核電廠焊縫焊接實(shí)施中的氣流問(wèn)題分析及對(duì)策

黃開(kāi)凱，馮興旺

（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

焊接是核電廠最常見(jiàn)的管道、設(shè)備連接方式之一，具有連接穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點(diǎn)。氬氣保護(hù)焊接則是核電廠維修中最常用的焊接方式。對(duì)于在役核電廠大修期間所實(shí)施的焊縫焊接，一方面要嚴(yán)格按照相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行焊接實(shí)施和焊后檢測(cè)；另一方面也常常遇到一些在車(chē)間預(yù)制或者安裝階段所不曾面對(duì)的困難，例如焊接過(guò)程中焊接點(diǎn)附近有氣流等影響焊接質(zhì)量的因素，給現(xiàn)場(chǎng)焊接操作和質(zhì)量控制帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。為保障焊縫焊接的順利實(shí)施，有效保證焊接質(zhì)量，有必要對(duì)氣流形成的原因進(jìn)行分析并實(shí)施控制。

1 氣流對(duì)焊接的影響

焊接過(guò)程中，如果焊接點(diǎn)附近有氣流，會(huì)造成熔池狀態(tài)不穩(wěn)定、氣體保護(hù)不充分等問(wèn)題，影響焊接質(zhì)量。對(duì)于不銹鋼管道焊縫來(lái)說(shuō)，氣流的存在還會(huì)影響焊縫背部氬氣保護(hù)室中氬氣濃度的穩(wěn)定性，最終影響焊接質(zhì)量。

按照氣流的不同位置，分為焊縫外側(cè)的氣流和焊縫內(nèi)側(cè)的氣流，其中外側(cè)氣流問(wèn)題可通過(guò)加強(qiáng)保護(hù)、移除氣流源等方式，容易解決。內(nèi)側(cè)氣流問(wèn)題則情況多變，解決起來(lái)也相對(duì)困難，所述氣流主要指的是焊縫內(nèi)側(cè)的氣流。

2 氣流的形成原因

氣流產(chǎn)生的根源在于管線不同位置之間有氣壓差，核電廠大修中面對(duì)的情況則更加復(fù)雜，需要分析具體原因，才能對(duì)癥下藥。

2.1 同一管線在不同房間的設(shè)備同時(shí)開(kāi)口產(chǎn)生氣流

核電站核島通風(fēng)系統(tǒng)總體是負(fù)壓設(shè)計(jì)，并按照空氣污染風(fēng)險(xiǎn)高低，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的布置進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，以使核島內(nèi)的氣流從低污染風(fēng)險(xiǎn)房間向高污染風(fēng)險(xiǎn)房間流動(dòng)。因此，在同一管線所經(jīng)過(guò)的房間氣壓不一樣，而管線所連通的不同房間中的設(shè)備同時(shí)開(kāi)口時(shí)，在房間之間的壓差作用下形成氣流。如果開(kāi)口點(diǎn)所在的房間內(nèi)剛好有通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)口時(shí)，更容易形成氣流。例如安全殼內(nèi)外、核輔助廠房和核燃料廠房不同房間中同一管線上設(shè)備同時(shí)開(kāi)口時(shí)，很容易在管道內(nèi)產(chǎn)生氣流。

另外，由于房間之間存在氣壓差，廠房、房間的門(mén)的開(kāi)關(guān)也會(huì)對(duì)氣流造成影響。例如反應(yīng)堆廠房設(shè)備艙門(mén)、氣閘門(mén)的開(kāi)關(guān)，對(duì)于某些對(duì)焊接氣流高度敏感的設(shè)備焊縫焊接也會(huì)造成干擾。

除了核島通風(fēng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上的考慮會(huì)導(dǎo)致同一管線不同開(kāi)口點(diǎn)之間的氣壓差外，核電廠核島內(nèi)用以進(jìn)行污染防護(hù)的靜態(tài)封閉間（SAS）所使用風(fēng)機(jī)也是氣壓差常見(jiàn)的來(lái)源之一。

2.2 管線連通大容積設(shè)備溫度及水位變化導(dǎo)致氣流

如果焊接點(diǎn)所在管線連接一個(gè)容積較大的設(shè)備，設(shè)備內(nèi)溫度變化或者水位變化，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)不同位置氣壓不一致。

當(dāng)設(shè)備內(nèi)容積相對(duì)焊接開(kāi)口點(diǎn)口徑之比較大時(shí)，設(shè)備內(nèi)的空氣可近似認(rèn)為是理想氣體，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：P1V1/T1=P2V2/T2。

假設(shè)設(shè)備內(nèi)氣體體積V 不變，溫度T 上升，則設(shè)備內(nèi)氣壓P上升；假設(shè)設(shè)備內(nèi)氣體溫度不變，體積減小，則設(shè)備內(nèi)氣壓上升。所以，設(shè)備內(nèi)氣體溫度的變化、設(shè)備內(nèi)水位的變化會(huì)帶來(lái)管線不同位置的壓差，進(jìn)而產(chǎn)生氣流。

