“华龙一号”示范工程常规岛成功应用窄间隙自动焊
2020-01-18 12:30阅读：
【摘要】针对“华龙一号”示范工程常规岛主蒸汽、主给水管道大管径、厚管壁、焊缝数量大的特点，采用窄间隙自动焊，可以充分发挥自动焊焊材消耗少、焊缝力学性能好、降低焊工技能依赖度的优势，
提升焊接质量和效率。通过大量试验反复验证，最终确定设备型号、母材坡口型式、焊接材料型号、焊接工艺参数、预热工装、热处理、接头返修工艺等自动焊关键参数。2019年9月25日，窄间隙自动焊首次成功在福清核电6号常规岛应用，属于国内首创，本文对福清核电工程6号机成功应用自动焊经验进行介绍。
【关键词】常规岛；窄间隙自动焊；主蒸汽主给水管道；预热；
0 前言
随着科学技术的不断进步以及国内人工成本的逐步上涨，自动焊技术因其质量稳定、焊材消耗少、焊工培训周期短及劳动强度低等特点，中国核电工程有限公司近年来持续推动焊接新技术在核电工程中成功应用，如核岛主管道窄间隙TIG自动焊、核岛不锈钢覆面热丝TIG自动焊；
目前，国内常规岛安装仍采用传统的钨极氩弧焊和焊条电弧焊等手工焊，未曾应用自动焊技术。采用传统的手工焊，焊工劳动强度大、焊接效率低、焊工数量多。同时，手工焊受工作环境及焊工状态等诸多不确定因素的影响，焊缝质量不够稳定。为适应我国核电产业快速发展，缩短安装工期，提升焊接质量，有必要研究核电站常规岛自动焊工艺，并应用于工程建设中。
一 常规岛自动焊与核岛自动焊的异同
1.1 焊接标准体系不同
国内核电站核岛焊接尚无国家或行业标准，焊接技术执行设计院出版的技术规格书；
常规岛与常规火电比较类似，设备和系统基本一致，焊接技术采用火电行业标准《DL/T868-2014焊接工艺评定》和《
DL/T869-2012
火力发电厂焊接技术规程》。国家能源局推动核电标准体系建设，
2018年推出常规岛专用焊接标准《
NB/T25084-2018
核电厂常规岛焊接工艺评定规程》和《
NB/T25085-2018
核电厂常规岛焊接技术规程》，
2018年
11月
12日发布，
2019年
4月
1日实施。由于能源局常规岛专用标准发布较晚，根据福清核电厂
5、
6号机组常规岛安装合同，常规岛焊接执行标准为
DL/T868和
DL/T869。
1.2
母材不同
核岛主管道和不锈钢覆面的母材都是奥氏体不锈钢，根据奥氏体不锈钢的特性，焊接是不需要预热或热处理；
常规岛主蒸汽管道和主给水管道材质都是P280GH，属于低碳钢。根据标准DL/T869,低碳钢管道壁厚大于26mm,需要预热100±50；壁厚大于25mm，焊后需要热处理600±50；常规岛主蒸汽和主给水管道壁厚基本都大于26mm，自动焊前需要进行预热，需要提前布置预热装置，预热装置一般会对自动焊机造成干扰，使得实施自动焊难度加大，需要研究解决；
1.3
工艺不同
核岛不锈钢覆面热丝TIG自动焊,用于不锈钢水池覆面焊缝的填充和盖面，母材较薄且都是平直的长焊缝，与厚壁管道环焊缝有较大区别；
核岛主管道窄间隙自动焊和常规岛窄间隙自动焊，都是大管径厚管壁，可以使用相同的自动焊机，类似的坡口参数、焊丝规格（Φ0.8mm或Φ1.0mm）。但由于材质不同导致常规岛窄间隙自动焊的特殊性，需试验确定预热工装选型、焊材牌号选择、焊接电流和电压、送丝速度、层道布置、预热及焊接温度控制、保护气体流量等工艺参数。
二 主蒸汽主给水管道焊口统计
为发挥自动焊效率高质量好的优势，焊接对象必须是大口径厚壁管，常规岛主蒸汽和主给水管道满足此条件。主蒸汽和主给水都是核电站二回路承受高温高压的管道，主给水管道，是二回路给蒸汽发生器提供高压给水的管道，从电动主给水泵出口算起，包括电动主给水泵系统、高压加热器系统、给水流量分批系统；主蒸汽管道，是主给水经过蒸汽发生器加热后，变成饱和蒸汽，用管道输送到常规岛推动汽轮机发电，包括主蒸汽系统、蒸汽旁路系统；主蒸汽和主给水分为核岛和常规岛两部分，以核岛和常规岛的连廊为界，本次是研究常规岛部分。
在筹划常规岛自动焊阶段，对福清核电厂5、6号机组常规岛主蒸汽和主给水管道的焊口规格和数量进行统计（见下表）。
