主泵泵殼與安全端焊接接頭的設(shè)計(jì)及制造

于 躍

核島一回路中使用的主泵是反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)中唯一高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，如果把反應(yīng)堆中的冷卻劑比作人體血液，主泵就是心臟。由于主泵在壽期內(nèi)始終處于高溫、高濕及強(qiáng)輻照的環(huán)境下，因此泵殼等主要部件在瞬態(tài)過程中受到溫度、壓力等交變因素的影響，其工作時(shí)的安全性和可靠性尤顯重要，而泵殼進(jìn)出口安全端焊接接頭質(zhì)量的高低直接影響到主泵的在役壽命。

下面就以我國900 MW級主泵為例，對泵殼與進(jìn)、出口安全端的焊接接頭的工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造要求等方面進(jìn)行探討。

1 焊接接頭工作環(huán)境

(1)泵殼的設(shè)計(jì)溫度343℃，設(shè)計(jì)壓力17.23 MPa。

（2）硼酸水有腐蝕性。

（3）冷卻劑有強(qiáng)放射性。

（4）一旦發(fā)生失水事故，對安全殼進(jìn)行噴淋將對焊接接頭形成較大熱沖擊。

（5）環(huán)境溫度為50℃，正常運(yùn)行時(shí)的相對濕度為50%，事故和換料期間的相對濕度為100%。

（6） 40年壽期內(nèi)啟動(dòng)和停止的循環(huán)次數(shù)約為4 000次[1]。

2 焊接接頭結(jié)構(gòu)

2.1 焊接接頭組成

在核島一回路泵殼中有兩個(gè)非常重要的承壓焊接接頭，即泵殼與進(jìn)、出口安全端的焊接接頭。該焊接接頭把泵殼與進(jìn)、出口安全端連接成一個(gè)整體，并傳遞其所承受的載荷 (見圖1)。

圖1 進(jìn)、出口安全端與泵殼的焊接接頭

該泵殼本體采用SA-508M Gr.3Cl.1鍛件，安全端采用Z2CND18-12不銹鋼鍛件。由于泵殼與進(jìn)、出口安全端接頭所用金屬材料不同，所以，在泵殼本體端部堆焊有材質(zhì)為308L/309L的預(yù)堆邊。

2.2 焊接接頭設(shè)計(jì)

焊接接頭的設(shè)計(jì)是建立在等強(qiáng)度理論上，即焊接接頭與相鄰母材具有相同的強(qiáng)度。

焊接接頭坡口設(shè)計(jì)主要目的就是要確保焊接接頭全焊透，以此確定相應(yīng)的焊接接頭形式和坡口尺寸及所采用的焊接方法，以期盡量減少焊接接頭填充金屬，避免產(chǎn)生缺陷，減少殘余焊接變形與應(yīng)力，此外，還應(yīng)便于焊接接頭防護(hù)和焊工操作。由于涉及到具體焊接工藝實(shí)施問題，設(shè)計(jì)方與制作方往往會產(chǎn)生分歧。該900 MW級主泵專利商 (簡稱專利商)在設(shè)計(jì)圖紙和采購規(guī)范中對泵殼與進(jìn)、出口安全端之間的焊接接頭所作出的規(guī)定較為詳細(xì)，但是，由于其提出的坡口形式不能完全滿足制造廠的焊接工藝要求，雙方為此進(jìn)行了多次交流，最終達(dá)成共識。

該專利商最初設(shè)計(jì)的對接焊接接頭為單面“U型”焊接接頭。該焊接接頭的優(yōu)點(diǎn)主要是可以單面實(shí)現(xiàn)埋弧自動(dòng)焊，焊縫質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量有保障（見圖2），前提是此焊接接頭必須在最終熱處理前焊接。但經(jīng)過制造廠仔細(xì)研究，并與專利商澄清，最終確定此焊接接頭只能在最終熱處理后焊接。這樣，由于在最終熱處理前已經(jīng)焊接完成的支撐件與之干涉，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，只能采用手工焊接，所以，原設(shè)計(jì)坡口結(jié)構(gòu)不再適用。因此我們根據(jù)制造廠具體的焊接設(shè)備和工藝特點(diǎn)重新進(jìn)行坡口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，考慮到焊縫金屬為不銹鋼308L，設(shè)計(jì)的坡口截面應(yīng)盡量小，而且為避免焊熱的多次作用，需采用低線能焊接（見圖3）。

