屏蔽主泵泵殼與蒸汽發(fā)生器出口管嘴裝焊工藝

龍會(huì)松

(國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司， 山東榮成 264300)

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電廠核島重要設(shè)備之一。為優(yōu)化管道系統(tǒng)，減少管路流道阻力損失，某三代核電堆型屏蔽式反應(yīng)堆冷卻劑泵(簡(jiǎn)稱屏蔽主泵)直接裝焊在蒸汽發(fā)生器下方出口管嘴上，其中泵殼由主泵廠家提供，蒸汽發(fā)生器制造廠家負(fù)責(zé)蒸汽發(fā)生器與泵殼的裝焊，每臺(tái)蒸汽發(fā)生器配有2臺(tái)屏蔽主泵。國(guó)內(nèi)AP1000系列核電機(jī)組(如三門、海陽核電機(jī)組等依托項(xiàng)目)蒸汽發(fā)生器的接管和泵殼焊接原來是由國(guó)外公司進(jìn)行焊接，成本非常高。制造廠家通過消化吸收相關(guān)依托項(xiàng)目的泵殼裝焊經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化裝配工裝、坡口設(shè)計(jì)、焊接參數(shù)、無損檢測(cè)并采用變形控制措施，實(shí)現(xiàn)工藝創(chuàng)新，順利實(shí)現(xiàn)一次焊接成功。筆者總結(jié)國(guó)內(nèi)首臺(tái)自主的屏蔽主泵泵殼與蒸汽發(fā)生器接管裝焊工藝，詳細(xì)介紹各個(gè)階段實(shí)施控制要點(diǎn)，為后續(xù)核電機(jī)組的接管-泵殼、接管-安全端的焊接提供參考。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 材料

對(duì)于蒸汽發(fā)生器一次側(cè)出口管嘴低合金鋼部件，應(yīng)保證其S質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.015%；對(duì)于泵殼不銹鋼部件，應(yīng)保證其S質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.010%；對(duì)于所有接觸反應(yīng)堆冷卻劑的堆焊材料，應(yīng)保證其Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.05%；對(duì)于對(duì)接焊焊材，應(yīng)選用ERNiCr-7或ERNiCr-7A。在制造、試驗(yàn)、運(yùn)輸或安裝過程中，禁止使用S、Pb等低熔點(diǎn)金屬材料及其合金或化合物；禁止不銹鋼或鎳基合金表面接觸任何防腐劑。

1.2 模擬件制造

與依托項(xiàng)目相比，后續(xù)項(xiàng)目的機(jī)組增加了模擬件要求。對(duì)于沒有同類蒸汽發(fā)生器與屏蔽主泵泵殼焊接成功經(jīng)驗(yàn)的制造廠，在焊接前，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際坡口形式至少進(jìn)行一次模擬焊接，其所使用的焊接設(shè)備、焊接工藝和焊接人員的資質(zhì)應(yīng)能滿足實(shí)際產(chǎn)品焊接的要求。

1.3 裝焊要求

只允許焊接過模擬件或同類產(chǎn)品的焊工或焊接操作工進(jìn)行焊接產(chǎn)品部件。工件溫度低于16 ℃時(shí)，禁止焊接。經(jīng)過焊縫背面滲透檢測(cè)(PT)檢測(cè)合格后，才可以取消背面氣體保護(hù)。焊縫只允許進(jìn)行一次修補(bǔ)，在修補(bǔ)前應(yīng)得到采購方的認(rèn)可。

1.4 尺寸要求

焊接后，應(yīng)保證泵殼法蘭面與蒸汽發(fā)生器水室封頭出口管嘴軸線垂直，泵殼法蘭面與水室封頭支撐墊平行度偏差不大于3.2，同時(shí)保證泵殼圓周轉(zhuǎn)角偏差不超過±0.1°。泵殼進(jìn)口管嘴與蒸汽發(fā)生器水室封頭出口管嘴焊接后，水室封頭支撐墊底部與泵殼出口管嘴中心線的距離為(1 048± 3.2) mm。

2 裝焊方案

在依托項(xiàng)目泵殼裝焊的基礎(chǔ)上，開展工藝評(píng)定、模擬件制作，優(yōu)化屏蔽主泵殼裝焊工藝方案。采用管嘴鎳基隔離層、泵殼不銹鋼隔離層、鎳基焊絲填充方式進(jìn)行裝焊。首次采用帶止口雙U形設(shè)計(jì)的坡口，坡口間隙小，便于裝配和焊接[1]。坡口整體設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 坡口設(shè)計(jì)整體

