核電廠(chǎng)管道卡鉗式全位置自動(dòng)焊工藝

呂旭偉 譚文良 朱德才

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)焊接方式已不能滿(mǎn)足當(dāng)前核電工程建設(shè)和未來(lái)核電檢修需要的現(xiàn)狀，通過(guò)前期的市場(chǎng)調(diào)研、設(shè)備選型、工藝開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用等過(guò)程，研究出一套成熟的卡鉗式全位置自動(dòng)焊方法用于核電廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)管道的焊接，可有效節(jié)約成本、保證焊接質(zhì)量、提高施工效率，為后續(xù)核電廠(chǎng)管道領(lǐng)域自動(dòng)焊的推廣應(yīng)用提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：核電站;管道;全位置自動(dòng)焊;設(shè)備選型;焊接工藝

0? ? 概述

核電廠(chǎng)管道廣泛應(yīng)用于電廠(chǎng)各個(gè)工藝系統(tǒng)中，管道規(guī)格種類(lèi)多、數(shù)量大，材質(zhì)以不銹鋼和碳鋼為主，現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接量大，國(guó)內(nèi)核電廠(chǎng)管道的主要焊接方法是傳統(tǒng)的手工焊條電弧焊和鎢極氬弧焊。在核電高速發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)焊接方式已不能滿(mǎn)足當(dāng)前核電工程建設(shè)和未來(lái)核電檢修的需要。特別是傳統(tǒng)焊接方法生產(chǎn)效率較低，且需要較多的焊工，勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)成本及其管理成本較高。同時(shí)，由于焊工操作水平的差異以及人員易受環(huán)境、情緒等因素的影響，使得焊口的合格率相對(duì)較低。為此，通過(guò)技術(shù)革新，開(kāi)發(fā)了一套卡鉗式全位置自動(dòng)焊工藝來(lái)替代傳統(tǒng)的焊接方法，增強(qiáng)了自身施工能力，提高了施工效率和施工質(zhì)量[1]。

卡鉗式全位置自動(dòng)焊工藝是指在焊接過(guò)程中將卡鉗式機(jī)頭固定在待焊管道上，機(jī)頭繞管子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)不同空間位置的焊接;通過(guò)添加焊絲獲得成形美觀、質(zhì)量合格的焊縫的焊接工藝。文中針對(duì)6寸以下的管道，從設(shè)備選型、工藝開(kāi)發(fā)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面進(jìn)行介紹;通過(guò)大量的工藝驗(yàn)證總結(jié)出卡鉗式全位置自動(dòng)焊工藝的規(guī)律，替代傳統(tǒng)手工焊技術(shù)，可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高焊接質(zhì)量，打造我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)[2]。

1 自動(dòng)焊設(shè)備選型

根據(jù)我國(guó)核電廠(chǎng)建設(shè)中小于6寸的管道焊接現(xiàn)狀，通過(guò)國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)調(diào)研，對(duì)自動(dòng)焊接技術(shù)的成套設(shè)備、配套工裝及焊接質(zhì)量等進(jìn)行研究分析，同時(shí)結(jié)合本項(xiàng)目對(duì)各類(lèi)管件的焊接試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于小于6寸的管道，其焊接電流一般不超過(guò)200 A，為現(xiàn)場(chǎng)使用方便可選輕便電源。最終確認(rèn)的電源和控制器如圖1所示。

同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道種類(lèi)繁多、規(guī)格不一的特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外在管道方面的應(yīng)用，選擇能夠焊接碳鋼、不銹鋼、合金鋼材質(zhì)，以及覆蓋現(xiàn)場(chǎng)12～200 mm管徑大小的、較為輕便的卡鉗式機(jī)頭進(jìn)行焊接，如圖2所示。

2 工藝開(kāi)發(fā)

2.1 材料選擇

核電廠(chǎng)管道規(guī)格種類(lèi)繁多，材質(zhì)主要為不銹鋼和碳鋼，根據(jù)卡鉗式全位置自動(dòng)焊工藝焊接的特點(diǎn)，管道自動(dòng)焊開(kāi)發(fā)定位于管徑≤200 mm，壁厚>3 mm，為此梳理出部分管道清單如表1所示。

焊材選用需要根據(jù)母材的材質(zhì)決定，如焊接304L、Z2CN18.10和316L等不銹鋼管道時(shí)，宜選用直徑為φ1.0 mm的ER316L焊材;焊接P265GH、P280GH 和TU48C等碳鋼管道時(shí)，宜選用直徑為φ1.0 mm的ER70S-6焊材;另外針對(duì)特殊材質(zhì)的管道，需根據(jù)母材材質(zhì)定制焊材。

2.2 坡口設(shè)計(jì)

