核反應堆冷卻劑泵電機支座裝配焊接工藝

杜雷+劉大為+李雅范+林海燕

摘要： 分析了核反應堆冷卻劑泵電機支座的裝配焊接工藝難點和關(guān)鍵工藝。通過全尺寸模擬件成形和焊接試驗，制定出合理的裝配焊接工藝方案。實際產(chǎn)品按照此裝配焊接工藝進行生產(chǎn)，首次實現(xiàn)了該部件的自主制造。

關(guān)鍵詞： 核反應堆冷卻劑泵；電機支座；裝配；焊接

中圖分類號： TG47；TG457.11；TG441.4

Abstract： This paper analyzes the difficulties and key technology of welding assembly of reactor coolant pump motor support. Through the full size simulation and welding test， make a reasonable welding technology. According to the actual product assembly and welding process， for the first time to realize manufacturing the components.

Key words： reactor coolant pump； motor support； assembly； welding

0前言

反應堆冷卻劑泵（主泵）是核電站反應堆的“心臟”，是反應堆冷卻劑系統(tǒng)的主要設備和壓力邊界設備之一。在以福清方家山項目為代表的“二代改進型”主泵中，電機支座作為主泵的安全1級部件之一，其承擔了主泵及主泵電機幾乎全部的質(zhì)量總和，在主泵運行中起到支撐和穩(wěn)固的作用。

電機支座部件的國產(chǎn)化是我國核電主設備國產(chǎn)化重點任務之一。我公司通過全尺寸模擬件成形和焊接試驗，摸索出符合設計要求的合理的成形、裝配及焊接工藝，解決了核主泵制造中的關(guān)鍵工藝難題，從而制造出了滿足質(zhì)量要求的產(chǎn)品。該項技術(shù)可用到我公司今后“華龍一號”主泵等同類產(chǎn)品制造設計上，充分發(fā)揮公司先進設備的利用率，既提高了公司制造技術(shù)的先進性，又降低了成本，提高了生產(chǎn)效率，具有重大的經(jīng)濟效益和社會效益。對我公司相關(guān)工種操作人員也是很好的鍛煉。

1電機支座的結(jié)構(gòu)

電機支座分為上下兩部分，整體采用圓形筒體與法蘭接合的回轉(zhuǎn)體焊接結(jié)構(gòu)設計，此種設計可以降低制造成本，節(jié)約材料，且因其對稱設計，具有受力均勻，結(jié)構(gòu)緊湊，性能質(zhì)量可靠等特點。但是由于下部支座需裝配連接不同直徑的泵蓋及上部支座，采用了錐度為11°的錐體的設計，如圖1所示，且尺寸公差、精度、表面精度要求高，錐體成形過程較為復雜，因此卷制出滿足設計尺寸要求的錐體具有一定難度，是支座制造過程中的關(guān)鍵工藝之一。此外，考慮到機座結(jié)構(gòu)復雜、焊縫交錯、焊接量大，為避免殘余應力過于集中，焊接變形過大，除了進行必要的焊后熱處理之外，在焊接坡口設計上大量采用了雙面坡口設計；在實際焊接過程中為了保證焊縫質(zhì)量，某些焊縫應用了多種焊接方法，因此需要確定合理的焊接參數(shù)、裝配和焊接次序及方向、制定最佳的焊接工藝方案來有效地控制焊接變形，滿足圖紙尺寸及后續(xù)加工要求。

2半錐體的卷制及成形工藝過程

半錐體結(jié)構(gòu)為2瓣設計，材料選用SA 36M，厚度為50 mm，單瓣卷制形狀的精確與否直接關(guān)系到2瓣錐體能否順利對接以及能否滿足對接后的圓度要求，因此該部件的制造是十分關(guān)鍵的，其工藝過程是歷經(jīng)數(shù)次試驗摸索而制定的。

半錐體部件采用滾板機一次卷制而成，下料尺寸精度對成形后的尺寸有很大的影響。該錐體展開下料的扇形板是按照以計算機3維實體圖展開放樣計算得到精確尺寸為基礎，并考慮設備卷制需要，每側(cè)預留400～450 mm的直邊余量，根據(jù)鋼板形狀，合理套裁，進行數(shù)控半自動切割落料。

