穩(wěn)壓器噴霧管熱套管焊接技術(shù)改進(jìn)

張海林 李鵬飛 常旭

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

穩(wěn)壓器是核電站的關(guān)鍵設(shè)備之一，用于主回路系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)和壓力保護(hù)，主要起維持系統(tǒng)壓力的作用。穩(wěn)壓器設(shè)備中的蒸汽空間通過(guò)噴霧管與反應(yīng)堆入口管道連接，為減緩容器壁因溫差而引起的熱應(yīng)力，在噴霧管內(nèi)設(shè)有噴霧管熱套管。噴霧管熱套管為690合金材質(zhì)，壁厚較薄，內(nèi)徑只有?98.6 mm，長(zhǎng)度481 mm。焊接操作難度極大，同時(shí)由于與安全端焊接為異種鋼焊接，壁厚較薄，焊接難度和焊接變形控制難度極大。

在封閉一回路系統(tǒng)內(nèi)，任何溫度和容積的變化都會(huì)影響到系統(tǒng)壓力，進(jìn)而影響設(shè)備及系統(tǒng)的安全。因此噴霧管熱套管的焊接質(zhì)量會(huì)直接影響穩(wěn)壓器設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)其焊接技術(shù)進(jìn)行研究攻關(guān)是掌握穩(wěn)壓器制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 噴霧管熱套管與安全端組隊(duì)結(jié)構(gòu)

噴霧管熱套管與安全端組隊(duì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。穩(wěn)壓器本體的噴霧管管口在進(jìn)行內(nèi)壁堆焊和端面鎳基隔離層堆焊后，與不銹鋼材質(zhì)的安全端進(jìn)行裝焊，之后內(nèi)壁進(jìn)行清根加工。在安全端完成所有裝焊工序后，將噴霧管螺紋連接器和噴霧管熱套管進(jìn)行裝配。其中噴霧管螺紋連接器與內(nèi)壁進(jìn)行焊接固定，噴霧管熱套管從中心裝入，與安全端預(yù)留的坡口進(jìn)行組隊(duì)，然后對(duì)坡口進(jìn)行填充焊接。

裝配后，由于噴霧管熱套管內(nèi)徑較小，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，常用的焊接方式較難實(shí)現(xiàn)坡口填充焊接。由于噴霧管熱套管壁厚較薄，焊接過(guò)程中極易造成焊接變形，導(dǎo)致焊縫變形嚴(yán)重，導(dǎo)致報(bào)廢。如果該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，很難采取措施進(jìn)行返修。因此，成功實(shí)施噴霧管熱套管與安全端的焊接難度極大。

1—噴霧器螺紋連接管 2—噴霧器熱套管3—穩(wěn)壓器殼體 4—噴霧管 5—安全端圖1 噴霧管熱套管與安全端裝配結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Assembly configuration of spray tube thermal sleeve and safety end

2 焊接難點(diǎn)分析

2.1 噴霧管熱套管與安全端坡口設(shè)計(jì)

為便于噴霧管熱套管與安全端的焊接工作順利實(shí)施，應(yīng)合理設(shè)計(jì)坡口。焊接坡口設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

表1 所選取的焊接規(guī)范參數(shù)Table 1 Selected welding specification parameters

圖2 噴霧管熱套管與安全端組隊(duì)坡口設(shè)計(jì)Figure 2 Combined groove design of spray tube thermal sleeve and safety end

1—螺栓 2—漲緊圓板 3—螺母 4—螺栓5—漲緊圓板 6—螺母 7—螺母 8—拉桿 9—墊管圖3 防變形工裝設(shè)計(jì)Figure 3 Design of anti-deformation tool

2.2 焊接難點(diǎn)分析

噴霧管熱套管設(shè)計(jì)成插入式，與安全端留有單邊0.3 mm間隙，裝配時(shí)將噴霧管熱套管插入安全端舌頭部位，到限位后即裝配到位，大大減小了裝配尺寸控制難度。同時(shí)考慮噴霧管熱套管無(wú)法使用手工焊接，為便于自動(dòng)TIG焊接設(shè)備的側(cè)壁熔合，對(duì)比圖2中的2個(gè)坡口形式，選取方案2的坡口形式，便于自動(dòng)焊接時(shí)側(cè)壁熔合質(zhì)量，可以有效避免未熔合的產(chǎn)生。

3 噴霧管熱套管焊接關(guān)鍵技術(shù)

3.1 防變形工裝的設(shè)計(jì)和利用

由上述結(jié)構(gòu)可以看出，如直接進(jìn)行焊接產(chǎn)生焊接變形的趨勢(shì)較大，無(wú)法滿足質(zhì)量控制需求。為此，需設(shè)計(jì)專門的防變形控制工裝。目前控制這種薄壁長(zhǎng)管焊接變形的主要方法就是在薄壁長(zhǎng)管的內(nèi)、外壁上加上剛性支撐，由于結(jié)構(gòu)限制，外壁增加不了剛性支撐，又由于噴霧管安全端內(nèi)徑過(guò)小，為?92.04 mm，在內(nèi)壁安裝工裝需不影響焊機(jī)施焊。綜合考慮各項(xiàng)因素，設(shè)計(jì)防變形工裝如圖3所示。

使用時(shí)，首先將工裝裝配至噴霧管熱套管內(nèi)壁，在坡口中心留出焊機(jī)焊接所需空間。之后通過(guò)旋轉(zhuǎn)與錐形拉桿相匹配的螺母來(lái)調(diào)節(jié)錐形拉桿的伸出長(zhǎng)度，從而使8個(gè)帶坡口槽帶孔扇形板的外直徑增加，以匹配需要焊接筒體的內(nèi)徑，達(dá)到防變形效果。

