核電工程建設(shè)中焊接及熱處理溫度對(duì)混凝土的影響

楊永朋，顏廷海，李　君，張　昱

（中國(guó)核工業(yè)第五建設(shè)有限公司，山東 海陽(yáng) 265100）

核電工程建設(shè)中焊接及熱處理溫度對(duì)混凝土的影響

楊永朋，顏廷海，李君，張昱

（中國(guó)核工業(yè)第五建設(shè)有限公司，山東 海陽(yáng) 265100）

文章通過(guò)系統(tǒng)梳理和總結(jié)AP1000三門(mén)和海陽(yáng)4個(gè)核電機(jī)組施工中，由于施工邏輯要求、設(shè)計(jì)制約和設(shè)計(jì)修改等因素，導(dǎo)致某些部件安裝時(shí)需要考慮焊接和熱處理熱量對(duì)混凝土影響的案例和控制方法，為后續(xù)機(jī)組和項(xiàng)目提供了理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。文章案例基本覆蓋了AP1000施工中遇到的此類(lèi)問(wèn)題，并通過(guò)施工質(zhì)量和過(guò)程數(shù)據(jù)得到了驗(yàn)證。

焊接；熱處理；混凝土；開(kāi)裂；溫度

AP1000是美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)的第三代壓水堆技術(shù)，相對(duì)以往核電堆型，其采用的非能動(dòng)和模塊化的建造和設(shè)計(jì)理念，簡(jiǎn)化了核島設(shè)計(jì)，增加了平行施工面。設(shè)計(jì)理念也使得建安深度交叉，某些部位由于特有結(jié)構(gòu)和施工邏輯，土建物項(xiàng)和安裝物項(xiàng)相互影響。這種影響不僅體現(xiàn)在位置和結(jié)構(gòu)上的沖突，在滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)部件功能上也相互影響。本文通過(guò)列舉穩(wěn)壓器支撐基礎(chǔ)修改、CA55模塊牛腿MK64焊接、主蒸汽進(jìn)常規(guī)島貫穿件熱處理三個(gè)實(shí)例，分析和闡述部件安裝時(shí)焊接和熱處理熱量對(duì)混凝土的影響的評(píng)估和控制方法。

1　評(píng)估和控制方法介紹

預(yù)防焊接和熱處理溫度對(duì)混凝土造成開(kāi)裂的影響，總體原則是控制熱量輸入。首先要對(duì)熱量輸入進(jìn)行評(píng)估，核實(shí)對(duì)混凝土的影響程度。對(duì)于熱處理影響評(píng)估，由于熱處理一般在600 ℃左右，溫度很高，采用中斷和控制溫度的方法將影響熱處理效果，應(yīng)盡量采用免除熱處理的措施，不能免除的情況，應(yīng)該進(jìn)行模擬試驗(yàn)評(píng)估具體影響，便于制定措施。對(duì)于焊接過(guò)程的影響評(píng)估，可以通過(guò)控制電參數(shù)的方法，控制熱量輸入，并通過(guò)過(guò)程監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)調(diào)整。

2　免除熱處理方法實(shí)例應(yīng)用

2.1穩(wěn)壓器支撐基礎(chǔ)修改工程概況

穩(wěn)壓器為核島主設(shè)備之一，安全等級(jí)和抗震等級(jí)均為1級(jí)，通過(guò)波動(dòng)管與主管道熱段相連。其支撐由上部支撐、下部水平支撐和下部垂直支撐組成，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。下部垂直支撐共有4根，單根尺寸為4567.4 mm×736.6 mm×609.6 mm，重約1.64 t，通過(guò)地腳螺栓生根于混凝土內(nèi)，起到承重、傳遞載荷并保持穩(wěn)壓器整體穩(wěn)定的作用，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示。

由于設(shè)計(jì)未充分考慮下部垂直支撐的彎矩載荷［1］，對(duì)于已經(jīng)安裝完成海陽(yáng)核電1號(hào)機(jī)組、三門(mén)核電1號(hào)和2號(hào)機(jī)組新增了延長(zhǎng)板來(lái)提升支撐強(qiáng)度和穩(wěn)定性，圖3和圖4是結(jié)果變更后的兩種結(jié)構(gòu)，其中紅色部分是新增加的延長(zhǎng)板，延長(zhǎng)板采用焊接方式與原基礎(chǔ)板連接。

圖1　穩(wěn)壓器下部垂直支撐示意圖Fig.1　Overall support structure of SG

圖2　穩(wěn)壓器整體支撐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Lower vertical support of SG

圖3　標(biāo)準(zhǔn)延長(zhǎng)板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Standard extended plate structure

圖4　L形延長(zhǎng)板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4　L-shape extended plate structure

