AP1000核電機(jī)組穩(wěn)壓器上部橫向支撐拉耳安裝焊接技術(shù)

張志剛 蔡昌

【摘? 要】本文通過對(duì)AP1000核電機(jī)組穩(wěn)壓器上部橫向支撐第一批拉耳安裝焊接過程中出現(xiàn)根部裂紋的問題進(jìn)行原因分析，并制定相應(yīng)對(duì)策，最終第二批拉耳焊縫全部一次性合格，總結(jié)得出AP1000核電機(jī)組穩(wěn)壓器上部橫向支撐拉耳最佳焊接工藝。

【關(guān)鍵詞】AP1000核電機(jī)組;穩(wěn)壓器上部橫向支撐拉耳;裂紋;焊接工藝

引言

AP1000核電機(jī)組穩(wěn)壓器上部橫向支撐拉耳母材厚度為70mm，T型對(duì)接全熔透焊縫，屬典型大厚板T型對(duì)接焊縫，焊接過程中容易產(chǎn)生母材層狀撕裂及根部裂紋等缺陷。本文通過對(duì)比第一批和第二批拉耳焊接效果，總結(jié)得出AP1000核電機(jī)組穩(wěn)壓器上部橫向支撐拉耳焊接注意事項(xiàng)。

1工程概況

AP1000穩(wěn)壓器為核島反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主設(shè)備之一，為核1級(jí)設(shè)備，環(huán)梁上布置的8根上部橫向支撐通過拉耳與墻體上4個(gè)托架進(jìn)行連接，保證穩(wěn)壓器上部的穩(wěn)定（如圖1所示）。受操作空間的影響，每個(gè)拉耳只能從外側(cè)單面施焊，每個(gè)托架處只能安排1名焊工進(jìn)行焊接，現(xiàn)場安排4名焊工同時(shí)施焊，8條焊縫分2批焊接完成。

拉耳與墻體托架采用T型接頭全熔透焊縫進(jìn)行連接，依據(jù)主設(shè)備支撐安裝技術(shù)條件，焊縫焊完且合格后需對(duì)焊縫背面母材進(jìn)行UT檢測，受現(xiàn)場施工順序的影響，焊后母材UT無法執(zhí)行，經(jīng)過與上游單位溝通，設(shè)計(jì)確認(rèn)，改為先在托架上與拉耳連接位置處堆焊15mm厚度的覆蓋層，覆蓋層經(jīng)打磨拋光UT檢測合格后，再將拉耳焊在覆蓋層上，堆焊采用全手工電弧焊焊接，焊材采用E8018低氫型焊條。拉耳材質(zhì)為SA299，GrA，厚度70mm。托架材質(zhì)為Q420C。

2 現(xiàn)場施工過程及方法

2.1拉耳坡口加工

對(duì)控制焊接變形的效果來說，雙面焊優(yōu)于單面焊，受施工環(huán)境的影響，現(xiàn)場無法進(jìn)行雙面坡口焊接，只能采取單面焊，考慮安裝要求和焊接收縮變形的影響，坡口加工形式如圖2所示。

2.2 組對(duì)點(diǎn)固

拉耳整個(gè)焊接過程采用全手工電弧焊，受現(xiàn)場環(huán)境的影響，背部清根打磨不好進(jìn)行，為了保證打底焊縫質(zhì)量，背面加陶瓷襯墊（如圖3所示）。拉耳焊縫處于立焊位置，焊縫上面收縮變形比下面大，組對(duì)間隙上面要比下面稍微大點(diǎn)，以及為了焊工操作方便，組對(duì)間隙為上部10mm下部8mm。

大厚板焊縫填充量大，焊接時(shí)間長，熱輸入總量高，構(gòu)件焊接時(shí)焊縫拘束度高、焊接殘余應(yīng)力大。而單邊坡口焊縫收縮力都在同一側(cè)，若熱處理不到位，存在焊接殘余應(yīng)力將根部拉裂的情況。為減少焊接內(nèi)應(yīng)力，焊前需做適當(dāng)?shù)姆醋冃晤A(yù)留（如圖3所示）。

2.3 第一批拉耳焊接

安排4名焊工分布在穩(wěn)壓器上部4個(gè)墻角，同時(shí)焊接4個(gè)拉耳。焊前采用電加熱預(yù)熱，預(yù)熱溫度≧150℃，焊接中間停止后進(jìn)行后熱，后熱溫度200～250℃，并且保溫時(shí)間不低于1小時(shí)，緩冷至室溫。焊接過程中當(dāng)反變形預(yù)留量余量為5mm時(shí)，停止施焊，進(jìn)行約束工裝的安裝（如圖4所示），工裝焊接固定后方可進(jìn)行后續(xù)焊接，保證拉耳的安裝精度。最終焊縫進(jìn)行焊后熱處理，加熱至595～675℃，保溫時(shí)間不低于135分鐘。

第一批4個(gè)拉耳焊接完成后，發(fā)現(xiàn)4個(gè)拉耳從焊縫背面都可肉眼看見根部裂紋，經(jīng)全部進(jìn)行背部PT檢測，顯示裂紋貫穿整條焊縫，有些覆蓋層母材也被拉裂。從焊縫背面反挖進(jìn)去，裂紋深度最大達(dá)15mm（如圖5所示）。

2.4第一批拉耳焊后裂紋缺陷產(chǎn)生原因分析

拉耳焊縫根部裂紋是焊件在冷卻到200～300℃以下產(chǎn)生的，屬于冷裂紋，而且裂紋多產(chǎn)生在熔合線母材側(cè)，有延伸的傾向，方向?yàn)榭v向。

