核電低壓外缸與凝汽器喉部焊接變形控制

付 俊 黃 勇 張從平

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

核電低壓外缸與凝汽器喉部焊接變形控制

付 俊 黃 勇 張從平

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

為了攻克核電低壓外缸與凝汽器喉部大型結構件現(xiàn)場焊接變形大的難題，通過對核電低壓外缸與凝汽器喉部焊接時的變形趨勢的分析，認為控制接頭的橫向和縱向角變形是關鍵。綜合多項措施制定和優(yōu)化了焊接工藝并成功應用于一個低壓模塊的安裝。焊接過程中分階段監(jiān)測了低壓外缸的變形，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明了該工藝的合理性。

核電；低壓外缸；凝汽器喉部；變形控制

0 引言

凝汽器喉部承受著低壓外缸的重量，其與低壓外缸的聯(lián)接質量直接影響著整個低壓模塊的裝配精度。核電機組的低壓外缸與凝汽器接口方式通常與火電機組不同[1]。 如圖1所示， 某核電機組的低壓外缸（件①）和凝汽器喉部的組合形式為通過聯(lián)接板（件②）焊接聯(lián)接， 接口為長11660mm， 寬 9280mm的矩形。 低壓外缸、 凝汽器喉部和聯(lián)接板的材質均為Q235-B。 聯(lián)接板厚度25mm， 寬度150mm， 上下端均為單邊45°V型坡口， 開口方向均朝向缸內。 兩條焊縫距離僅150mm， 且焊接填充量大，變形收縮方向一致，并且由于凝汽器喉部有加強筋作用，剛性強于低壓外缸，焊后極易造成低壓外缸壁的傾斜變形和聯(lián)接處較大的焊接應力。合理的焊接工藝是控制焊接變形和減小焊接應力的關鍵。

圖1 低壓外缸與凝汽器喉部接口圖

1 焊接存在的問題

Q235-B的碳含量較低， 其他的合金元素含量也較少，有優(yōu)良的焊接性，對于較薄的母材，不需預熱也能得到優(yōu)質的焊接接頭[2]， 焊接工藝研究的重點在于如何有效控制焊接變形和盡量減小焊接應力。根據(jù)接頭的結構，焊接過程中主要會形成以下兩種變形：

（1）焊縫橫向收縮會導致角變形， 造成低壓外缸缸壁內傾， 如圖2所示；

圖2 橫向角變形示意圖

（2）因焊縫縱向收縮量大部分集中在低壓外缸缸壁中性軸偏向缸體內的一側，導致缸壁的縱向角變形， 如圖3所示。

圖3 縱向角變形示意圖

以上兩種變形會造成低壓內缸與外缸的柔性密封法蘭軸向和徑向間隙，因此焊接工藝的制定以有效控制這兩種變形為原則。

2 焊接工藝初探

2.1 焊接變形控制措施

根據(jù)焊縫結構和可能產(chǎn)生的變形，擬采用如下措施控制：

（1）預留焊縫收縮余量

為降低焊縫拘束度，根據(jù)預計的焊縫橫向收縮量，適當增加坡口間隙，以抵消部分焊接變形。

（2）分段跳焊

為避免熱輸入連續(xù)集中于某一區(qū)域，將待焊位置合理分段，并間隔、交錯施焊。

（3）對稱焊接

根據(jù)結構特點，對稱布置焊工，并同時施焊，使焊接變形量均勻分布，避免應力大部分集中于某一區(qū)域。

（4）焊接順序

先焊工作時受力較大的和收縮量較大的焊縫，以降低這些焊縫的拘束度。

2.2 焊接工藝

根據(jù)以上措施，制定如下焊接工藝。

2.2.1 焊前準備

（1）為預留向下的焊接收縮量， 低壓外缸相對理論位置用千斤頂抬高5mm， 然后用楔鐵支撐塊支撐定位。楔鐵支撐塊和千斤頂位置分別如圖4中黑色圓點和白色方塊所示；

（2）聯(lián)接板長度根據(jù)支撐塊布置的位置進行分段，寬度根據(jù)低壓外缸與凝汽器喉部間的距離減去6mm收縮間隙進行配準。 聯(lián)接板之間開50°單面V形坡口；