對(duì)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)進(jìn)行充排水時(shí)的水位變化，或者對(duì)蒸發(fā)器二次側(cè)進(jìn)行保養(yǎng)時(shí)的溫度變化，都可能會(huì)使與蒸發(fā)器二次側(cè)連通的管線開(kāi)口點(diǎn)形成氣流，進(jìn)而影響焊接。

大容積設(shè)備的“大”是相對(duì)焊接點(diǎn)口徑而言的，對(duì)大口徑管線上的小支管焊縫進(jìn)行焊接時(shí)，大口徑管線內(nèi)的水位產(chǎn)生較小的變化，也會(huì)在小口徑支管焊縫附近產(chǎn)生較大的氣流而影響焊接。

2.3 系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)影響

與焊接點(diǎn)所在管線相連系統(tǒng)中的泵等設(shè)備運(yùn)行的時(shí)候，會(huì)使管線內(nèi)有氣壓波動(dòng)，從而形成氣流。這種情況常見(jiàn)于常規(guī)島，在大修后期部分系統(tǒng)投運(yùn)后，尚未投運(yùn)的管線上的焊接往往因?yàn)楣芫€內(nèi)有很大的氣流而無(wú)法實(shí)施。

3 對(duì)策

氣流的產(chǎn)生的根源在于互相連通的管線不同位置之間有氣壓差，所以解決此問(wèn)題的基本思路，可以是采取措施避免不同壓差的位置相互連通，也可以是控制或者消除壓差源，或者兩個(gè)措施兼而有之。遇到具體問(wèn)題時(shí)，首先要找到氣壓差產(chǎn)生的具體原因，然后采用如下所列一種或者幾種方法進(jìn)行控制。

3.1 排除壓差源法

這種方法就是通過(guò)關(guān)閉、封堵焊接點(diǎn)或者與焊接點(diǎn)同一管線的其他開(kāi)口點(diǎn)所在房間的風(fēng)機(jī)、靜態(tài)封閉間（SAS）風(fēng)機(jī)、通風(fēng)口、房間的門(mén)，從源頭上排除氣壓差來(lái)源。有時(shí)候關(guān)閉房間的門(mén)反而會(huì)形成氣壓差，而開(kāi)啟房間門(mén)有利于消除氣壓差，此時(shí)則要使房間的門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)。這是最簡(jiǎn)單的一種氣流防控方法，可以很快實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證效果；這也是最基礎(chǔ)的一種氣流防控方法，無(wú)論是否采用了其他方法防控氣流，首先需要嘗試使用本方法排除氣壓差。

3.2 有利窗口施工法

選擇在系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定的窗口下實(shí)施焊接，可以有效避免系統(tǒng)狀態(tài)變化導(dǎo)致的不利影響，有時(shí)甚至通過(guò)主動(dòng)控制機(jī)組狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)焊接條件的平穩(wěn)。比較理想的焊接實(shí)施窗口是：與焊接點(diǎn)相連的管線和設(shè)備上，不進(jìn)行充排水操作、不進(jìn)行可能導(dǎo)致溫度變化的工作、沒(méi)有可能導(dǎo)致壓差的設(shè)備正在運(yùn)行。例如常規(guī)島管線上的焊接實(shí)施工作，安排在常規(guī)島充水前實(shí)施完畢，可有效避免管線充水和水循環(huán)對(duì)焊接工作的影響。對(duì)于與蒸發(fā)器二次側(cè)連通的管線上的焊接工作，應(yīng)避免在蒸發(fā)器二次側(cè)的保養(yǎng)和充排水期間實(shí)施。

3.3 封堵法

核電廠大修是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，各種要素互相關(guān)聯(lián)影響，有時(shí)需要以高昂的代價(jià)獲得、甚至無(wú)法獲得理想的系統(tǒng)狀態(tài)以實(shí)施焊接。這個(gè)時(shí)候需要考慮進(jìn)一步措施，解決氣流問(wèn)題。

對(duì)管線合適的位置進(jìn)行封堵，可避免不同氣壓的空間通過(guò)管線連通。根據(jù)具體情況，可選擇三種封堵位置方案，適用情況和注意事項(xiàng)見(jiàn)表1。

3.4 氣壓平衡法

極端情況下，可考慮通過(guò)主動(dòng)干預(yù)建立壓力平衡，消除氣壓差。如果焊接點(diǎn)處的氣流方向是由外向內(nèi)的，則在同一管線上的另外一個(gè)開(kāi)口點(diǎn)處，通入具有一定正氣壓的空氣，平衡管道內(nèi)的負(fù)壓。如果焊接點(diǎn)處的氣流方向是由內(nèi)向外的，則在同一管線上的另外一個(gè)開(kāi)口點(diǎn)處，使用吸塵器等可以產(chǎn)生負(fù)壓的工具向外抽氣，平衡管道內(nèi)的正壓。