表1：福清核电厂5、6机组主蒸汽和主给水管道焊口统计
系统
|
材质
|
规格
|
福清5、6常规岛焊口数
|
主蒸汽主给水管道
|
P280GH
|
Φ457×31.75
|
156
|
主蒸汽主给水管道
|
P280GH
|
Φ559×38.1
|
20
|
主蒸汽主给水管道
|
P280GH
|
Φ660×30.18
|
210
|
主蒸汽主给水管道
|
P280GH
|
Φ762×34.93
|
78
|
主蒸汽主给水管道
|
P280GH
|
Φ813×36.53
|
48
|
三 自动焊工艺试验
3.1 焊接设备选择
选用核岛主管道窄间隙TIG自动焊机（见图1），由加拿大Liburdi
公司GT-VI 型窄间隙焊电源和美国PCI
公司双焊炬机头构成，具有性能稳定、操作简单、过程可控、适用管径范围大的优点。
3.2
自动焊与手工焊的坡口对比以及窄间隙坡口参数选择
手工焊采用宽坡口（见图2），让焊条充分深入坡口根部，便于焊工摆动焊条，易于操作。宽坡口由于坡口角度较大，每一层的焊道数由坡口宽度决定，在焊接时侧壁能够很好的熔合，但增加了焊缝金属填充量、焊接时间以及成本，使得生产效率降低。
自动焊采用窄间隙坡口（见图3），是为了减小焊接残余应力和变形，提高焊缝力学性能，减少填充量，降低生产成本。窄间隙自动焊，采用单层单道焊，坡口两侧接近垂直状态，根部有钝边，钝边过大难熔透，钝边过小易烧穿，故钝边需通过试验得出最佳厚度；坡口错变量和组对间隙，也会对焊缝根部熔合产生较大的影响，通过试验得出最佳范围。
通过多次试验验证，获得窄间隙自动焊坡口最佳参数，见图4。
图4：试验最佳窄间隙坡口参数
3.3 填充材料选择
自动焊一般选用盘装焊丝作为填充材料，通过分析母材P280GH化学成分和力学性能分析，选择焊丝型号和规格(见表2)。
表2：自动焊焊丝型号和规格
母材
|
焊丝型号
|
规格
|
包装形式
|
执行标准
|
P280GH
|
ER50-6
|
Φ1.0
|
5kg盘装
|
NB/T20009.6
|
在选择焊丝型号和规格后，通过对焊接试件进行试验对焊丝化学成分和力学性能进行检验。为进行对比，同时检验病记录试件焊接后以及热处理后的试验数据，见表3、4、5。
表3：化学成分分析
化学元素
|
C
|
Mn
|
Si
|
P
|
S
|
要求
|
0.06～0.15
|
1.40～1.80
|
0.80～1.15
|
≤0.025
|
≤0.015
|
焊接后
|
0.13
|
1.64
|
0.87
|
＜0.01
|
＜0.008
|
热处理后
|
0.12
|
1.52
|
0.81
|
＜0.01
|
＜0.008
|
化学元素
|
Ni
|
Cr
|
Mo
|
V
|
Cu
|
要求
|
≤0.15
|
≤0.15
|
≤0.15
|
≤0.03
|
≤0.25
|
焊接后
|
0.02
|
＜0.1
|
＜0.03
|
0.003
|
0.17
|
热处理后
|
0.02
|
＜0.1
|
＜0.03
|
0.003
|
0.16
|
表4：拉伸试验
状态
|
试验温度
|
屈服强度Rρ0.2%Mpa
|
抗拉强度RmMpa
|
断后伸长率
%
|
断面收缩率%
|
焊接后
|
20
|
标准
|
≥400
|
490～640
|
≥22
|
/
|
实测
|
540
|
655
|
26
|
68
|
300
|
标准
|
≥215
|
/
|
/
|
/
|
实测
|
497
|
707
|
19
|
43.5
|
热处理后
|
20
|
标准
|
≥275
|
≥470
|
/
|
/
|
实测
|
458
|
615
|
32
|
72
|
300
|
标准
|
≥215
|
/
|
/
|
/
|
实测
|
395.5
|
546
|
30.5
|
73.5
|
表5：冲击韧性试验
状态
|
试样尺寸
mm
|
试样温度
|
冲击吸收功KV8
J
|
平均值≥60J，仅允许1个低于平均值，但不低于42J
|
焊接后
|
10×10×55