（3）按圖4將A邊分為1330+3000+3000+3000+ 1330mm五段， 將B邊按圖分為747+3000+X+747+ 3000五段 （X為虛線段， 為進汽管位置， 不需安裝聯(lián)接板）， 然后按圖4逐一標記焊接順序；

（4）除支撐塊處外， 其余聯(lián)接板就位。 聯(lián)接板上端坡口根部留3mm間隙， 點焊定位牢固。

圖4 支撐塊布置及分段焊接示意圖

2.2.2 焊接

（1）按圖4標記順序依次焊接①、 ②、 ③段，除③段兩焊工同時施焊外，其余均四個焊工同時施焊。 采用手工電弧焊， 焊接電壓25～30V， 電流150～200A。 圖2所示的①和②坡口同時完成第一道焊縫；

（2）取下所有楔鐵支撐塊， 并補裝相應位置的聯(lián)接板，定位焊牢后按標記順序完成①和②坡口第二道焊縫的焊接；

（3）取下千斤頂， 補裝相應位置的聯(lián)接板， 定位焊牢后按標記順序繼續(xù)完成①和②坡口的焊接；

（4）完成所有聯(lián)接板對接焊縫的焊接。

2.2.3 變形測量

由于低壓內缸直接安裝在平臺上，而低壓外缸安裝在凝汽器上，與低壓內缸不直接接觸，故以低壓內缸為基準測量變形，測量點為低壓內缸和低壓外缸柔性密封法蘭上0°、 90°、 180°和270°四個點， 如圖5所示。 徑向和軸向的相對位置變化量如圖6和圖7所示。 焊縫填充量達60%時的相對位移量見表1。

從表1數(shù)據(jù)看出， 焊接還未完成時上、 下徑向位移量已基本抵消了預抬高的5mm余量， 下部軸向位移量也未得到較好的控制，需要根據(jù)結構特點進一步優(yōu)化焊接工藝。

圖5 低壓外缸變形量監(jiān)測點圖

圖6 徑向位移監(jiān)測示意圖

圖7 軸向位移監(jiān)測示意圖

表1 焊后監(jiān)測點位移量(mm)

3 焊接工藝優(yōu)化

3.1 更改焊接方法

相比手工電弧焊， CO2氣體保護焊效率高， 電弧能量集中，能有效地降低焊接過程中的熱輸入，有利于焊接變形的控制， 因此將焊接方法改為CO2氣體保護焊。

3.2 充分反變形

增加坡口間隙并不能抵消單面坡口焊縫的角變形， 根據(jù)模擬件試驗結果， 先完成圖2中①坡口的焊接，并在焊前充分預留反變形量，且②坡口不點焊固定， 讓①焊縫充分自由收縮， 如圖8所示。待反變形量全部收縮完后點焊固定下端。

圖8 聯(lián)接板反變形圖

3.3 分段退焊

為進一步減小焊接應力，可采取基于同步收縮原理的分段退焊。 如圖9所示， 在原分段和焊接方向不變的基礎上將各3000mm長度段均勻細分為6段， 并按照分段退焊順序逐一標記， 每一小段的焊接方向與整個焊接方向相反，除第一段焊縫外，其余各段的焊接就如同在末端加熱了的坡口上焊接一樣，即如同在擴大了間隙的坡口上焊接一樣，各小段焊后冷卻時兩端就會同步收縮[3，4]。

圖9 分段退焊圖

3.4 焊后錘擊

焊后用裝有圓頭的風槍對焊縫進行錘擊，使焊縫產(chǎn)生局部雙向塑性延展，補償焊縫區(qū)的不協(xié)調應變，達到釋放部分焊接殘余應力的目的。

3.5 支撐塊延后取下

焊完一道焊縫后就取下支撐塊，此時焊接接頭還未形成足夠的剛性，對整個低壓外缸支撐不足，易引起變形，因此將支撐塊放在聯(lián)接板上下端焊縫均焊完后取下。

按照上述原則對焊接工藝進行了改進，如表2所示。

表2 焊接工藝優(yōu)化內容

4 焊接變形監(jiān)測

按改進后的焊接工藝對另一個低壓模塊施焊，并按焊接進度分階段采用千分尺對圖5所示監(jiān)測點的位移量進行了測量， 如圖10所示。 焊后監(jiān)測點的最終位移量見表3。

