EPR核電站RIS系統(tǒng)貫穿件與膨脹節(jié)環(huán)板焊接變形控制

魏海鳴

（中核遼寧核電有限公司，遼寧葫蘆島125000）

EPR核電站RIS系統(tǒng)貫穿件與膨脹節(jié)環(huán)板焊接變形控制

魏海鳴

（中核遼寧核電有限公司，遼寧葫蘆島125000）

針對EPR核電站安全注入系統(tǒng)（RIS）貫穿件與膨脹節(jié)環(huán)板焊接變形問題，分析變形原因，并制定有效的預防措施和改進焊接工藝。結果表明，所制定的預防措施和改進的焊接工藝能有效控制貫穿件與膨脹節(jié)環(huán)板焊接后的變形，對大口徑管道與環(huán)板的焊接變形控制具有重要的借鑒意義。

核電站；安全注入系統(tǒng)；貫穿件；膨脹節(jié)；變形控制

1 概述

核電站安全注入系統(tǒng)（RIS）是核電站專設安全系統(tǒng)，由四列組成。其中任何一列可以在安注模式下運行，也可以在余熱排出模式下運行，主要包括反應性控制、堆芯余熱導出和放射性物質包容三個安全功能。當核電站一回路系統(tǒng)的管道和設備發(fā)生破損事故后，安全注入系統(tǒng)用于向堆芯緊急注入高硼冷卻水，防止堆芯因失水而造成燒毀[1]。安全注入系統(tǒng)每一列都由安注罐、中壓安注泵（MHSI）、低壓安注泵（LHSI）、熱交換器和相應的管道和閥門組成，四列分別布置在不同的安全廠房，每一系列都連接在一回路主系統(tǒng)的一條環(huán)路上，允許電站正常運行期間可以在某個安全系列上進行預防性維修和維護工作[2]。

膨脹節(jié)也稱波紋管，或是波紋管補償器，屬于一種補償元件。膨脹節(jié)利用波紋管補償器的彈性元件的有效膨脹節(jié)變形來吸引管線、導管或容器因熱脹冷縮的溫度變化的一種補償裝置。膨脹節(jié)可以用來補償管道的軸向、橫向、角向位移量。

2 基本技術條件

2.1 貫穿件與膨脹節(jié)及環(huán)板母材

RIS系統(tǒng)貫穿件與膨脹節(jié)及環(huán)板現(xiàn)場安裝示意如圖1所示。貫穿件和膨脹節(jié)環(huán)板2的材質為Z2CN18.10，環(huán)板1材質為P265GH。貫穿件、環(huán)板、膨脹節(jié)環(huán)板材料機械性能及化學成分如表1所示。

圖1 RIS系統(tǒng)貫穿件與膨脹節(jié)及環(huán)板現(xiàn)場安裝示意

2.2 焊接接頭類型及坡口形式

RIS系統(tǒng)貫穿件與環(huán)板1焊接接頭形式為T型接頭，坡口形式為單邊V型坡口，屬于坡口焊縫；環(huán)板1與膨脹節(jié)環(huán)板2焊接接頭形式為搭接接頭，坡口形式為I型坡口，屬于角焊縫。具體接頭形式如圖2所示。

圖2 RIS系統(tǒng)貫穿件與膨脹節(jié)及環(huán)板接頭形式

2.3 焊接方法和填充材料

RIS系統(tǒng)貫穿件與環(huán)板1焊接、環(huán)板1與膨脹節(jié)環(huán)板2焊接均采用手工氬弧焊（TIG）進行焊接，使用焊接填充材料為ESAB生產的OK TigrodN 309L焊絲φ1.6 mm。焊接填充材料化學成分及機械性能見表2。

表2 焊接填充材料OK TigrodN 309L化學成分和機械性能

表1 母材化學成分和機械性能

2.4 其他

按照設計圖紙要求，貫穿件與環(huán)板1焊接時將坡口部分填充即可，環(huán)板1與膨脹節(jié)環(huán)板2焊接焊喉高度為7 mm。

3 膨脹節(jié)及環(huán)板焊接變形問題

3.1 環(huán)板1的焊接變形

在國外某核電項目中，RIS系統(tǒng)貫穿件與環(huán)板1焊接完成后，環(huán)板1發(fā)生變形，延管道軸向坡口一側的方向偏倒，環(huán)板1外沿偏離20 mm以上，導致環(huán)板1與膨脹節(jié)環(huán)板無法焊接。環(huán)板1變形示意如圖3所示。