氫、淬硬組織和應(yīng)力是導(dǎo)致冷裂紋的3個(gè)原因，它們相互影響，相互促進(jìn)，導(dǎo)致裂紋的主要原因進(jìn)行排除分析。

1）淬硬傾向：耳板材質(zhì)為SA299壓力容器碳錳硅鋼板，低合金高強(qiáng)度鋼，淬硬傾向小，焊接性良好，不是本次產(chǎn)生冷裂紋的主要原因。

2）氫的作用：所用焊材雖不是低氫型焊材，但經(jīng)過嚴(yán)格烘干，不排除焊接時(shí)有少量的氫留在焊縫內(nèi)，但含量較低，不是產(chǎn)生冷裂紋的主要原因。

3）焊接的應(yīng)力：對(duì)于δ=70mm厚度的拉耳，焊接時(shí)在厚度方向上的溫度分布是不均勻的，焊接的一面受熱膨脹大，另一面膨脹小甚至不膨脹，由于焊接面膨脹受阻，產(chǎn)生了較大的橫向壓縮塑性變形;在焊后冷卻時(shí)就在鋼板厚度方向上出現(xiàn)收縮不均勻的現(xiàn)象，致使兩連接件間產(chǎn)生角變形，從而使背面根部承受很大的拉應(yīng)力。當(dāng)焊后角變形所產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過根部焊縫熔敷金屬抗拉強(qiáng)度的臨界值時(shí)，在最薄弱的根部焊縫處就會(huì)產(chǎn)生裂紋。因此焊接角變形所產(chǎn)生的拉應(yīng)力是造成焊縫根部裂紋的主要原因。

2.5第二批拉耳焊接

通過對(duì)第一批拉耳焊接失敗進(jìn)行總結(jié)，了解底部裂紋形成原因，第二批拉耳焊接從以下幾個(gè)方面進(jìn)行質(zhì)量把控：

1）預(yù)留反變形量：反變形預(yù)留從原先的60mm減少為30mm，這樣可以減少角變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力對(duì)根部焊縫的作用。

2）定位焊：定位焊是厚板施工過程中最容易出現(xiàn)問題的部位，因?yàn)槎ㄎ缓柑幍臏囟群苋菀妆恢車袄鋮s介質(zhì)”快速冷卻，造成局部過大的應(yīng)力集中，引起裂紋的產(chǎn)生，延伸到焊縫中去。因此對(duì)第二批拉耳進(jìn)行組對(duì)點(diǎn)固時(shí)，提高預(yù)熱溫度，加大預(yù)熱范圍，焊后保溫一段時(shí)間，同時(shí)加大定位焊長度和熔敷金屬的厚度。

3）打底焊：因根部焊縫易出現(xiàn)夾渣、氣孔連線、未熔合和咬邊等缺陷，缺陷處抗拉強(qiáng)度小，后續(xù)焊接收縮應(yīng)力容易導(dǎo)致缺陷處產(chǎn)生裂紋。焊接時(shí)宜連續(xù)施焊，焊接完成后，檢查背部質(zhì)量。

4）填充焊：耳板焊接為厚板焊接，嚴(yán)格控制焊道寬度與厚度，焊道過寬與過厚容易引起裂紋與夾渣等缺陷產(chǎn)生，要求焊接過程中盡量不要停，因?yàn)榍耙坏篮缚p對(duì)后一道焊縫相當(dāng)是一個(gè)預(yù)熱的過程，后一道焊縫對(duì)前一道焊縫有后熱作用，這樣即可以減少預(yù)熱次數(shù)，加快施工進(jìn)度;也可以有效改善焊接過程中應(yīng)力分布狀態(tài)，保證焊接質(zhì)量。下班或焊工因某種原因需長時(shí)間停止焊接，需對(duì)焊縫進(jìn)行后熱保溫，溫度不低于200℃，保溫時(shí)間不少于90分鐘。

5）蓋面焊：蓋面焊要求打磨拋光后不能低于母材表面，圓滑過渡處焊角高不宜過大，容易引起應(yīng)力集中;蓋面焊完后，也需對(duì)焊縫進(jìn)行后熱保溫，溫度不低于200℃，保溫時(shí)間不少于90分鐘。

6）熱處理：熱處理可以有效的去除焊縫中的殘余應(yīng)力，防止裂紋的產(chǎn)生。焊縫正、背兩面都要有熱電偶布置，熱處理溫度、保溫時(shí)間、加熱冷卻速度嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的熱處理工藝來做。

通過反變形預(yù)留量的合理預(yù)留（30mm，拉耳圓弧端部與垂直位置的距離），以及對(duì)預(yù)熱、后熱、熱處理工藝過程的嚴(yán)格把關(guān)，第二批拉耳焊縫全部一次性合格。

3 結(jié)論

AP1000核電機(jī)組穩(wěn)壓器上部橫向支撐拉耳安裝焊縫為典型大厚板“T”型對(duì)接單邊坡口焊縫，焊縫收縮力大且變形不好控制，需通過反變形預(yù)留減少焊接收縮內(nèi)應(yīng)力，反變形預(yù)留需考慮角變形的影響，不能過大（角變形≤5°，30mm）。焊前預(yù)熱、焊后后熱、最終焊縫熱處理等熱處理的加熱片需均勻布置，確保加熱均勻，避免產(chǎn)生母材層狀撕裂或根部冷裂紋等常見缺陷。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國機(jī)械 工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì) 焊接手冊??? 北京：機(jī)械工業(yè)出版社

[2] 周振豐，焊接冶金學(xué)（金屬焊接性）【M】.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3] 陳祝年，焊接工程師手冊【M】.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

（作者單位：中國核工業(yè)第五建設(shè)有限公司）