2.1 隔離層堆焊

管嘴隔離層(鎳基隔離層)、泵殼隔離層(不銹鋼隔離層)均選用使用較多的自旋轉(zhuǎn)鎢極氬弧焊設(shè)備(見圖2)。其中，管嘴隔離層在蒸汽發(fā)生器制造中完成，泵殼隔離層堆焊在泵殼入廠后完成。

圖2 隔離層堆焊焊接設(shè)備

根據(jù)依托項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，堆焊過程中隔離層在母材、熔合線、內(nèi)外壁處極易出現(xiàn)缺陷。制造廠優(yōu)化了堆焊工藝，在泵殼外圈增加擋氣環(huán)、減少首層焊接熱輸入量、加大焊道間清理頻次，可有效避免缺陷產(chǎn)生。隔離層主要堆焊參數(shù)見表1。

表1 隔離層主要堆焊參數(shù)

2.2 泵殼裝配

與依托項(xiàng)目相比，后續(xù)項(xiàng)目的泵殼更大，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)可靠的裝配支撐架，以滿足裝配的各項(xiàng)尺寸要求，該支撐架具備同時(shí)裝配和調(diào)節(jié)2臺(tái)屏蔽主泵泵殼的能力。應(yīng)保證裝配后給焊接操作留有足夠的調(diào)整空間，通過行車與支撐架配合，使泵殼法蘭面與蒸汽發(fā)生器水室封頭出口管嘴軸線垂直；泵殼圓周轉(zhuǎn)角偏差為0.02°(要求不超過±0.05°)，泵殼法蘭面與水室封頭支撐墊平行度偏差為1.31(要求不大于1.50)。

2.3 泵殼焊接

制造廠通過優(yōu)化坡口設(shè)計(jì)，有可效減少焊接量并控制焊接變形。焊機(jī)采用使用較多的全位置鎢極氬弧焊焊機(jī)，該設(shè)備主要為窄間隙自動(dòng)焊，背側(cè)清根，焊接質(zhì)量穩(wěn)定可控。主要工序包括導(dǎo)軌安裝，中間部分焊接，內(nèi)側(cè)清根(5～7 mm)，內(nèi)側(cè)焊接，外側(cè)焊接[2]。

制造廠通過尺寸干涉和可靠性分析，以合理設(shè)定導(dǎo)軌形式及安裝方位。外側(cè)焊接時(shí)導(dǎo)軌安裝在泵殼側(cè)(見圖3)，內(nèi)側(cè)焊接時(shí)導(dǎo)軌安裝在出口接管側(cè)，機(jī)頭行走平穩(wěn)，導(dǎo)軌與工件的同軸度和平面度滿足要求，其中同軸度為1.32 mm(要求不大于2.00 mm)，平面度為0.8 mm(要求不大于1.0 mm)。

圖3 焊機(jī)外側(cè)導(dǎo)軌布置

焊接前對(duì)“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等要素進(jìn)行控制。盡可能安排熟練焊工，每班安排2～3人；焊接前對(duì)焊機(jī)電源進(jìn)行檢定，確保輸出電流穩(wěn)定；焊接場(chǎng)所應(yīng)設(shè)立封閉區(qū)域，做好防塵、防風(fēng)等措施；焊接采用雙上坡焊方式，根據(jù)尺寸情況合理布置焊接收起弧點(diǎn)，為減輕局部區(qū)域的過熱和減少易出現(xiàn)缺陷區(qū)域的集中，相鄰焊道收起弧點(diǎn)搭接點(diǎn)的間距至少為30 mm。焊接操作滿足規(guī)程要求，焊接參數(shù)見表2。

表2 焊接參數(shù)

3 變形控制

鎳基窄間隙自動(dòng)焊為制造廠較為成熟的焊接工藝，與設(shè)備安全端裝焊、主管道裝焊類似，該工藝在制造廠積累了大量的實(shí)踐案例，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)可控[3]。但由于泵殼較大，在焊接過程中容易產(chǎn)生焊接變形，因此尺寸控制是泵殼裝焊過程中的重要管控內(nèi)容。