|
0
|
262
|
268
|
＞280
|
热处理后
|
10×10×55
|
0
|
209
|
254
|
194
|
经过化学分析和力学性能检验，证明焊丝各项性能都满足要求，完成焊丝型号和规格的选择。
3.4预热工艺
3.4.1预热方法选择
由于主蒸汽管和主给水管的管壁较厚，由于焊缝冷却速度较快，容易在焊缝及热影响区产生淬硬组织，从而导致裂纹的产生，所以需要对管道进行预热。焊接中常用的预热方法有电阻加热和电磁感应加热。
电阻加热，是由加热片发热后，将热热量传导至管道上，且加热过程中至管道周围温度上升较大，容易影响自动焊接机头，加热效率较低，且电阻加热的电阻片及保温棉体积较大，不便于使用自动焊接设备进行焊接。
电磁感应加热，是在管道内或外部缠绕感应线圈，通电后，由管道本身产生感应热量并在金属内部进行传导，工件表面温度不会超过设定的预热温度，不会产生过热损坏；相较于电阻加热速度快，可减少加热时间；使用贴附在管道面上的感应线圈即可实现管道的预热，占用空间小。
3.4.2 预热工艺
使用常规岛主蒸汽管和主给水管进行试验，证明电磁感应加热对管道加热速度快，高精度地控制预热温度和焊接层间温度，见图5。
图5：管道电磁感应加热
3.5 窄间隙打底焊工艺参数
通过打底焊试验，确定组对间隙和错边量参数，然后实现单面焊双面成形的工艺参数，如焊接电流、电压、送丝速度等。
3.5.1 组对间隙和错变量
组对间隙过大容易熔穿（见图6），组对间隙过小容易产生未焊透，通过试验得出最佳组对间隙；最后试验确定组对间隙最佳范围为0.8mm～1,7mm。
错边，不仅影响焊缝的美观和外观形状，而且会造成应力集中，影响焊缝的承载力，理论上错变量越小越好，但要求越高实现的难度越大。通过试验，主蒸汽管和主给水管作为同心圆，组对圆周各等分点上每点错边量小于0.8mm，可以控制整体错边量满足要求。最后试验确定组对错变量不超过0.8mm。
3.5.2 打底焊接工艺
焊接工艺参数有起弧电流、焊接电流、焊接电压、焊接速度、送丝速度、脉冲频率、摆动等参数，试验得出数据见表6。
表6：打底焊工艺参数
电流 A
|
电压
V
|
送丝速度 in/min
|
脉冲
|
电弧速度
in/min
|
峰值
|
基值
|
峰值
|
峰值
|
基值
|
频率
HZ
|
脉宽
%
|
130-175
|
40-65
|
9.2-10.5
|
25-30
|
20-30
|
2
|
40-50
|
1.6-1.8
|
3.6 窄间隙填充和盖面焊工艺参数
通过试验得出窄间隙TIG自动焊填充和盖面焊参数，见表7：
层道
|
摆动参数
|
电流
A
|
电压
V
|
送丝速度in/min
|
脉冲
|
电弧速度
in/min
|
摆宽in
|
内停留s
|
摆动时间s
|
外停留s
|
峰值
|
基值
|
峰值
|
峰值
|
基值
|
频率
|
脉宽
|
直道
填充1
|
/
|
/
|
/
|
/
|
240～300
|
120～150
|
9.5～12
|
25～35
|
20～30
|
2
|
50
|
1.9～2.5
|
摆动
填充
|
0.08～0.15
|
0.40～0.45
|
0.30～0.40
|
0.40～0.45
|
270～320
|
140～170
|
10～12.5
|
25～30
|
20～25
|
/
|
/
|
1.7～2.1
|
直道
填充2
|
/
|
/
|
/
|
/
|
270～340
|
140～170
|
10～12
|
30～45
|
25～40
|
2
|
50
|
1.9～3.0
|
盖面
|
/
|
/
|
/
|
/
|
260～290
|
130～150
|
10～12
|
25～35
|
20～30
|
2
|
50
|
2.5～4
|
四 总结
通过工艺试验，对常规岛窄间隙自动焊工艺参数进行确定，利用已确定的工艺参数焊接大量试件，外观检查、射线检测都合格，力学性能都满足标准要求，验证焊接工艺的正确性。窄间隙自动焊在福清核电6号常规岛的成功应用，开启常规岛自动焊新时代。