3.2 焊接方法的選擇和規(guī)范參數(shù)調(diào)節(jié)

受限于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取采用熱絲自動(dòng)TIG焊機(jī)進(jìn)行焊接。因噴霧管熱套管內(nèi)徑較小，選擇可以進(jìn)入內(nèi)部的單鎢極焊槍進(jìn)行焊接。經(jīng)試驗(yàn)，選取的成型狀況良好、焊接質(zhì)量穩(wěn)定的規(guī)范參數(shù)見(jiàn)表1。

在進(jìn)行打底焊接時(shí)，為減少焊接熱輸入造成的坡口變形，選取熱輸入較小的規(guī)范參數(shù)進(jìn)行打底焊接，焊接時(shí)不送絲，以電弧熔化母材進(jìn)行固定，提高坡口剛性。填充、蓋面焊接采用鎳基焊絲進(jìn)行，經(jīng)試驗(yàn)，選取了焊縫質(zhì)量和成型外觀較好的規(guī)范參數(shù)范圍。

3.3 焊接過(guò)程控制

噴霧管熱套管與安全端焊縫焊接時(shí)，主要流程為：工件裝配→確認(rèn)裝配尺寸符合要求→進(jìn)行工裝裝配→調(diào)整螺栓將工裝預(yù)緊→使用內(nèi)窺鏡進(jìn)行焊槍打道→分四段堆成點(diǎn)焊固定(不送絲)→打底焊接(不送絲)→填充金屬→蓋面→確認(rèn)焊接質(zhì)量。

為獲取質(zhì)量良好可靠的焊縫，在執(zhí)行焊接過(guò)程時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照要求進(jìn)行操作。在執(zhí)行上述工藝流程時(shí)，需要特別注意以下內(nèi)容：

(1)防變形工裝裝配時(shí)需預(yù)留出焊槍活動(dòng)范圍，但需控制尺寸盡量接近坡口位置，確保工裝使用效果。

(2)在使用工裝預(yù)緊之后，需要借助內(nèi)窺鏡進(jìn)行焊槍的打道和對(duì)齊，通過(guò)空轉(zhuǎn)進(jìn)行驗(yàn)證后方可在坡口內(nèi)施焊。

(3)進(jìn)行點(diǎn)焊固定時(shí)，不送絲進(jìn)行空熔，分四段對(duì)稱進(jìn)行點(diǎn)焊。點(diǎn)焊后應(yīng)等自然冷卻后再進(jìn)行打底焊接。

(4)之后進(jìn)行打底和填充焊接，焊接過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度，避免溫度過(guò)高引起熱應(yīng)力增加。

(5)焊接過(guò)程中隨時(shí)用內(nèi)窺鏡檢查焊道成型狀況，焊接完成后確認(rèn)焊縫表面狀況，不允許出現(xiàn)咬邊、未熔合等缺陷。焊縫打磨后進(jìn)行尺寸檢測(cè)。

4 焊接方案效果驗(yàn)證

4.1 焊接方案在模擬件的應(yīng)用

考慮噴霧管熱套管與安全端焊接完成后無(wú)法通過(guò)去除缺陷進(jìn)行返修，返修難度極大，為確保焊接一次成功，制作了模擬件，對(duì)焊接方案是否合理可行進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)件完全模擬了噴霧管熱套管和安全端焊縫的主要結(jié)構(gòu)，裝配防變形工裝后與變位器進(jìn)行裝配。圖4為試驗(yàn)件與防變形工裝裝配效果及試驗(yàn)件實(shí)際焊接狀況。

(a)防變形工裝裝配效果(b)試驗(yàn)件施焊圖4 防變形工裝裝配效果和試驗(yàn)件施焊Figure 4 Assembly effects of anti-deformation tool and specimen welding

4.2 應(yīng)用效果

模擬件焊接完成后，對(duì)噴霧管熱套管實(shí)際焊接狀況進(jìn)行檢測(cè)。確認(rèn)焊縫表面外觀，采用內(nèi)窺鏡對(duì)焊縫表面狀況進(jìn)行確認(rèn)，焊道成型狀況良好，無(wú)咬邊、未熔合等缺陷。之后對(duì)焊縫表面進(jìn)行打磨，對(duì)焊縫進(jìn)行VP、PT無(wú)損檢測(cè)，均滿足圖紙要求，焊縫質(zhì)量一次合格。最后對(duì)噴霧管熱套管的直線度和焊縫附近的內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 噴霧管熱套管焊后尺寸Figure 5 Post-weld size of spray tube thermal sleeve

由檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，上述焊接方案的實(shí)施可以有效控制焊接變形量，最終焊后尺寸可以滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。所選取焊接規(guī)范參數(shù)能有效地進(jìn)行鎳基材質(zhì)的焊縫焊接，焊接成型狀況良好，無(wú)損檢測(cè)合格。

5 結(jié)論

通過(guò)模擬件的施焊，噴霧管熱套管與噴霧管安全端的檢測(cè)結(jié)果和變形尺寸均滿足圖紙和技術(shù)條件要求。得出噴霧管熱套管焊接變形控制工裝設(shè)計(jì)使用合理有效；焊接規(guī)范參數(shù)在合理范圍內(nèi)可以滿足焊縫成形和表面質(zhì)量控制要求，經(jīng)無(wú)損檢測(cè)合格。改進(jìn)后的焊接工藝方案對(duì)噴霧管熱套管與噴霧管安全端的成功施焊具有重要意義。