核電廠不銹鋼管道焊縫背面充氬保護方法分析及質(zhì)量控制

大鍵詢：核電；不銹鋼官道；焊建；允虱休護

中圖分類號：TM623 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）13-0081-04

D0I：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.021

0 引言

核電廠核島及部分常規(guī)島系統(tǒng)廣泛使用奧氏體不銹鋼管道。焊接時，為防止焊縫背面氧化，需充氬保護，這在焊縫根部焊接時尤為重要?，F(xiàn)場實踐中，無論采用何種焊接技術(shù)，只有當熔覆層厚度至少達4mm 時，才能停止氬氣保護[1]。焊接核級不銹鋼管道時，要求更為嚴格，需遵循《壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》：厚度小于 5mm 的奧氏體不銹鋼零件表面焊接時，背面須用惰性氣體保護防氧化，且根據(jù)焊接方法，該厚度可適當增加。鑒于核電廠現(xiàn)場管線布置、管道結(jié)構(gòu)和尺寸、系統(tǒng)狀況復雜多變，選擇合適有效的充氬保護方法，有效控制充氬過程中的影響因素，確保充氬保護的可行性、可靠性和可控性，是保障核電廠不銹鋼管道焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 充氬保護方法

1.1無封堵直接充氬法

無封堵直接充氬法適用于小管徑不銹鋼管道焊接，無須封堵焊縫兩側(cè)，直接通過焊縫附近開口（如閥門、法蘭、螺紋接頭等可拆卸部件）進行充氬保護。施焊前需預充氬氣置換管內(nèi)殘留氧氣，其優(yōu)勢在于操作便捷、充氬效率高且拆除簡便，小管徑工況下保護效果顯著；缺點是開放式充氬環(huán)境導致保護效果可控性較差，充氬時長與管線長度呈正相關(guān)，且需配置專用排氣口。

1.2 整體充氬法

整體充氬法適用于不銹鋼管道離線預制焊接，采用膠帶、管帽或橡膠板封堵管道兩端并設(shè)置進/排氣口2，通過整體充氬實現(xiàn)焊縫背面保護。該方法不受現(xiàn)場復雜工況影響，預制環(huán)境下保護效果穩(wěn)定，焊接質(zhì)量易于控制；缺點是需配置專用封堵材料及充氬設(shè)備，操作步驟相對煩瑣。

1.3 建立氬氣室局部充氬

1.3.1 氬氣室的基本要素

在焊接作業(yè)里，為保證焊縫質(zhì)量，要在焊縫上下游側(cè)管道內(nèi)部進行封堵，構(gòu)建容納氬氣的氬氣室。氬氣室在焊接前建立，直至焊縫厚度無須充氬保護時結(jié)束，其作用是營造保護性氣體環(huán)境，避免焊縫氧化或污染。氬氣室由焊縫、進氣點、排氣點及氬氣室邊界構(gòu)成。充氬時，充氣與排氣同步，維持氬氣室內(nèi)微正壓，確保氬氣含量穩(wěn)定，滿足焊接需求。

焊縫是充氬保護目標，因存在對口間隙，充氬時外側(cè)要貼耐高溫膠布，防止氬氣外排影響效果。焊接時留出焊接開口，隨進度撕開。焊縫封口，調(diào)小氬氣流量，防止內(nèi)凹。

進氣/排氣點經(jīng)氣管連氬氣瓶，進氣點供氣，排 氣點排空氣和多余氬氣以穩(wěn)定氬氣含量。因氬氣密 度大，進氣點標高 lt; 焊縫標高 lt; 排氣點標高，利于下 沉填充。充氬前測試進氣，確保路徑通暢無殘水，排 除壓差因素，防止氬氣被抽或空氣進入。若排氣點在 密閉空間，要制定防室息措施。進氣/排氣點理想位 置優(yōu)先級：疏水管線易開口點、主管線易開口點、管 線上無須充氬焊接的焊縫或其他待焊焊縫處。

氬氣室邊界應(yīng)靠近焊縫且范圍小，降低保護難度，同時考慮焊接加熱影響，與焊縫保持適當距離。

邊界內(nèi)管線布置要簡單，避開支管和“盲腸\"管段。

1.3.2 使用耐高溫泡沫板建立氬氣室

耐高溫泡沫板封堵裝置適用于直管段單側(cè)開口焊縫（如閥門附近焊縫），結(jié)構(gòu)為直徑大于管道內(nèi)徑10mm 的圓形泡沫板夾裝于金屬板間。制作要點：開設(shè)進氣/排氣孔，配置可拆卸不銹鋼牽引繩。安裝要求：距焊縫 ?400mm 垂直固定，預測試拉出順暢性，確保連接件（鋼絲/螺栓/螺母）牢固無松動[2]。