4 典型案例

4.1 核島大口徑不銹鋼管道更換焊接中氣流問(wèn)題

某核電廠進(jìn)行核島大口徑不銹鋼管道更換工作的焊接實(shí)施過(guò)程中，多次遇到管道內(nèi)氣流影響焊接實(shí)施的問(wèn)題。由于管道連通范圍廣，經(jīng)過(guò)多次排查，最終確定導(dǎo)致氣流產(chǎn)生原因有：

（1）與焊接點(diǎn)連通的管線上其他開(kāi)口點(diǎn)附近安裝有風(fēng)機(jī)且正在運(yùn)行。

表1 封堵法適用情況及注意事項(xiàng)

（2）所在廠房?jī)?nèi)通風(fēng)系統(tǒng)正在運(yùn)行且開(kāi)口點(diǎn)附近有一個(gè)通風(fēng)口。

上述兩個(gè)問(wèn)題在分別關(guān)閉風(fēng)機(jī)、臨時(shí)封堵通風(fēng)口后，氣流問(wèn)題得以解決。

4.2 與蒸發(fā)器二次側(cè)連通的設(shè)備焊縫焊接氣流問(wèn)題

與蒸發(fā)器二次側(cè)連通的焊縫焊接中的氣流問(wèn)題極為常見(jiàn)，特別是反應(yīng)堆廠房外的焊縫焊接。導(dǎo)致氣流產(chǎn)生的原因有：

（1）同一管線上的反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)、外設(shè)備同時(shí)開(kāi)口時(shí)，兩側(cè)壓差較大。

（2）對(duì)蒸發(fā)器二次側(cè)充水或者排水時(shí)，水位變化形成壓差而產(chǎn)生氣流。

（3）對(duì)蒸發(fā)器二次側(cè)進(jìn)行保養(yǎng)時(shí)，使用風(fēng)機(jī)形成氣流。

（4）蒸發(fā)器二次側(cè)升溫或者降溫時(shí)，溫度變化形成壓差產(chǎn)生氣流。

可見(jiàn)，大修中蒸發(fā)器二次側(cè)的狀態(tài)較為復(fù)雜，導(dǎo)致氣流產(chǎn)生的因素也很多，遇到問(wèn)題也非常頻繁，需要逐項(xiàng)分析、排除。

4.3 穩(wěn)壓器、電加熱器更換焊接中的氣流問(wèn)題

穩(wěn)壓器、電加熱器的焊縫處口徑非常小，且連通了穩(wěn)壓器這個(gè)大容積設(shè)備。而穩(wěn)壓器另一側(cè)通過(guò)已開(kāi)口的人孔，其內(nèi)部空氣與在反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的空氣連通，因人孔口徑較電加熱器焊縫口徑大很多，人孔附近較小的氣流擾動(dòng)也會(huì)在電熱器焊縫處產(chǎn)生較大的氣流，影響焊接質(zhì)量。對(duì)此，在穩(wěn)壓器、電加熱器更換的焊接過(guò)程中，需要對(duì)整個(gè)反應(yīng)堆廠房的狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格控制，包括停運(yùn)通風(fēng)系統(tǒng)、關(guān)閉設(shè)備艙門(mén)、關(guān)閉氣閘門(mén)、關(guān)閉一回路邊界上所有開(kāi)口點(diǎn)的風(fēng)機(jī)等。

4.4 核級(jí)支管座焊縫焊接中的氣流控制

氣流問(wèn)題在核級(jí)支管座焊縫焊接中較為常見(jiàn)，主要原因是焊縫所在管線連通多個(gè)不同壓差的房間。但受制于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境和系統(tǒng)狀態(tài)，需要針對(duì)具體的位置和情況制定不同的氣流控制方案，包括：①封堵不同房間的開(kāi)口點(diǎn)；②封堵通風(fēng)口；③采用壓力平衡法控制氣壓；④關(guān)閉或者開(kāi)啟對(duì)氣壓造成影響的房間門(mén)；⑤設(shè)計(jì)專(zhuān)用工具在焊縫附近進(jìn)行封堵。

5 結(jié)束語(yǔ)

核電廠焊縫焊接實(shí)施中氣流問(wèn)題產(chǎn)生的根源是因?yàn)楣芫€不同位置之間有氣壓差，具體原因有：同一管線在不同房間的設(shè)備同時(shí)開(kāi)口；管線連通大容積設(shè)備；系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)影響等。解決的辦法有：排除壓差源法、有利窗口施工法、封堵法、氣壓平衡法等。只有排除氣流的干擾因素，才能為焊接高品質(zhì)焊縫打下基礎(chǔ)。