半錐體的卷制過程中，由于該件板材厚，剛性大，直接置于滾板機上卷制是十分困難的，而且曲率半徑也難以保證，為此在卷板前采用放射線展開法對其進行1：1放樣展開，每隔150 ～200 mm劃出成形母線。然后通過卷板機按照成形線預制半錐體兩端部弧形，再利用滾板機配合豎輥卷制半錐體。根據(jù)其大、小端口的半徑數(shù)值，結(jié)合滾板機正常工作時上輥下降的數(shù)值計算公式，分別得到上輥在大、小端口的下降數(shù)值，分別卷制上、下端口至尺寸要求。配合成形線及上、下端口樣板不斷修正，即可完成半錐體的卷制過程[1]。

卷制完成后，為了克服材料回彈，進一步修正成形尺寸精度，對部件進行局部熱校形處理。利用金屬局部受熱后膨脹所引起的新變形，來抵消原來的變形，從而使半錐體尺寸滿足圖紙要求，如圖2、表1、表2所示。隨后焊接工藝拉筋，如圖3所示，目的是避免后續(xù)吊裝運輸、加工及焊接過程引起的半錐體形狀變化。使用氣割方法切除直邊余量，加工縱縫坡口。

3.1焊接工藝規(guī)范

焊接工藝規(guī)范的制定是在充分消化吸收技術(shù)轉(zhuǎn)讓資料的基礎上，結(jié)合自身設備及人員能力進行工藝評定，查閱文獻[2]，試驗摸索出的在滿足焊縫質(zhì)量要求下的適宜參數(shù)范圍，具體工藝參數(shù)如下。母材：SA36M+SA36M；焊接方法：GMAW熔化極氣體保護焊；保護氣體：80%Ar+20%CO2；氣體流量：12～18 L/min；焊接材料：AWS A5.18 ER70S-6 直徑1.2 mm；預熱溫度：最低預熱溫度100 ℃；電流類型：直流反接；焊接參數(shù)見表3。

3.2裝配及定位焊

2瓣半錐體在裝配時，充分考慮下序環(huán)焊縫坡口尺寸的加工要求，按照嚴格要求上、下端尺寸，筒體縱縫中部位置其次要求的原則。采用劃線定位裝配方法，將2瓣半錐體按劃好的裝配位置線固定后，在合口位置預留2～4 mm 焊接收縮量，然后使用氣體保護焊方法進行定位焊實現(xiàn)裝配。

定位焊焊道的截面尺寸不宜過大，盡量布置在基本焊縫所在位置，嚴格控制定位焊焊接質(zhì)量，以便焊縫施焊后能將其全部重熔，確保焊接質(zhì)量。對于必須布置在非焊縫位置的定位焊縫，焊后進行清理（打磨）表面。

在定位焊前及焊縫正式施焊前，相互接觸的部件表面及焊口兩側(cè)50 mm以內(nèi)的母材，必須嚴格清除油脂、鐵銹、熔渣等污物以保證焊縫焊接質(zhì)量。

3.3縱縫的焊接

為了控制焊接變形，在縱縫焊接過程中，由兩名操作者在對稱位置同時進行施焊，如圖4所示，先焊接內(nèi)徑大坡口一側(cè)的立向焊縫的2/3，然后使用電弧氣刨清根、打磨，對清根打磨后的表面進行MT檢查合格后，焊接外徑小坡口一側(cè)的立向焊縫至焊滿，最后將內(nèi)側(cè)坡口的剩余焊滿。采取分段、退步、對稱、跳焊法。合理利用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式，僅完成焊接距離上、下端約250 mm長的焊縫，減少熱輸入量，從而控制焊接變形。整個過程中實時測量整個錐體大、小端直徑的變化，可根據(jù)變化值調(diào)整焊接順序，滿足尺寸要求。

按照上述工藝流程進行了錐體縱縫的模擬件驗證焊接，按照產(chǎn)品探傷規(guī)程要求對焊縫進行了MT、UT檢查，焊縫質(zhì)量滿足設計要求。焊后錐體大、小端圓度滿足圖紙精度要求，可以進行后續(xù)加工。

4錐體與法蘭的裝配和雙面坡口環(huán)縫的埋弧自動焊接

4.1焊接工藝規(guī)范

對于錐體與法蘭施焊其環(huán)焊縫時，考慮到其為回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、焊縫長度長，因其為主要的承壓焊縫，焊接質(zhì)量要求高，采用埋弧焊無疑是一種優(yōu)質(zhì)、高效、勞動條件好、焊后處理簡單的焊接方法。

