zhuǎn)角防變形工裝如圖5所示。

圖5 內(nèi)部支撐及轉(zhuǎn)角防變形工裝實物

3.3 優(yōu)化裝配順序

ASP水箱箱體主要由前(后)側(cè)板、左(右)側(cè)板、底板、上(下)部連通管嘴、橫(縱)肋、底肋組成。按常規(guī)做法，整體箱體(側(cè)板、底板)組裝焊接完成后再焊接橫(縱)肋及底肋，最后焊接上下連通管嘴。

為保證水箱尺寸、控制變形，應(yīng)將各分塊板組裝焊接后再拼裝成箱體進(jìn)行焊接，流程如下：將模塊前側(cè)板、模塊左右側(cè)板、模塊后側(cè)板、模塊底側(cè)板進(jìn)行拼焊→無損檢測各分塊板→焊接各分塊板角鋼肋→模塊整體拼焊→檢查校正→無損檢測→對各分塊板連接處角鋼、底側(cè)板槽鋼肋進(jìn)行拼焊→連通管嘴開孔→連通管嘴與箱體拼焊→尺寸檢查→清潔表面→加設(shè)模塊內(nèi)部防變形支撐。

4 具體施工工藝

4.1 模塊底板制作

拼板機(jī)焊接與人工氬弧焊相比，能更好地減少焊接變形，在保證質(zhì)量的前提下焊接速度比人工快，提高施工效率，6 500mm寬度以下的焊縫都可使用拼板機(jī)焊接。根據(jù)原材尺寸及轉(zhuǎn)換圖，底側(cè)板拼縫全部使用拼板機(jī)焊接。底側(cè)板由5塊板拼接而成，限于每塊分塊板兩端都有弧形，為保證整體拼裝尺寸，每塊板各留2～4mm余量，為保證坡口平直，采用坡口機(jī)處理坡口。底側(cè)板焊接拼縫時，兩側(cè)由拼板機(jī)自有液壓裝置進(jìn)行壓制，防止變形，根據(jù)正式焊接前的大量練習(xí)得出數(shù)據(jù)，當(dāng)焊縫長約3m時，組對間隙調(diào)整為前4mm、后6mm，另外設(shè)置適用于拼板機(jī)的易于拆卸的馬板進(jìn)行點固，防止焊接時間隙過大收縮，馬板間隔400～500mm，隨著槍頭移動逐步拆除馬板。各分塊板下料及組對尺寸如表1所示。各分塊板組對間隙及焊接后收縮量如表2所示。

表1 各分塊板下料及組對尺寸(模塊底板) mm

表2 各分塊板組對間隙及焊接后收縮量(模塊底板)

4.2 模塊前側(cè)板制作

前側(cè)板弧長8 625mm、高6 850mm，因板材尺寸受限，由8塊分塊板拼焊而成，共4條豎縫、3條環(huán)向長焊縫。8塊分塊板兩邊帶折彎邊，折彎邊預(yù)留余量10mm，待前側(cè)板拼裝后、箱體拼裝前進(jìn)行處理，各分塊板長度方向每塊板預(yù)留余量2～3mm；環(huán)向焊縫焊接時無須單獨留出各分塊板寬度余量，只需在前側(cè)板兩邊留出余量，待前側(cè)板整體拼焊完成后進(jìn)行處理。受水平托架焊接空間限制影響，為提高效率，創(chuàng)造有利的焊接環(huán)境，在焊接平臺架上拼裝前側(cè)板。每條焊縫組對后，為減少焊接變形，上下用馬板固定，馬板間距約700mm，豎向與環(huán)向拼接焊縫組對間隙均為4mm。各分塊板組對并用馬板固定后，在預(yù)留出焊接空間的前提下緊靠馬板疊放壓板及混凝土配重塊。前側(cè)板組焊順序及工裝形式如圖6所示。各分塊板下料及組對尺寸如表3所示。各分塊板組對間隙及焊接后的收縮量如表4所示。

圖6 前側(cè)板拼板組裝焊接順序

表3 各分塊板下料及組對尺寸(前側(cè)板) mm

表4 各分塊板組對間隙及焊接后收縮量(前側(cè)板)

前側(cè)板在焊接平臺上整體拼裝焊接后，吊運(yùn)至水平托架上，以調(diào)整弧度，保證前側(cè)板與托架胎?；《纫恢?，調(diào)整后在其上均勻壓配重，并組對焊接前側(cè)板的角鋼肋。

