自動(dòng)焊在國際熱核聚變?cè)囼?yàn)堆LCTS管組安裝中的應(yīng)用

房云龍 馬曉鋒 劉麗麗 陳遠(yuǎn)庭 武海燕

摘要： 為了滿足現(xiàn)場下部杜瓦冷屏管組焊接要求，針對(duì)規(guī)格為60.3 mm×2.77 mm和73 mm×3.05 mm奧氏體不銹鋼管道開發(fā)了2種焊接工藝。工藝評(píng)定的無損及理化檢驗(yàn)結(jié)果顯示，焊接工藝能夠滿足ASME及歐盟壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的要求。結(jié)合模擬試驗(yàn)，從開發(fā)的工藝中選用了開放式機(jī)頭自熔式焊接方法，并加以適應(yīng)性改進(jìn)，滿足了產(chǎn)品同材質(zhì)管道焊接需求。引入預(yù)制概念，在地面上焊接距離冷屏僅有51 mm的管道焊縫，后在冷屏板上合環(huán)焊接，解決了焊接空間狹小問題。通過對(duì)管道水平度、坡口準(zhǔn)備、充氬時(shí)間、充氬壓力等環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，現(xiàn)場自動(dòng)焊無損檢驗(yàn)一次合格率達(dá)98.5%，自動(dòng)焊技術(shù)在冷屏管組安裝中得到成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 不銹鋼管道; 自動(dòng)焊; 無損檢驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TG 444

Abstract： ?In order to meet the welding requirements of Thermal Shield Manifolds， two welding processes were developed for austenitic stainless steel pipes with sizes of 60.3 mm ×2.77 mm and 73 mm ×3.05 mm.The non-destructive and physical and chemical testing results of the process evaluation showed that the welding process parameters met the requirements of ASME and EU Pressure Equipment Directive. Considering the simulation tests， the open welding head with self-melting welding method was selected from the developed process， and adaptively improved to meet the requirements of production pipeline welding. The concept of prefabrication was introduced， and the distance from the thermal shield to the pipeline weld was only 51 mm on the ground， and then the ring was closed on the cold screen plate to solve the problem of small welding space. By strictly controlling the levelness， welding groove， argon filling time and argon filling pressure， the first pass rate of the nondestructive inspection for automatic welding reached 98.5%， and the automatic welding technology was successfully applied in the installation.

Key words： ? stainless steel pipe; automatic welding; nondestructive test

0 前言

核聚變能源是未來理想能源，其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用從長遠(yuǎn)來看可從根本上徹底解決能源問題[1-2]。2020年7月28日，國際熱核聚變?cè)囼?yàn)堆（International thermonuclear experimental reactor，ITER）計(jì)劃正式邁入裝配階段[3-4]。目前，ITER現(xiàn)場正在開展下部杜瓦冷屏（Lower cryostat thermal shield，LCTS）的裝配工作，該部件作用是降低高溫部件對(duì)低溫超導(dǎo)磁體的熱輻射。LCTS冷屏管組 （Thermal shield manifolds，TSM）將氦氣分配到各處鍍銀面板，以降低冷屏環(huán)境溫度，是冷屏功能實(shí)現(xiàn)的重要途徑之一，其焊接和安裝質(zhì)量意義重大[5-6]。

自動(dòng)焊近年來已經(jīng)發(fā)展為一種較為成熟工業(yè)焊接方法，在長輸管道、核工業(yè)、汽車、制藥工業(yè)等方面得到了應(yīng)用[7-10]。該方法通過計(jì)算機(jī)控制，可以存儲(chǔ)各種焊接參數(shù)并根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)用，可以有效保證焊接質(zhì)量一致性，大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善焊接作業(yè)環(huán)境[11-12]?，F(xiàn)場結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，通過優(yōu)選焊接工藝，優(yōu)化施工邏輯，將自動(dòng)焊技術(shù)成功應(yīng)用于TSM管組焊接作業(yè)，順利完成了安裝任務(wù)。

1 LCTS冷屏TSM管道簡介

LCTS冷屏上需要安裝6層直徑約20 m的TSM管路，分為TSM8，TSM7和TSM6 3組，每組均包含進(jìn)氣環(huán)路和出氣環(huán)路，如圖1所示。每個(gè)TSM環(huán)路均有11道焊縫，焊縫距離冷屏距離分別為114 mm及51 mm，交替分布。TSM管路有2種規(guī)格，分別是60.3 mm×2.77 mm和73 mm×3.05 mm，材質(zhì)為304L奧氏體不銹鋼。