1.3.3 使用氣球或氣囊建立氬氣室

氣球和氣囊作為氬氣室邊界，安裝方式如下：先將未充氣的氣球或氣囊放入管道內(nèi)，再充氣使其緊貼管道內(nèi)壁。氣球的可變外形能適應(yīng)不同管徑，適用于長距離、充氬困難且有支管開口的管線。氣囊體積更大，需更大的支管，但邊界穩(wěn)定性更佳。

使用時需注意：1安放前徹底清潔管道內(nèi)壁，避免異物損壞氣球或氣囊。2）在距離焊縫至少 400mm 的直管處，將套有防爆袋的氣球或氣囊綁在氬氣帶上，通過支管塞入管道并充氣，使其緊貼管道內(nèi)壁，形成封堵。同時，氣球下方和另一側(cè)氣球上方各放置一條充氬帶，分別用于焊口背面充氬和排氣。焊接完成后，松開綁扎繩，排出氣體，即可取出氣球或氣囊。

1.3.4使用水溶紙建立氬氣室

水溶紙作為氬氣室邊界，安裝方式為：利用水溶膠帶或水溶膠水將其固定在管道內(nèi)部，從而建立氬氣室邊界。它適用于長距離、彎管和結(jié)構(gòu)復雜且無其他開口的充氬困難的水介質(zhì)管線。使用水溶紙建立氬氣室時，通常難以將其取出，而是依靠系統(tǒng)沖水使其溶化。若使用不當，水溶紙可能無法正常溶解，進而成為異物堵塞管道或影響設(shè)備正常功能。

影響水溶紙溶解性的因素包括：1）受介質(zhì)類型影響，在除鹽水和含硼 2.3×10^-3（2300ppm） 水中容易溶解，而在海水中溶解困難；2受溫度影響，當加熱至 70^°C 后，水溶紙在海水中也容易溶解；3）受水溶紙狀態(tài)影響，水溶紙受熱溫度超過 120°C 后，因高溫烤焦、碳化而難以溶解。水溶紙在不同介質(zhì)和狀態(tài)下的溶解試驗情況如表1所示。

在核電廠使用水溶紙時，應(yīng)嚴格遵循以下注意事項3：1化學兼容性確認：確保水溶紙溶解后的化學成分符合電廠化學規(guī)范要求，以避免對系統(tǒng)造成潛在污染或腐蝕風險。2）適用介質(zhì)范圍：水溶紙適用于除鹽水、含硼水和水蒸氣等介質(zhì)系統(tǒng)。禁止在氣、油介質(zhì)及化學取樣系統(tǒng)中使用。若在海水系統(tǒng)中使用，需采取以下措施之一以消除溶解困難：焊接后取出水溶紙、焊后沖洗管道或使用 70～90^°C 的熱水加速溶解。3）管道環(huán)境檢查：在安裝水溶紙前，檢查管道內(nèi)無殘水、冷凝水或水汽等可能破壞水溶紙完整性的因素，如有則需消除。4安裝方式規(guī)范：將水溶紙平整裝入管道，避免過量使用或?qū)⑵淙喑蓤F塞入，以確保其正常發(fā)揮功能。5溫度控制要求：明確水溶紙貼合部位與待焊焊縫的距離，確保與水溶紙貼合部位的管道溫度不超過 110^°C ，以防過熱影響水溶紙性能。6使用后處理措施：焊接后應(yīng)盡可能采取措施將水溶紙沖洗出系統(tǒng)；若無法沖洗，則利用系統(tǒng)中的過濾器對水溶紙進行過濾，防止殘留物對系統(tǒng)運行產(chǎn)生不利影響。

1.3.5 使用白紗布建立氬氣室

對于 2^′′～4^′′ 管道焊縫，傳統(tǒng)無封堵充氬法因管徑較大無法形成有效保護，而耐高溫泡沫板等材料又因管徑過小難以使用。實踐中采用鐵絲綁扎白紗布從焊縫開口處植入作為氬氣室邊界，利用白紗布天然透氣性實現(xiàn)無須開設(shè)排氣孔的氬氣保護]。