3.2 膨脹節(jié)環(huán)板2的焊接變形

通過環(huán)板1焊接變形的經驗反饋，制作反變形工具固定環(huán)板1與貫穿件，并使用正確的焊接工藝進行焊接，再焊接環(huán)板與膨脹節(jié)環(huán)板2，焊接完成后發(fā)現(xiàn)膨脹節(jié)環(huán)板2發(fā)生輕微的變形，變形偏差約5 mm，膨脹節(jié)環(huán)板變形示意如圖4所示。

圖3 環(huán)板1焊接變形

圖4 膨脹節(jié)環(huán)板變形2

4 變形原因分析

任何焊接都會產生變形，焊縫在焊接時會收縮，并且收縮量隨管道直徑、管壁厚度的變化而變化。異種鋼焊接接頭和同種鋼焊接接頭有本質差異，主要是熔敷金屬與兩側焊接熱影響區(qū)和母材存在的不均勻性[4]，主要有：

（1）化學成分不均勻。這是因為在焊接加熱過程中，兩側母材的熔化量、熔敷金屬和母材熔化區(qū)的成分因“稀釋”作用會發(fā)生變化。接頭區(qū)的成分不均勻程度不僅取決于母材、填充金屬各自的原始成分，也受焊接工藝的影響。

（2）組織的不均勻性。在焊接熱循環(huán)的影響下，接頭內的各區(qū)域組織是不同的，而且在個別區(qū)域內還會出現(xiàn)復雜的組織結構。

（3）性能的不均勻性。由于組織、成分的變化，導致性能上的不同，各種變化會呈倍數(shù)關系變化，特別是焊縫兩側的熱影響區(qū)沖擊值變化更大。

（4）應力場分布不均勻。由于組織、成分的不同，接頭的熱膨脹系數(shù)和導熱系數(shù)也不同，熱膨脹系數(shù)不同引起塑性區(qū)域不同，殘余應力不同；導熱系數(shù)不同會引起熱應力不同[5]。

（5）膨脹節(jié)環(huán)板2變形的主要原因是第一次制作的反變形工具僅對貫穿件與膨脹節(jié)環(huán)板1進行固定，未對膨脹節(jié)環(huán)板2進行固定。

貫穿件、環(huán)板1、膨脹節(jié)環(huán)板2焊接時，未采取反變形措施和小規(guī)范的電流，未對焊道層間溫度進行控制和未采用分段焊接的方法是導致焊接變形的主要因素。

5 焊接變形控制

5.1 制作反變形工具

根據(jù)貫穿件與環(huán)板1、環(huán)板1與膨脹節(jié)環(huán)板2焊縫位置的設置，結合焊縫在焊接過程中的收縮變形，制作反變形支撐件對環(huán)板1和膨脹節(jié)環(huán)板2進行固定，反變形支撐件示意如圖5所示。根據(jù)管道直徑大小，共制作12塊反變形支撐件，現(xiàn)場安裝時按照管道12等分的位置，對每個位置點采用反變形支撐件進行剛性固定，以防止在焊接過程中因焊縫收縮導致環(huán)板1及膨脹節(jié)環(huán)板2變形，反變形支撐件分布示意如圖6所示。

圖5 反變形支撐件示意

5.2 焊接過程及質量控制

5.2.1 組對及安裝反變形支撐件

組對時調整好環(huán)板與貫穿件之間的組對間隙和垂直度，然后按照上下左右的原則分別對反變形支撐件和貫穿件與環(huán)板1進行定位點焊，焊縫長度控制在10～20 mm，點焊時應控制點焊的質量，防止因電流過大，導致母材咬蝕。定位焊縫不應有裂紋、咬邊和氣孔，起弧收弧處不應有縮孔、弧坑或裂紋①電力行業(yè)核電焊接技術培訓中心.核電設備焊接培訓研討技術資料匯編，2009.。