圖2 專利商最初設(shè)計(jì)的對接焊接接頭形式

優(yōu)化后的焊接接頭滿足以下設(shè)計(jì)原則：

（1）焊接接頭的強(qiáng)度不低于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度下限。

（2）合理選擇了坡口角度、鈍邊高、根部間隙等結(jié)構(gòu)尺寸，使之有利于坡口加工及焊透，減少焊接缺陷。

圖3 優(yōu)化后的焊接接頭結(jié)構(gòu)

（3）完整、準(zhǔn)確地表示了焊接接頭。

（4）提高生產(chǎn)率并節(jié)省成本。

優(yōu)化后的坡口形式根部融合好，清根少，且雙面施焊，可產(chǎn)生均勻的收縮，所以變形較均勻，焊條消耗量也較原設(shè)計(jì)方案少。此種坡口形式的焊接接頭還必須通過焊接試驗(yàn)評定。

3 制造要求

3.1 加工

由于泵殼為形狀復(fù)雜的多面體結(jié)構(gòu)，在冷加工工藝方面我們根據(jù)其具體尺寸、形狀及加工條件采用了特殊的加工方案。

（1）與進(jìn)口安全端相焊的泵殼坡口采用5 m立車加工制備，首次裝夾泵殼時(shí)，泵殼如圖2放置，刀檢加工泵殼內(nèi)腔面的相應(yīng)部位后，在進(jìn)水口內(nèi)壁找正基準(zhǔn)。然后，泵殼翻身180°裝夾，進(jìn)水口向上放置，按上道工序中已加工完成的內(nèi)腔面找正、定中心，確定泵殼中心線至進(jìn)水口坡口的距離。最后，加工進(jìn)水口坡口端面，滿足圖紙尺寸要求。

（2） 與出口安全端相焊的泵殼坡口采用?200數(shù)控鏜床加工。泵殼如圖2旋轉(zhuǎn)180°，保證上端面向下放置，出水口正對泵殼橫向主軸，按照已經(jīng)加工合格后的出水口內(nèi)孔直徑確定中心，按照已經(jīng)加工合格后的表面找正泵殼各個(gè)方向，確認(rèn)余量后，加工出水口坡口端面，符合圖紙尺寸要求。

泵殼的進(jìn)、出坡口加工完成后，由鉗工打磨坡口滿足探傷要求，粗糙度達(dá)到Ra3.2，為后序焊接質(zhì)量提供了有利保證。

3.2 焊接

泵殼與進(jìn)、出口安全端焊接接頭中的焊縫金屬是由焊接填充材料308L及部分母材熔合凝固形成的鑄態(tài)組織，其組織和化學(xué)成分與母材有較大差異。接近焊縫區(qū)域的母材受焊接熱循環(huán)和熱塑性變形的影響，組織和性能均發(fā)生了變化，特別是在熔合線處的組織成分更為復(fù)雜，使焊接接頭變成一個(gè)不均勻體，同時(shí)存在三種應(yīng)力：

（1）因不均勻加熱，引起焊接殘余應(yīng)力及變形；（2）因內(nèi)壓作用產(chǎn)生的內(nèi)壓應(yīng)力；

（3）因焊接接頭表面的不完全連續(xù)，在內(nèi)壓作用下局部產(chǎn)生應(yīng)力集中—峰值應(yīng)力。

為降低殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中，需要采用合理的焊接措施：首先，采用手工焊、小電流、細(xì)焊絲、多焊道，以減小熔池的熱影響；其次，采取合理的焊接順序，先焊接收縮量大的焊縫，再背面清根焊；最后清除焊縫余高、打磨與母材齊平。雖然焊縫余高對整條焊縫起到一定的保溫和緩冷的作用，對細(xì)化晶粒、減少焊接應(yīng)力也起很大的作用，但是，它會形成形狀突變，造成局部應(yīng)力集中。同時(shí)，考慮泵殼與進(jìn)、出口安全端組焊后的坡口極易發(fā)生變形，所以在接管的長度方向和內(nèi)、外徑均留有5 mm加工余量，在完成組焊后清除掉。

該焊接接頭采用了手工電弧焊的焊接方法。因?yàn)槭止る娀『负附咏宇^表面覆蓋有較厚的熔渣層，且因坡口較大既能使焊條伸入坡口底部，又便于脫渣，還便于觀察，能保證焊接質(zhì)量。