3.1 尺寸跟蹤

泵殼裝焊后要求泵殼法蘭面與水室封頭支撐墊平行度偏差不大于設(shè)計(jì)要求值(3.2)，因此需要對(duì)測(cè)量尺寸進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤。一般可建立激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)靶座的位移變化來檢測(cè)泵殼的位移變化。

在實(shí)際裝焊過程中，泵殼由于支撐架的作用不能向下移動(dòng)，焊縫完全冷卻后導(dǎo)致泵殼向上偏移，造成平行度不滿足要求。實(shí)踐表明，泵殼裝焊在初始1～8層焊道，平行度偏差變化比較大，如果控制不當(dāng)，極易導(dǎo)致其超出要求值(3.2)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其變化。泵殼裝焊平行度偏差隨焊接層數(shù)的變化見圖4。

圖4 泵殼裝焊平行度偏差隨焊接層數(shù)的變化

3.2 變形控制

通過總結(jié)依托項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，制造廠對(duì)尺寸控制各項(xiàng)措施進(jìn)行細(xì)化，通過尺寸預(yù)留、交叉施焊、剛性固定等多種方式確保尺寸在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

(1) 裝配階段控制。裝配時(shí)在泵殼法蘭面與蒸汽發(fā)生器支撐墊之間預(yù)留6～8 mm；平行度按6點(diǎn)鐘方向負(fù)偏差控制。裝配后利用支撐架和卡環(huán)將泵殼固定，減少焊縫冷卻后泵殼上抬量。設(shè)計(jì)制作專門楔塊，在內(nèi)/外側(cè)焊接時(shí)，在相反的一側(cè)塞入楔塊，減少焊接時(shí)坡口的間隙收縮量。

(2) 焊接過程控制。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)焊縫尺寸的收縮情況，在進(jìn)行每層焊接時(shí)，盡可能地從6點(diǎn)鐘方向開始焊接，并盡可能地焊接2～3層，避免泵殼受應(yīng)力造成其整體上抬。平行度若產(chǎn)生偏差，從偏差產(chǎn)生的反方向進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

通過各項(xiàng)管控措施的落實(shí)，最終泵殼的裝焊尺寸檢查結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求(見表3)。

表3 泵殼裝焊尺寸記錄

4 無損檢測(cè)

制造廠增加和細(xì)化無損檢測(cè)內(nèi)容，如泵殼入廠再次復(fù)驗(yàn)、泵殼隔離層無損檢測(cè)、泵殼內(nèi)側(cè)焊接檢測(cè)。滲透檢測(cè)明確檢測(cè)試劑、評(píng)判時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；超聲波檢測(cè)增加多角度探頭；射線檢測(cè)統(tǒng)一射線源為Co60，采用內(nèi)透射方式。無損檢測(cè)的主要適用范圍見表4，其中：“√”表示適用，“-”表示不適用。

表4 無損檢測(cè)適用范圍

泵殼對(duì)接焊縫、隔離層及其熱影響區(qū)均按照焊縫標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收，不允許存在裂紋、未熔合、未結(jié)合等危險(xiǎn)性缺陷，缺陷顯示尺寸及數(shù)量不能超過設(shè)計(jì)要求[4]。

5 結(jié)語

屏蔽主泵泵殼與蒸汽發(fā)生器出口管嘴裝焊采用目前技術(shù)成熟的冷絲自動(dòng)鎢極氬弧焊[5]，配合含止口(背側(cè)清根)的雙U形坡口設(shè)計(jì)，焊縫質(zhì)量能夠滿足設(shè)計(jì)要求。但由于泵殼母材鑄件材料及尺寸原因，需要重點(diǎn)關(guān)注無損檢測(cè)和焊接變形控制。

對(duì)泵殼熱影響區(qū)域和不銹鋼隔離層多次進(jìn)行滲透檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)，保證檢測(cè)盡可能覆蓋全部區(qū)域，保證焊縫驗(yàn)收按照標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過總結(jié)模擬件及同類產(chǎn)品的焊接經(jīng)驗(yàn)，合理預(yù)留焊接收縮量，對(duì)內(nèi)外側(cè)坡口進(jìn)行焊接前，在相反側(cè)坡口內(nèi)增加楔塊進(jìn)行防變形控制，同時(shí)配合交叉施焊，以及焊接變形情況和趨勢(shì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[6]，可確保裝焊后相關(guān)空間尺寸、角度和形位公差達(dá)到設(shè)計(jì)要求。