由于埋弧焊焊接電流大，電弧壓力大，電弧穿透能力強，在無任何襯托和輔助裝置情況下，易造成焊穿或液態(tài)金屬流失；為防止焊穿，首層焊接采用氣體保護焊GMAW進行打底，焊接到10 mm左右厚度時，再使用埋弧焊接；同時在清根后，埋弧焊接背面第一層時，由于焊縫較薄，為防止焊縫熔穿，焊接電流也不宜過大。具體工藝參數(shù)如下。母材：AISI 1020 A668M+SA36M；焊接方法：GMAW熔化極氣體保護焊+SAW埋弧焊；保護氣體：80%Ar+20%CO2 ；氣體流量：12～18 L/min；焊接材料：AWS A5.18 ER70S-6 直徑1.2 mm、AWS A5.17 EH11K 直徑2.4 mm；焊劑F7A4；預熱溫度：最低預熱溫度100 ℃；電流類型：直流反接。焊接參數(shù)見表4。

4.2裝配及定位焊

法蘭和錐體裝配時，主要保證2個法蘭及錐體上、下兩端的同心度。采取立式裝焊法，將大徑法蘭吊裝到事先調(diào)平并畫好位置線的裝配平臺上，然后按照位置線逐層吊裝錐體、上法蘭并定位焊固定，如圖5所示。

定位焊由兩名操作者在對稱位置在小坡口一側(cè)同時進行施焊，采取分段、退步、對稱、跳焊法，分段定位焊接，每段焊接50 mm左右。

每個焊縫坡口裝配組對時，高度方向留取2～5 mm的焊接收縮余量。在定位焊前及焊縫正式施焊前，相互接觸的部件表面及焊口兩側(cè)50 mm以內(nèi)的母材，必須嚴格清除油脂、鐵銹、熔渣等污物以保證焊縫焊接質(zhì)量。

4.3環(huán)縫的焊接

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式，合理采用變位機配合此焊接過程的實施，方便快捷，使焊接質(zhì)量穩(wěn)定性得到進一步提高[3]。

將裝配好的部件吊至變位機上，變位機旋轉(zhuǎn)，保持平焊位置進行焊接。使用熔化極氣體保護焊GMAW進行打底焊，如圖6所示，打底金屬厚度視間隙大小而定。焊前，接頭區(qū)域用高壓風吹除灰塵，適當方法清除焊接區(qū)水分和油污；焊絲伸出長度25～30 mm，始終保持焊絲與接頭中心垂直，施焊環(huán)縫時根據(jù)筒體直徑及參數(shù)，焊絲沿焊接反方向偏移40～100 mm的偏移量。

從第二層開始使用埋弧焊施焊，如圖7所示，先焊接內(nèi)徑大坡口一側(cè)至坡口深度的2/3，然后使用機加方法清根，打磨，對清根打磨后的表面進行MT合格后，焊滿外徑小坡口一側(cè)的焊縫。整個過程中實時測量上、下法蘭的變形情況，可根據(jù)變化值調(diào)整內(nèi)外坡口的焊接順序，減小焊接變形對尺寸的影響。

按照上述工藝流程進行了錐體與法蘭環(huán)縫模擬件的焊接，按照產(chǎn)品探傷規(guī)程要求對焊縫進行了MT、UT，焊縫質(zhì)量滿足要求。焊后法蘭與錐體同軸度、法蘭變形滿足圖紙尺寸及后續(xù)加工要求，可以進行后續(xù)加工。

5結(jié)論

（1）反應堆冷卻劑泵電機支座的制造成功，標志著我公司完全掌握了“二代改進型”核電主泵電機支座的制造技術(shù)，同時也標志著主泵國產(chǎn)化工作取得重大進展。

（2）實現(xiàn)了大厚度錐體的自主成形，并通過多次實踐積累了卷制后的火焰校形的經(jīng)驗，最終完全達到了設計精度要求。

（3）實現(xiàn)了錐體縱縫的CO2氣體保護焊接，有效的控制了焊接變形，焊后尺寸公差滿足圖紙要求。

（4）實現(xiàn)了錐體與法蘭之間環(huán)縫的埋弧焊接，有效的提高了生產(chǎn)效率，提高了焊縫質(zhì)量。

參考文獻

[1]盧玉升. 三輥卷板機卷制任意錐筒的調(diào)整計算及卷制過程的改進[J]化工設備與管道，2009，46（5）：4-5.

[2]史耀武. 中國材料工程大典. 材料焊接工程（第23卷）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

[3]杜永勤，陳孝國，魏 榮. 大坡口懸空埋弧焊工藝[C]//第十一次全國焊接會議論文集（第2冊），2005.