2.2難點(diǎn)分析

在收到變更通知時(shí)，穩(wěn)壓器已經(jīng)就位，與預(yù)埋的螺柱完成了連接，此時(shí)環(huán)吊還不具備可用條件，不具備重新吊起穩(wěn)壓器的條件進(jìn)行基礎(chǔ)板焊接的可能性，只能將延長(zhǎng)板焊縫處混凝土鑿除，通過(guò)增加墊板，進(jìn)行單面焊接。

延長(zhǎng)板材質(zhì)為ASTM A588 GR.B，ASME分組為P-NO.3-1［2］，屬高強(qiáng)度低合金鋼，碳當(dāng)量約為0.41%，焊縫厚度為38 mm。按照ASME NF規(guī)定，焊縫名義厚度≥13 mm的需要進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為595 ～675 ℃［3］。此處混凝土溫度控制要求≤259 ℃，由于延長(zhǎng)板和混凝土接觸，幾乎不可能既能滿(mǎn)足熱處理的溫度又能避免接觸點(diǎn)溫度不超出混凝土的承受溫度。焊接溫度過(guò)高都可能導(dǎo)致混凝土損傷、混凝土彈性模量和抗壓強(qiáng)度降低，形成薄弱區(qū)域，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂［4］。

2.3解決方法

（1）免除熱處理

焊后熱處理溫度在600 ℃左右，已嚴(yán)重超出混凝土耐受溫度，必須考慮免除熱處理的方法，依據(jù)ASME III NF、ASME N-71-18及設(shè)計(jì)技術(shù)條件規(guī)定，免除熱處理需要達(dá)到如下條件：

1）若選用低氫焊條，擴(kuò)散氫含量應(yīng)滿(mǎn)足H4要求（4 ML/100 g［5］）；

2）母材、HAZ和焊縫的沖擊試驗(yàn)，在最低設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度下的側(cè)向膨脹量應(yīng)≥25 mil（0.64 mm）。

（2）焊接工藝評(píng)定參數(shù)制定

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，最終確定采用E7018-H4焊條，為了能夠滿(mǎn)足沖擊試驗(yàn)側(cè)向膨脹量的要求，以及考慮現(xiàn)場(chǎng)工況條件，通過(guò)控制焊接工藝評(píng)定參數(shù)，盡量使工件儲(chǔ)備充足的沖擊值。工藝評(píng)定焊接參數(shù)詳見(jiàn)表1，對(duì)應(yīng)的沖擊數(shù)據(jù)如表2所示。

2.4過(guò)程控制及施工質(zhì)量

現(xiàn)場(chǎng)焊接參數(shù)基本保持與工藝評(píng)定一致，從而避免對(duì)沖擊功造成影響。通過(guò)采用電加熱和保溫措施，進(jìn)一步降低焊縫開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)加熱片的布置效果圖見(jiàn)圖5，紅色部分為加熱片。

根據(jù)混凝土監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，整個(gè)焊接過(guò)程混凝土最高溫度為137 ℃，遠(yuǎn)低于其耐熱溫度，混凝土未出現(xiàn)開(kāi)裂，焊縫經(jīng)過(guò)PT和RT檢測(cè)也未出現(xiàn)裂紋。

表1　焊接參數(shù)Table1　Electric parameters of welding

表2　力學(xué)性能試驗(yàn)Table2　Mechanical property tests

圖5　電加熱片布置效果圖Fig.5　Arrangement of electric heating plate

3　過(guò)程監(jiān)測(cè)方法實(shí)例應(yīng)用

3.1CA55模塊牛腿MK64焊接工程概況

CA55模塊成扇形結(jié)構(gòu)，總重量約為76.6 t，與C A01和C A03模塊相連接，上部澆注混凝土，形成反應(yīng)堆廠房11305房間的頂棚，CA55模塊形狀、在核島中位置和就位圖如圖6和圖7所示。C A01上有兩個(gè)牛腿M K64，尺寸為618 mm×508 mm×50.8 mm，是CA55模塊的主要承載結(jié)構(gòu)。牛腿采用全熔透K形坡口型式，在CA55就位前，首先需要將牛腿焊接到CA01墻體上，牛腿分布如圖8所示。

3.2難點(diǎn)分析

CA55牛腿焊接前，CA01墻體內(nèi)已經(jīng)澆注自密實(shí)混凝土澆注，設(shè)計(jì)要求對(duì)混凝土進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，控制溫度不超過(guò)148 ℃，避免混凝土墻體開(kāi)裂。而此溫度與焊接層間溫度相差無(wú)幾，由于混凝土澆注在CA01鋼結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)，是否開(kāi)裂也將無(wú)法驗(yàn)證，因此必須通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)驗(yàn)證實(shí)體質(zhì)量。