4.3 模塊后側(cè)板制作

后側(cè)板弧長7 366mm、高6 850mm，由4塊分塊板拼接而成。每塊分塊板兩端都有折彎邊，下料時，每塊板的尺寸偏差盡量保持一致，以保證分塊板組對時兩邊折彎處對齊。折彎時，折彎邊預(yù)留余量10mm，在寬度方向上，將余量放在最后一塊分塊板上，預(yù)留余量≥10mm，箱體最終組對焊接后切割余量。各分塊板組對間隙起點處為3mm，終點處為5mm。為防止焊接每道焊縫時產(chǎn)生熱變形和收縮，固定焊縫正面及背面點焊馬板，間距約700mm，焊縫兩側(cè)各壓3塊配重塊，總重約6t。后側(cè)板拼板焊接由手工氬弧打底，熱絲TIG自動焊機(jī)進(jìn)行填充、蓋面，焊接各分塊板時，中間焊縫作為第1道焊縫，從一端到另一端開始焊接，兩邊焊縫起始點與第1條焊縫方向相反。后側(cè)板整體焊接后，被吊運(yùn)至存放架上調(diào)整弧度，然后壓配重，組對焊接后側(cè)板角鋼肋。后側(cè)板拼板焊接順序及焊接方向如圖7所示。后側(cè)板各分塊板下料及組對尺寸如表5所示。后側(cè)分塊板組對間隙及焊后收縮量如表6所示。

圖7 后側(cè)板拼板焊接順序及焊接方向

表5 各分塊板下料及組對尺寸(后側(cè)板) mm

表6 各分塊板組對間隙及焊接后收縮量(后側(cè)板)

4.4 模塊左、右側(cè)板制作

左、右側(cè)板由尺寸為2 000mm×6 850mm和605mm×6 850mm的分塊板拼接而成，焊接采用手工氬弧打底、填充、蓋面。每塊板在長度方向上各預(yù)留10mm余量，分塊板605mm寬度方向預(yù)留余量≥10mm。組對時調(diào)整4mm間隙，固定馬板，間距700mm，焊縫兩邊壓配重后開始焊接左、右側(cè)板，組對焊接角鋼肋。BB-20，BB-20a構(gòu)件理論下料尺寸分別為6 850mm×2 000mm，6 850mm×604mm，組對前尺寸分別為6 860mm×2 002mm，6 860mm×664mm。各分塊板下料及組對尺寸如表7所示。

表7 各分塊板下料及組對尺寸(左、右側(cè)板)

4.5 箱體組裝

各分塊板焊接后，切割組對邊余量，將前側(cè)板、后側(cè)板、底板和左、右側(cè)板根據(jù)圖紙理論尺寸，預(yù)留余量2～5mm進(jìn)行切割，待清理干凈坡口表面，無油脂、磨屑、銹垢等污物后，在沒有任何影響焊縫質(zhì)量的條件下組對，組對時間隙控制在4mm左右，使用工裝馬板進(jìn)行點焊固定，組對錯邊量滿足公差要求。組對工裝馬板如圖8所示。

圖8 組對工裝馬板

根據(jù)圖紙理論尺寸，切割前側(cè)板折彎邊并預(yù)留3mm余量，與左、右側(cè)板分別進(jìn)行組裝、加工裝馬板點焊，然后組對底板與前側(cè)板。箱體組裝時，左、右側(cè)板及底板需豎立放置，故在3個板內(nèi)側(cè)點焊槽鋼框，以增加側(cè)板剛度、減少焊接變形。固定左、右側(cè)板與底板后，以底板、左右側(cè)板及內(nèi)部支撐為基礎(chǔ)安裝后側(cè)板，并點焊工裝固定。底板與前、后側(cè)板通過包邊進(jìn)行連接，底板(含包邊)共6條焊縫，底板在整個箱體焊接過程中焊接量最大，為防止底板在箱體焊接時變形，在底板兩側(cè)加防變形的工裝。模塊后側(cè)板最后與箱體進(jìn)行組裝、加固。

調(diào)校、驗證拼裝后的整體水箱尺寸，滿足要求后焊接箱體。采用手工氬弧焊，優(yōu)先焊接箱體下部1圈焊縫，自下而上將箱體整體打底焊接，然后填充、蓋面。水箱本體對接焊縫焊接并檢測合格后，組裝焊接底側(cè)板槽鋼加勁肋及各側(cè)板連接處角鋼肋。

5 結(jié)語

通過上述技術(shù)措施，箱體整體尺寸變形量偏差控制在0～10mm，小于設(shè)計要求的允許尺寸偏差，解決由于水箱制作偏差過大導(dǎo)致的不合格問題(見表8)。

表8 箱體整體尺寸變形量偏差值 mm

核電站ASP水箱制作充分借鑒其他施工經(jīng)驗及技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)國家及行業(yè)規(guī)范，針對已知問題和可能存在的不足之處，全方面對制作工藝進(jìn)行探索、改進(jìn)、優(yōu)化、固化，形成完善的技術(shù)體系，在后續(xù)施工中更好地滿足建造要求，為相關(guān)領(lǐng)域或相同情況下ASP水箱制作提供指導(dǎo)和借鑒。