3.3 檢測

泵殼與進(jìn)、出口安全端的焊接接頭應(yīng)進(jìn)行無損檢測。對該承壓焊縫進(jìn)行無損檢測時(shí)，為提高無損檢測結(jié)果的可靠性，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的材質(zhì)、制造方法、工作介質(zhì)、使用條件等選擇最合適的無損檢測方法。應(yīng)盡可能多采用幾種不同的檢測方法，互相取長補(bǔ)短，以取得更多的缺陷信息，從而對實(shí)際情況有更清晰的了解，保證承壓設(shè)備的安全長周期運(yùn)行。所以，對泵殼與進(jìn)、出口安全端的焊接接頭，制造廠首先進(jìn)行目視檢測，保證表面質(zhì)量。其次，按ASME鍋爐壓力容器法規(guī)第III卷第1冊NB－5000，NB－5222的要求進(jìn)行液體滲透檢測和X射線檢測。其中，采用分層液體滲透檢測方法的目的是為保證中間過程的焊接質(zhì)量。具體執(zhí)行時(shí)先對首層焊道進(jìn)行一次液體滲透檢測，隨后每焊三層進(jìn)行一次，最后對表層再進(jìn)行一次液體滲透檢測。同樣，清根焊后也如此。當(dāng)液體滲透檢測完畢，為檢測焊縫的內(nèi)部質(zhì)量，再進(jìn)行一次全厚度X射線檢測。

3.4 熱處理

泵殼的進(jìn)、出口在堆完預(yù)堆邊后，需要在密閉爐內(nèi)加熱進(jìn)行熱處理，控制爐內(nèi)氣氛以避免過渡氧化，并禁止火焰直接沖刷泵殼。

泵殼和進(jìn)出口安全端的焊縫不能進(jìn)行熱處理，主要由于進(jìn)、出口安全端的材料Z2CND18－12為含Mo的高合金鋼，如果參加最終焊后熱處理退火將導(dǎo)致M23C6析出，而M23C6對腐蝕性和機(jī)械性能有重要影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，在600～650℃的溫度范圍內(nèi)，Z2CND18－12的抗腐蝕性和延展性將明顯減弱。所以，根據(jù)析出狀態(tài)和機(jī)械性能的變化，以及材料腐蝕性的要求，安全端Z2CND18－12不能參加熱處理。而且，進(jìn)、出口安全端在現(xiàn)場焊接管道過程中，連接焊縫的熱影響區(qū)將表現(xiàn)出臨界的機(jī)械性能（延展性）和腐蝕性。所以，專利商最終確定進(jìn)、出口安全端的接頭只能在最終熱處理后進(jìn)行焊接。

3.5 質(zhì)量保證

在整個(gè)制造過程中，應(yīng)遵循核安全法規(guī)、民核產(chǎn)品質(zhì)量體系等的要求編制該焊接接頭質(zhì)保大綱，編制適用管理程序、制定不符合項(xiàng)管理程序，接受有關(guān)主管部門和買方的質(zhì)保審查和監(jiān)督。編制質(zhì)量計(jì)劃，并在質(zhì)量計(jì)劃中列明制造過程中的工序、應(yīng)用的文件、質(zhì)量控制點(diǎn) (H、W、R點(diǎn))等。質(zhì)量保證體系的每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)有文字記錄，記錄中必須有質(zhì)量的客觀證據(jù)，包括審查、檢查、試驗(yàn)、工作執(zhí)行情況的監(jiān)視、材料分析等的結(jié)果。所有記錄必須清晰、完整，并與所記述的物項(xiàng)或服務(wù)相對應(yīng)，必須以定性或定量數(shù)據(jù)表達(dá)。

4 結(jié) 語

可見，焊接質(zhì)量是個(gè)系統(tǒng)工程，在抓好設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)也不能忽略焊接及制造質(zhì)量。除了設(shè)計(jì)人員應(yīng)學(xué)習(xí)和了解制造、焊接方面的知識，以便根據(jù)不同材料、不同焊接工藝設(shè)計(jì)出合理的焊接接頭坡口形式以外，也要加強(qiáng)焊接質(zhì)量保證體系的建立與管理，對焊工、焊接工藝規(guī)定、焊接材料保管、施焊環(huán)境、焊前預(yù)熱及焊接接頭外觀檢查等方面必須有全過程的質(zhì)量保證措施。目前，主泵泵殼這樣的核心部件已經(jīng)逐步國產(chǎn)化。而且隨著CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)技術(shù)的應(yīng)用推廣，泵殼焊接工藝上許多技術(shù)難點(diǎn)也已被攻克，這也為泵殼生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]《核電廠機(jī)械設(shè)備及其設(shè)計(jì)》，朱齊榮，原子能出版社2000．8．