1.3.6 使用工裝建立氬氣室

針對特殊工況開發(fā)專用充氬工裝：以不銹鋼支管座焊縫為例，當支管座口徑顯著小于母管且無法通過開孔安裝保護裝置時，設(shè)計專用工裝（圖1）。

該裝置上側(cè)設(shè)專用接口與供氬管連接，中部凸臺外徑大于支管座內(nèi)徑以防止脫落，焊縫對應(yīng)側(cè)開設(shè)均勻分布的出氣孔，實現(xiàn)支管座焊縫背面持續(xù)氬氣保護。

1.4 綜合應(yīng)用法

某些情況下，現(xiàn)場管線非常復雜，使用一種方法難以完成整個管線各焊縫的充氬保護，需要綜合應(yīng)用不同的方法，分不同階段和步驟完成。下面是一個典型案例。

需要更換母管焊縫1、支管焊縫1、支管焊縫2、支管焊縫3、支管焊縫5之間的管線（圖2），共涉及11道焊縫，焊接充氬保護分為四個階段完成：

第一階段采用整體充氬法，離線完成支管座焊縫1、支管座焊縫2、支管座焊縫3、支管座焊縫4、支管焊縫4、母管焊縫2等六道焊縫的預制焊接。

第二階段使用水溶紙建立氬氣室局部充氬，在母管焊縫1上游側(cè)安裝水溶紙，距離母管焊縫1大于等于 120mm ，水溶紙上不設(shè)置排氣孔。然后對母管焊縫1進行對口并固定，同時確認支管焊縫1、支管焊縫2、支管焊縫3、支管焊縫4部分均可以正常對口但不固定。從支管焊縫1處插入軟管充入氬氣，從支管焊縫5處排氣，焊接母管焊縫1。焊接完成后，封堵支管焊縫1、支管焊縫2、支管焊縫3部位的開口點，從支管焊縫5部位的開口點使用除鹽水沖洗水溶紙。

第三階段采用無封堵直接充氬法，分別拆開支管焊縫1、支管焊縫2、支管焊縫3下游管線的螺紋接頭，從螺紋接頭處充氬、從支管焊縫5處排氣，焊接支管焊縫1、支管焊縫2、支管焊縫3等三道焊縫。

第四階段不充氬焊接，支管焊縫5部位為承插焊縫，壁厚大于 5mm ，可以直接焊接，不需要充氬。

2充氬質(zhì)量影響因素分析及控制

2.1 充氬流量

氬氣流量應(yīng)適中。流量過小，氬氣室氬氣含量不穩(wěn)，焊縫背面易氧化；流量過大，熔池受推力，增加焊接難度，甚至會造成內(nèi)凹，影響焊接質(zhì)量，還會擾動氬氣室空氣，難以形成穩(wěn)定氬氣層。氬氣流量需在焊接工藝參數(shù)允許的最小值以上，確保焊縫背面保護質(zhì)量和根部焊接過程不憋壓，同時保持焊縫附近壓力接近零或微正壓[2]。流量控制方式有低流量預充氬和穩(wěn)流充氬兩種。低流量預充氬是先低流量預充，再逐漸增加流量至焊接要求，利用空氣比氬氣輕的原理排出空氣，避免紊流。穩(wěn)流充氬是通過一定流量多次充氬，減少氬氣室空氣占比。

2.2 充氬效果判斷

判斷充氬效果有以下兩種方法：用氧分析儀檢測氬氣室內(nèi)氣體含量，確保氧含量低于 2% ；用試氬板驗證。將試氬板置于坡口上方并貼緊，用氬弧焊施焊，根據(jù)焊點背面顏色判斷：銀色最佳，金黃良好，暗金色一般，黑色則充氬效果差[2]。

2.3 管線內(nèi)水流的影響

焊接中如管線內(nèi)出現(xiàn)水流會導致水溶紙溶解而影響水溶紙等氬氣室邊界的完整性，嚴重時可能直接到達焊縫部位影響焊接質(zhì)量。水源可能來源及處理建議如表2所示。

2.4 管線內(nèi)氣流的影響

焊接中如管線內(nèi)出現(xiàn)氣流會使焊縫背面充氬保護不佳影響焊縫質(zhì)量，氣流可能來源及處理建議如表3所示[4]。

3 結(jié)束語

本文圍繞核電廠不銹鋼管道焊接充氬保護展開，強調(diào)其對焊縫質(zhì)量的重要性。通過介紹多種充氬保護方法及其適用場景，分析了影響充氬質(zhì)量的關(guān)鍵因素（包括充氬流量、效果判斷及管線內(nèi)水流、氣流的影響），并結(jié)合實際案例展示綜合應(yīng)用不同充氬方法完成焊接工作。

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