圖6　CA55模塊在核島中的位置Fig.6　CA55 module locations in NI

圖7　CA55模塊就位圖Fig.7　CA55 module locations in place

圖8　牛腿分布圖Fig.8　Beam seat distribution

3.3解決方法

現(xiàn)場(chǎng)采用如下方法對(duì)焊接過(guò)程和混凝土溫度進(jìn)行了檢測(cè)：

1）距離每個(gè)牛腿的頂部50 mm，側(cè)方25 mm開(kāi)一個(gè)最大12.7 mm深的洞，洞深入混凝土；

2）洞的直徑應(yīng)當(dāng)小于等于12.7 mm。用來(lái)監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程中的混凝土的溫度。溫度在整個(gè)焊接過(guò)程中每隔5 min用紅外測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)一次混凝土溫度并記錄；

3）混凝土的溫度禁止超過(guò)148 ℃，溫度超過(guò)148 ℃應(yīng)停止焊接作業(yè)直到溫度降到148 ℃以下才允許作業(yè)。

3.4過(guò)程控制和施工質(zhì)量

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)檢測(cè)混凝土溫度，對(duì)應(yīng)的控制焊接道間溫度，總結(jié)出焊接溫度道間溫度控制在60～100 ℃時(shí)，混凝土溫度可以基本控制在40～80 ℃。個(gè)別檢測(cè)點(diǎn)混凝土達(dá)到120 ℃，主要是焊工操作和焊前預(yù)熱等因素導(dǎo)致，但也在合理范圍內(nèi)。因此道間溫度控制在100 ℃以下可以滿(mǎn)足混凝土控溫要求。

4　模擬試驗(yàn)方法實(shí)例應(yīng)用

4.1主蒸汽和主給水貫穿件焊縫熱處理工程概況

AP1000輔助廠房主蒸汽和主給水貫穿件由套管和封頭組成，套管和封頭整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。根據(jù)施工邏輯，套管外部需要綁扎鋼筋，安裝到墻體上并澆注完成混凝土后才能安裝封頭。主蒸汽套管的外徑為1 905 mm，壁厚為51 mm，主給水套管的外徑為864 mm，壁厚為45 mm，材質(zhì)為SA335 GR P11。套管和封頭形成的焊縫距混凝土墻體為432 mm。

圖9　貫穿件結(jié)構(gòu)圖Fig.9　Penetration structure

4.2難點(diǎn)分析

根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)，SA335 GR P11需進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理，焊前最低預(yù)熱溫度為150 ℃，焊后熱處理595～675 ℃。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，此處混凝土表層溫度不能超過(guò)260 ℃。而焊縫距混凝土墻體為432 mm。考慮到主蒸汽和主積水的功能和運(yùn)行工況，此處不能考慮免除熱處理工藝，如果采用過(guò)程監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)混凝土溫度超標(biāo)采取中斷熱處理的方法將無(wú)法達(dá)到熱處理功能。對(duì)于間隔432 mm，熱處理溫度能否使混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)承受溫度，也不得而知。

4.3解決方法

通過(guò)評(píng)估，制定了評(píng)估方案，對(duì)間隔432 mm的熱量傳遞程度進(jìn)行模擬，對(duì)熱處理對(duì)混凝土的影響進(jìn)行了評(píng)估，方案如下：

利用部件的徑向?qū)ΨQ(chēng)采用板材模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，橫板材質(zhì)為Q 4 2 0 C，尺寸為800 mm×200 mm×50 mm；豎板材質(zhì)為A36，尺寸為457 mm×200 mm×38.1 mm；由于預(yù)埋板與套管的接頭形式為坡口焊縫加角焊縫的組合坡口形式，因此對(duì)模擬材料豎板按圖紙要求進(jìn)行坡口加工，將橫板和豎板組對(duì)焊接，制作完成模擬件。

對(duì)模擬件按照熱處理方案布置加熱片和保溫棉，加熱區(qū)域及保溫區(qū)尺寸如圖10所示。在加熱區(qū)中心布置熱電偶，在豎板內(nèi)側(cè)設(shè)置2個(gè)測(cè)量點(diǎn)，外側(cè)設(shè)置5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，橫板設(shè)置3個(gè)測(cè)量點(diǎn)。當(dāng)熱電偶達(dá)到保溫溫度時(shí)（620 ℃），每隔3 min對(duì)10個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。理論上測(cè)量點(diǎn)⑥⑤④③⑦⑧⑨⑩溫度會(huì)依次降低，①②代表與混凝土接觸點(diǎn)，需要重點(diǎn)監(jiān)控。

圖10　模擬試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.10　Simulation test structure