圖10 低壓外缸焊后位移量曲線

表3 優(yōu)化工藝焊后監(jiān)測點位移量(mm)

所有位移量數(shù)據(jù)均以內缸為基準，外缸徑向遠離內缸位移為正，軸向向外錯位為正。第Ⅲ階段為焊完聯(lián)接板上端后將低壓外缸高度下調的過程。 通過分析圖10和表3的數(shù)據(jù)， 可以看出：

（1）焊縫的橫向收縮和第Ⅲ階段的外缸高度下調基本上抵消了焊接之前外缸抬高的5mm；

（2）由于低壓內外缸接觸裝配位置為柔性密封法蘭，有一定的調整余量，作為主要考察低壓外缸安裝尺寸的軸向位移量較小，能滿足設備安裝要求；

（3）對比表2， 優(yōu)化后的焊接工藝對焊接變形的控制效果明顯，其焊縫完全填充時的變形量比優(yōu)化前填充量僅為60%時更??；

（4）變形主要發(fā)生在聯(lián)接板下端焊接階段， 并且上、下監(jiān)測點的位移量最大，說明主要受焊縫橫向收縮的影響；

（5）由于焊接聯(lián)接板上端時其下端處于自由狀態(tài)，上端焊縫的橫向收縮不會導致低壓外缸的變形，而上端焊縫的縱向收縮僅僅造成了上、下監(jiān)測點的徑向較小位移；

（6）對稱焊接的采用使低壓外缸的變形量沿接口周向均勻分布。

5 結論

對于核電大型焊接結構件的焊接，采用合理的工藝控制焊接變形是重點也是難點。本文通過對某一機組的核電低壓外缸與凝汽器喉部焊接變形控制工藝的研究與應用，得出以下結論：

（1）對焊接工藝進行合理優(yōu)化， 可大幅減小低壓外缸的焊接變形，確保其滿足產(chǎn)品安裝要求，目前該機組已投入正常使用，證明了該焊接工藝的合理性；

（2）低壓外缸的焊接變形主要受焊縫橫向收縮的影響， 通過選擇CO2氣體保護焊、 預留收縮量、分段退焊、焊后錘擊等措施，可有效控制變形；

（3）合理安排聯(lián)接板上、 下端焊縫的焊接順序，可盡量避免聯(lián)接板上端焊縫收縮對低壓外缸變形的影響；

（4）合理分段、 對稱焊接有利于低壓外缸整體變形量沿接口周向均勻分布；

（5）該研究成果也可推廣應用于后續(xù)核電機組安裝時低壓外缸與凝汽器喉部的焊接。

[1]祝曉燕,袁景泉,張紅蓮.350MW汽輪機低壓缸與凝汽器焊接變形的控制[J]. 電力建設,2001,22(1):41-42

[2]史耀武.中國材料工程大典材料焊接工程卷[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社,2006:108-109

[3]黃國定.怎樣防止焊接應力與變形[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,1982:45-46

[4]朱明. 凝汽器與低壓缸排汽室喉部的焊接[J]. 華中電力, 2002(5):55-56

Welding Deformation Control for Nuclear Power Unit Exhaust Hood to Condenser Throat

Fu Jun， Huang Yong， Zhang Congping
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

In order to solve the difficult problem of welding deformation control for nuclear power unit exhaust hood to condenser throat,the deformation tendency was analyzed,joint control of horizontal and vertical angle deformation were considered as key point.The welding procedure withmanymeasureswas formulated and optimized,and successfully applied to a LPmodule of nuclear power unit.The rationality had been proved bymonitoring data duringwelding.

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付俊 （1983-）， 男， 工學碩士， 工程師， 上海交通大學焊接專業(yè)畢業(yè)， 現(xiàn)主要從事火電、 核電汽輪機及燃氣輪機焊接部件焊接工藝及試驗研究工作。