卡鉗式管道全位置自動(dòng)焊對(duì)坡口要求較高，為確保焊接工藝操作的穩(wěn)定性，本項(xiàng)目進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：若無(wú)鈍邊，組對(duì)無(wú)間隙時(shí)，背面極易產(chǎn)生內(nèi)凹;若無(wú)鈍邊，組對(duì)有間隙時(shí)，打底極易燒穿;最終采用組對(duì)無(wú)間隙的帶鈍邊L型坡口，如圖3所示。同時(shí)根據(jù)工藝試驗(yàn)可知，管道規(guī)格、材質(zhì)、焊接工藝參數(shù)均與坡口鈍邊尺寸密切相關(guān)，而鈍邊的長(zhǎng)度和厚度對(duì)焊縫背面成形質(zhì)量的影響較大[3]。

根據(jù)自動(dòng)焊的工藝要求，并結(jié)合工藝試驗(yàn)驗(yàn)證可知，坡口組對(duì)間隙≤0.5 mm能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)焊根部打底焊道的穩(wěn)定焊接。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊坡口形式的統(tǒng)一和工程管理，通過(guò)大量的管道坡口匹配性工藝焊接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，管徑、壁厚越大，坡口鈍邊越長(zhǎng)、厚度越大;另外驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，相同管徑、壁厚情況下，不銹鋼鈍邊厚度、長(zhǎng)度均比碳鋼大，如圖4所示。由于小管自動(dòng)焊焊接快，管件溫度瞬間升溫，焊接工藝參數(shù)受影響的敏感程度大。在單面焊接雙面成形的情況下，鈍邊參數(shù)對(duì)焊縫背面成型影響較大，而坡口長(zhǎng)度相對(duì)焊接工藝尤其敏感[4]。

根據(jù)坡口參數(shù)與管道規(guī)格擬合曲線(xiàn)的規(guī)律，可為后續(xù)不同管道坡口參數(shù)的初始設(shè)計(jì)提供參考，通過(guò)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，最終得出適合自動(dòng)焊焊接的坡口尺寸。

2.3 焊接工藝研究

卡鉗式全位置自動(dòng)焊焊接工藝參數(shù)主要包括焊接電流、電壓、焊接轉(zhuǎn)速、頻率和占空比等。影響焊接電流的主要因素包括材料種類(lèi)、管道外徑、壁厚、焊接位置等;焊接轉(zhuǎn)速主要與管道規(guī)格相關(guān)。焊接參數(shù)分段設(shè)置與管徑大小相關(guān)，管徑越大，劃分段數(shù)越多，每圈劃分段焊接電流按照3～5 A依次降低，影響轉(zhuǎn)速的主要因素是管外徑，焊接電流應(yīng)與轉(zhuǎn)速匹配。一般設(shè)置6段工藝參數(shù)，將整個(gè)管道焊接的過(guò)程分為6個(gè)程序段，每個(gè)程序段設(shè)置獨(dú)立的參數(shù)，如圖5所示。

卡鉗式全位置自動(dòng)焊應(yīng)根據(jù)管道壁厚的不同分區(qū)進(jìn)行焊接處理，包括打底焊接、填充焊接和蓋面焊接。首先打底焊接對(duì)背面成形影響極大，而背面成形效果與焊接電流、行走速度、坡口尺寸等直接相關(guān);填充焊道需要兼顧焊接坡口側(cè)壁熔合、焊接變形、層間溫度控制以及焊接填充效率;蓋面焊道需要考慮坡口截面較大的焊縫，可采用擺動(dòng)焊和壓道焊兩種，且壓道蓋面成型更穩(wěn)定，適應(yīng)性更強(qiáng)[5]。

在工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)起弧位置、鎢極高度、送絲角度、保護(hù)氣和背面充氬等方面的研究分析，得出以下結(jié)論：

（1）起弧位置。小管水平固定對(duì)接位置焊接時(shí)應(yīng)順時(shí)針10～11點(diǎn)進(jìn)行起弧;小管垂直固定對(duì)接位置焊接時(shí)應(yīng)將鎢極位于焊縫中心偏上0.5～1 mm，其他位置的起弧，受重力和熱輸入的影響易產(chǎn)生局部表面塌陷或內(nèi)部凹陷、凸起等。

（2）鎢極高度。鎢極高度偏大，易產(chǎn)生根部未熔合;鎢極高度偏小，其焊接電弧的熱量不足，根部易產(chǎn)生未熔合。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，鎢極高度的最優(yōu)間隙為1.2～1.5 mm。

（3）送絲角度。焊絲與鎢極間距過(guò)大，伴隨脈沖焊絲的規(guī)律性振動(dòng)，易產(chǎn)生頂絲現(xiàn)象;距離過(guò)小，易出現(xiàn)粘鎢、若水平位置的仰焊時(shí)焊絲不能送進(jìn)熔池而滴落到鎢極。只有焊絲與鎢極間距在2～3 mm，鎢極向焊接方向前傾10°～15°，利于焊絲熔化。

（4）保護(hù)氣。主要是通過(guò)增加電弧挺度、增加焊縫寬度、減小表面凹陷深度等方面進(jìn)行調(diào)節(jié)選擇，最終選用流量為8～20 L/min的99.99%的純氬。