圖6 反變形支撐件分布示意

反變形支撐件安裝完成后，先去除焊縫周圍鐵銹、油脂、雜質至露出金屬光澤，再用不起毛的純棉白布蘸丙酮擦拭環(huán)板坡口附近區(qū)域，以去除待焊區(qū)域內可能產生的油污和灰塵，保證待焊區(qū)域及周圍環(huán)境的清潔。

5.2.2 焊接

焊接時，采用分段焊接的方法進行焊接。并嚴格按照確定的分段焊接順序進行焊接，焊縫分段焊接順序示意如圖7所示。貫穿件與環(huán)板1的焊接，按照貫穿件周長將整圈焊縫16等分；環(huán)板1與貫穿件環(huán)板2的焊接，按照環(huán)板1外沿周長將整圈焊縫12等分。焊接過程分為打底焊道和填充焊道，每一道焊縫焊接完成后，檢查分段焊道接頭處，如有接頭熔合不良的區(qū)域，采用打磨機進行打磨。整個焊縫的焊接位置均為PF位置（立向上），焊接電流采用工藝評定電流覆蓋范圍的下限（80～90 A），控制道間溫度小于70℃。

5.2.3 焊后檢驗及檢查

貫穿件、環(huán)板1、膨脹節(jié)環(huán)板2焊接完成后，去除反變形支撐件，去除時采用打磨的方式將反變形支撐件與貫穿件和環(huán)板定位點焊位置磨開，并將貫穿件與環(huán)板上點焊位置的熔敷金屬磨平。然后對兩條焊縫及磨平的點焊位置進行液體滲透檢查。

圖7 分段焊接順序示意

檢查RIS系統(tǒng)貫穿件與膨脹節(jié)及環(huán)板焊接完成后的變形情況，膨脹節(jié)及環(huán)板均垂直于管道貫穿件，未發(fā)生變形。

5.3 注意事項

a.定位點焊時，注意控制電流，防止因電流過大，導致母材咬蝕。

b.兩條焊縫焊接時，務必保證周圍環(huán)境中無風，避免氬弧焊氣體保護不當產生氣孔。

c.定位點焊及焊縫焊接時，防止鎢極與母材直接接觸，避免出現(xiàn)夾鎢。

d.去除反變形支撐件時，務必將定位點焊位置磨開，禁止強行拆除，防止撕裂母材。

6 結論

（1）RIS系統(tǒng)貫穿件與膨脹節(jié)及環(huán)板焊接變形原因分析正確，通過制作反變形支撐件，對膨脹節(jié)及環(huán)板同時進行固定，有效防止焊接變形。

（2）采用分段焊接的方法，控制焊接過程中的焊接電流和層間溫度，以減少焊接熱輸入，最終達到控制焊接變形的效果。

[1]臺山核電合營有限公司培訓中心[S].EPR核電廠系統(tǒng)與設備，2013.

[2]注冊核安全工程師崗位培訓叢書編委會.核安全專業(yè)實務[M].北京：中國環(huán)境科學學出版社，2009.

[3]RCCM2007壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則[S]，2007.

[4]劉政軍.徐德昆.不銹鋼焊接及質量控制[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[5]王宗杰.熔焊方法及設備[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

Penetration piece and ring flat-plate welding deformation control in EPR NPP safety Injection System

WEI Haiming
（China（Liaoning）Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Huludao 518124，China）

Concerning ring flat-plate welding deformation of penetrations piece and expansion joints in EPR NPP safety injection system,the causes are analyzed，effective preventive measures are discussed and welding technique is improved.It's found finally that the preventive measures and improved welding procedure can effectively control deformation of ring flat-plate deformation after welding and it is very significant for welding deformation control of big pipelines and ring flat-plates.

Nuclear Power Plan（tNPP）；Safety Injection System（RIS）；penetration piece；expansion joints；deformation contro

TG404

B

1001-2303（2015）08-0157-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.34

2014-12-20；

2015-03-20

魏海嗚（1981—），男，河北人，工程師，學士，主要從事核電焊接方面的工作。