嚴(yán)苛的質(zhì)量要求使得應(yīng)用TIG自動(dòng)焊技術(shù)的必要性十分突出，但龐大的管道環(huán)路、狹小的施焊空間等因素也給自動(dòng)焊應(yīng)用造成了較大困難。特別是對(duì)于壁厚2.5 mm以上不銹鋼管道，自動(dòng)焊方法一般選用帶有送絲機(jī)構(gòu)的填絲自動(dòng)焊方法，但是該方法將占用更多空間，難以滿足現(xiàn)場需求[13]。

2 焊接工藝的準(zhǔn)備

為滿足焊接在質(zhì)量、外觀、清潔度等方面嚴(yán)苛的要求，并適應(yīng)現(xiàn)場狹小施工環(huán)境，項(xiàng)目初期確定了不使用焊絲而依靠電弧能量使管口熔化連接的自熔TIG自動(dòng)焊焊接思路。在工藝評(píng)定階段，針對(duì)不同的管道規(guī)格，分別利用開放式機(jī)頭和封閉式機(jī)頭開發(fā)了兩套自熔焊接工藝，以備現(xiàn)場選用。

2.1 封閉式機(jī)頭60.3 mm×2.77 mm焊接工藝

針對(duì)60.3 mm×2.77 mm管道，文中開發(fā)了利用封閉式機(jī)頭進(jìn)行自熔焊接的工藝，該管道焊接分為8個(gè)階段，具體焊接工藝參數(shù)見表1。封閉式機(jī)頭及焊接工藝評(píng)定試件照片（焊后表面未處理）如圖2所示。

2.2 開放式機(jī)頭73 mm×3.05 mm焊接工藝

針對(duì)73 mm×3.05 mm管道，利用開放式機(jī)頭開發(fā)了自熔焊接工藝（圖3a）。管道焊接分為6個(gè)階段，具體參數(shù)見表2。焊接工藝評(píng)定試件照片如圖3b所示。

3 工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照ASME B31.3，ASME IX及歐盟壓力容器（Pressure equipment directive，PED ）的要求，工藝評(píng)定檢驗(yàn)項(xiàng)目包含理化和無損檢驗(yàn)2類，其中無損檢驗(yàn)含目視檢驗(yàn)、液體滲透檢驗(yàn)、射線檢驗(yàn);理化檢驗(yàn)含宏觀金相、拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)[14-16]。

3.1 封閉式機(jī)頭60.3 mm×2.77 mm焊接工藝

目視檢驗(yàn)、滲透檢驗(yàn)及射線檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)缺陷。宏觀金相檢驗(yàn)如圖4所示;抗拉強(qiáng)度要求值490～690 MPa，試驗(yàn)平均值547 MPa，斷裂位置為焊縫;面彎和背彎未發(fā)現(xiàn)缺陷。試驗(yàn)結(jié)果證明焊接工藝滿足技術(shù)要求。

3.2 開放式機(jī)頭73 mm×3.05 mm焊接工藝

目視檢驗(yàn)、滲透檢驗(yàn)及射線檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)缺陷。宏觀檢驗(yàn)如圖5所示;抗拉強(qiáng)度要求值515～690 MPa，試驗(yàn)平均值563 MPa，斷裂位置為焊縫;面彎和背彎未發(fā)現(xiàn)缺陷。試驗(yàn)結(jié)果證明焊接工藝滿足技術(shù)要求。

3.3 熔透效果比較

通過對(duì)2種不同工藝焊縫宏觀金相進(jìn)行比較可知，采用開放式機(jī)頭73 mm×3.05 mm焊接工藝所獲得焊縫焊道較寬且均勻，熔透效果要優(yōu)于封閉式機(jī)頭60.3 mm×2.77 mm焊接工藝。

4 現(xiàn)場焊接方法的選擇

在現(xiàn)場實(shí)施自動(dòng)焊之前，基于工藝評(píng)定焊接參數(shù)，采用現(xiàn)場產(chǎn)品304L奧氏體不銹鋼管道余料進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，因工藝評(píng)定管道與產(chǎn)品管道材質(zhì)在化學(xué)元素及熱處理方式上存在差異，現(xiàn)場焊接能量需要提高約10%。采用開放式機(jī)頭焊接73 mm×3.05 mm管道成形良好，但是采用封閉式機(jī)頭焊接的60.3 mm×2.77 mm成形不均勻，如圖6所示。為此，改用開放式機(jī)頭焊接60.3 mm×2.77 mm管道，焊縫成形如圖7所示。