（5）背面充氬。尤其是不銹鋼管道，內(nèi)部充氬對(duì)改善根部焊縫成形和避免凹坑缺陷的效果明顯，且背面焊道表面干凈，無(wú)氧化渣。

經(jīng)過(guò)大量的焊接試驗(yàn)，根據(jù)不同的材質(zhì)、管徑、壁厚開(kāi)發(fā)出多種與之對(duì)應(yīng)的自動(dòng)焊工藝，最大范圍內(nèi)覆蓋現(xiàn)場(chǎng)管道。焊縫表面成形如圖6所示。

2.4 工藝性能試驗(yàn)

根據(jù)核電廠(chǎng)的RCCM-2007建造標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)已開(kāi)發(fā)完成的此系列管道進(jìn)行工藝性能試驗(yàn)，首先對(duì)管道焊縫進(jìn)行液體滲透（PT）、射線(xiàn)檢驗(yàn)（RT）等，結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷;其次驗(yàn)證此系列管道的焊接接頭組織及力學(xué)性能，對(duì)管道焊縫進(jìn)行了拉伸、彎曲、金相等試驗(yàn)，結(jié)果也均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷[6]。

以φ88.9×11.1 mm規(guī)格的不銹鋼管（Z2CN18.10）為例，管道拉伸試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度為572～640 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求;經(jīng)面彎背彎?rùn)z驗(yàn)，彎曲角度為180°，均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，如表2、表3所示。

按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熔覆金屬內(nèi)的各元素進(jìn)行分析，結(jié)果均合格，如表4所示。采用10倍放大鏡對(duì)焊縫橫截面進(jìn)行宏觀金相檢查，未發(fā)現(xiàn)缺陷，結(jié)果合格，如圖7所示。

采用200倍的放大倍數(shù)對(duì)試樣進(jìn)行微觀金相檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋及其他異常組織，結(jié)果合格，如圖8所示。

3 工程應(yīng)用

依據(jù)開(kāi)發(fā)完成的卡鉗式全位置自動(dòng)焊工藝，在某核電機(jī)組上成功進(jìn)行了示范應(yīng)用，如圖9所示。卡鉗式全位置自動(dòng)焊技術(shù)的工藝控制精度高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊縫成形好、焊接效率高，能夠獲得高質(zhì)量的焊縫。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)核電廠(chǎng)管道卡鉗式全位置自動(dòng)焊工藝的研究，以及現(xiàn)場(chǎng)管道自動(dòng)焊的成功實(shí)施，得出以下結(jié)論：

（1）坡口設(shè)計(jì)對(duì)管道焊縫背面成形質(zhì)量影響較大，因此在坡口加工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制鈍邊長(zhǎng)度和厚度，保證坡口尺寸符合圖紙要求。

（2）卡鉗式全位置自動(dòng)焊在焊接前，需對(duì)起弧位置、鎢極高度、送絲角度等進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證焊接質(zhì)量。

（3）卡鉗式全位置自動(dòng)焊工藝需分區(qū)進(jìn)行焊接，且由于管徑較小，焊接位置變化快，為保證焊接質(zhì)量，需分段設(shè)置工藝參數(shù)。

（4）卡鉗式全位置自動(dòng)焊屬于單面焊雙面成形，打底焊接時(shí)重點(diǎn)控制背面焊縫成形質(zhì)量，確保焊縫不產(chǎn)生內(nèi)凹等缺陷。

（5）不銹鋼管道自動(dòng)焊焊接時(shí)，需進(jìn)行背面充氬保護(hù)，保證根部焊縫成形和避免凹坑、夾渣等缺陷的出現(xiàn)。

（6）卡鉗式全位置自動(dòng)焊的應(yīng)用擺脫了對(duì)焊工技能的依賴(lài)，其焊接質(zhì)量和效率主要依靠先進(jìn)的設(shè)備和成熟的焊接工藝，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了焊接質(zhì)量，提高了施工效率。

（7）通過(guò)對(duì)卡鉗式全位置自動(dòng)焊的研究分析，總結(jié)了此類(lèi)工藝焊接的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)核電站管道自動(dòng)焊的推廣應(yīng)用提供了參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

夏軍.核電站大口徑不銹鋼薄壁管在役焊接質(zhì)量控制[J].電焊機(jī)，2019，49（4）：216-221.

吳承建.金屬材料學(xué)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

靳孝義.三代核電站小徑薄壁不銹鋼管的焊接工藝[J].焊接技術(shù)，2017，46（1）：39-42.

馮英超.臺(tái)山EPR核電站核島安裝工程小管預(yù)制自動(dòng)焊應(yīng)用技術(shù)研究[J].電焊機(jī)，2010，40（8）：35-39.

劉鳴放.金屬材料力學(xué)性能手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

RCCM 2007版S篇，壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[S]. 2007.