模擬試驗(yàn)的實(shí)際溫度為623℃，10個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如圖11所示。實(shí)際數(shù)據(jù)和理論分析基本一致。⑥點(diǎn)溫度最高，平均在180～200 ℃，最高為227.4 ℃。①②點(diǎn)溫度在70～110 ℃?？紤]到各種誤差和模型的偏差，溫度余量也是充足的。

4.4過(guò)程控制和施工質(zhì)量

現(xiàn)場(chǎng)熱處理過(guò)程中，在③點(diǎn)位置圓周上均勻布置4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在熱處理達(dá)到保溫溫度后，③點(diǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)如圖12所示。溫度均低于混凝土的承受溫度，熱處理后套管外混凝土未發(fā)生開(kāi)裂情況。

圖11　模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.11　Simulation test data

圖12　混凝土實(shí)測(cè)溫度曲線(xiàn)Fig.12　Measured temperatures of concrete

5　結(jié)論

通過(guò)模擬試驗(yàn)、評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)理論分析和實(shí)際情況總體吻合，但數(shù)據(jù)還存在一定的偏差，例如主蒸汽和主給水貫穿件焊縫熱處理模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，但是數(shù)值存在較大偏差，說(shuō)明對(duì)模型構(gòu)建、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件等還有改進(jìn)的空間，需要后續(xù)不斷完善。

按照控制熱量輸入的總體原則，根據(jù)施工工況，通過(guò)對(duì)焊接和熱處理要素進(jìn)行評(píng)估，并制定免除或控制措施，能夠達(dá)到對(duì)混凝土的控制要求。但是也不排除今后由于設(shè)計(jì)因素造成不能避免的情況，則需另行分析。這種方法可以為今后項(xiàng)目類(lèi)似情況提供理論和數(shù)據(jù)支持。

［1］ 王坦. AP1000核電機(jī)組穩(wěn)壓器支撐加固的工程實(shí)踐［J］.中國(guó)核電，2014，7（4）：317-321.（WANG Tan，The Engineering Practice for the First AP1000 Pressurizer Support Reinforcement［J］. China Nuclear Power，2014，7（4）：317-321.）

［2］ ASME BPVC焊接分委員會(huì)，ASME IX 焊接及釬焊評(píng)定［S］，1998及2000增補(bǔ).（ASME Boiler and Pressure Vessel Committee on Welding and Brazing，ASME IX Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures，Welders，Brazers， and Weldingand Brazing Operators［S］，1998 edition and 2000 Addenda.）

［3］ ASME BPVC核動(dòng)力分委員會(huì)，ASME III 核動(dòng)力裝置設(shè)備建造準(zhǔn)則［S］，1998及2000增補(bǔ).（ASME Boiler and Pressure Vessel Committee on Nuclear Power，ASME III， Rules for Construction of Nuclear Facility Components［S］，1998 edition and 2000 Addenda.）

［4］ 喬衛(wèi)國(guó)，陳杏環(huán)，重慶設(shè)計(jì)院. 鋼筋焊接熱度對(duì)混凝土的影響研究［J］. 2011.（QIAO Wei-guo， CHEN Xing-Huan，Chongqing Architectural Design Institute. The Influence Research of Rebar Welding Heat On Concrete［J］，2011.）

［5］ ASME BPVC材料分委員會(huì)，ASME II C篇—焊絲、焊條及填充金屬材料［S］，1998及2000增補(bǔ).（ASME Boiler and Pressure Vessel Committee on Material， ASME II Part C Specifications for Welding Rods， Electrodes， and Filler Metals［S］，1998 edition and 2000 Addenda.）

Assessment and Control Methods for the Impact of Welding and Heat Treatment Temperature on the Concrete of AP1000 Nuclear Power Plant

YANG Yong-peng， YAN Ting-hai， LI Jun，ZHANG Yu
（China Nuclear Industry Fifth Construction Co.，Ltd.，Haiyang of Shandong Prov. 265100，China）

This thesis sorts out and summarizes the cases and control method of heat impact on the concrete during welding and heat treatment for installation of some components due to the requirement of the construction logic， design restriction， design modification， etc. in the construction process of four nuclear power units at AP1000 Sanmen and Haiyang， so as to provide theory and practice experience for the follow-up units and projects. The cases in this thesis almost cover this kind of issue during AP1000 project construction which have been verified through the construction quality and process data.

welding； heat treatment； concrete； cracking； temperature

TL37 Article character：A Article ID：1674-1617（2015）04-0335-07

TL37

A

1674-1617（2015）04-0335-07

2015-10-01

楊永朋（1983—），男，河北人，工程師，學(xué)士，從事核電廠施工技術(shù)管理工作。