通過模擬試驗(yàn)可知，封閉式機(jī)頭由于散熱性較差，在提高焊接能量時(shí)，焊接電流的增加存在較為突出的限制，焊縫外表面焊道成形不均勻，焊縫內(nèi)部熔透效果不佳，與宏觀金相結(jié)果相吻合;開放式機(jī)頭散熱效果好，模擬試驗(yàn)較為成功。因此，現(xiàn)場選用了開放式機(jī)頭自熔式焊接方法，作為TSM產(chǎn)品管道的焊接工藝。

5 TSM管道自動(dòng)焊現(xiàn)場及注意事項(xiàng)

5.1 TSM管道自動(dòng)焊現(xiàn)場實(shí)施

現(xiàn)場焊接分為2個(gè)階段。首先將距離冷屏51 mm的焊縫在地面組對(duì)并實(shí)施自動(dòng)焊，檢測(cè)合格后，將其吊裝至冷屏支撐，焊接距離冷屏114 mm的管道。TSM管道安裝自下而上進(jìn)行，現(xiàn)場施工以及焊后照片如圖8所示。針對(duì)吊裝后在冷屏支撐上組裝焊接的部分，現(xiàn)場將整環(huán)TSM管道進(jìn)行點(diǎn)焊固定后再實(shí)施自動(dòng)焊，有效提升了工作效率。

5.2 TSM管道自動(dòng)焊焊縫無損檢驗(yàn)情況

TSM管道焊接無損檢驗(yàn)的基本標(biāo)準(zhǔn)要求是ASME B31.3，在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)場技術(shù)要求每條焊縫需經(jīng)100%目視檢驗(yàn)、射線檢驗(yàn)及氦檢漏檢驗(yàn)。其中，氦檢漏檢驗(yàn)前，需要對(duì)TSM管道焊縫進(jìn)行-103 ℃的冷沖擊，然后再將本底信號(hào)降至10-10 ?Pa·m3/s進(jìn)行氦檢漏。無損檢驗(yàn)的種類多，質(zhì)量控制要求高，但現(xiàn)場除一條焊口因內(nèi)凹未能合格外，其余焊縫質(zhì)量全部合格，無損檢驗(yàn)一次合格率高達(dá)98.5%。

5.3 TSM管道自動(dòng)焊技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用注意事項(xiàng)

管道支撐應(yīng)處于同一水平，且焊縫兩端管道應(yīng)保證水平度相同，以免管道上支管方位出現(xiàn)偏差。

管道I形坡口應(yīng)處理干凈，不應(yīng)有毛刺及不平整之處，而后采用丙酮或酒精進(jìn)行清潔。

管道組對(duì)直接影響現(xiàn)場焊接質(zhì)量。管道組對(duì)應(yīng)保證錯(cuò)變量不大于0.3 mm，并采用點(diǎn)焊將焊口固定。

充氬時(shí)間。TSM管環(huán)直徑約20 m，排氣后和焊接前應(yīng)進(jìn)行充分充氬，應(yīng)采用4 L/min流量充氬1.5 h及以上，以防止焊縫內(nèi)部氧化、發(fā)渣。

氬氣保護(hù)壓力，特別是應(yīng)有效監(jiān)控內(nèi)部充氬。現(xiàn)場采用數(shù)顯壓差表，測(cè)量、調(diào)整并保持管道內(nèi)部壓力和大氣壓力之差，以避免出現(xiàn)焊縫外表面下塌或內(nèi)表面凹陷的缺陷。

6 結(jié)論

（1） 針對(duì)TSM管路規(guī)格為60.3 mm×2.77 mm和73 mm×3.05 mm奧氏體不銹鋼管道，開發(fā)的2種自熔焊接工藝，能夠滿足ASME及歐盟壓力容器PED標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2） 經(jīng)過工藝評(píng)定及模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，開放式機(jī)頭自熔式焊接，散熱效果好，熔透能力強(qiáng)且均勻，有利于焊縫成形，現(xiàn)場采用該方法焊接。

（3） 引入預(yù)制概念，在地面上焊接距離冷屏僅有51 mm管道焊縫，有效解決了空間狹小問題。

（4） 采用先合環(huán)再焊接的施工方式，焊前保持4 L/min流量充氬1.5 h及以上，既提升了施工效率，也實(shí)現(xiàn)了背部良好的氬氣保護(hù)效果。

（5） 通過對(duì)管道水平、坡口準(zhǔn)備、充氬時(shí)間、充氬壓力等環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，有效保證了焊接質(zhì)量，TSM管道自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用經(jīng)過嚴(yán)苛的無損檢驗(yàn)，焊接一次合格率98.5%，實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用。

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