1、田灣核電工程復(fù)合鋼主管道焊接變形控制日期：復(fù)合鋼主管道焊接變形控制摘要：本文通過對復(fù)合鋼主管道焊接變形的原因及其特點的分析，著重闡述了復(fù)合鋼主管道焊接變形的趨勢及控制措施，對今后同類工程的焊接變形控制具有借鑒意義。關(guān)鍵詞：復(fù)合鋼管道 焊接變形 分析 控制措施1. 工程概況田灣核電站一期工程是由兩座100萬千瓦的壓水堆發(fā)電機組組成，其反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)是由四條并聯(lián)到壓力容器的傳熱環(huán)路組成，每條環(huán)路包括一臺臥式蒸汽發(fā)生器和一臺反應(yīng)堆冷卻泵（主泵）構(gòu)成。每條環(huán)路由壓力容器到蒸發(fā)器的熱段、壓力容器到主泵的冷段、蒸發(fā)器到主泵的過渡段組成。在運行期間主管道要承受超過350的高溫及25Mpa的氣壓，焊接接頭等級

2、為核級。每條環(huán)路有9道焊口，整個1#核島共有36道主管道焊口。環(huán)路的構(gòu)成及焊口的分布情況（見圖1）。圖1：環(huán)路的構(gòu)成及焊口分布示意圖田灣核電站主管道冷卻系統(tǒng)是由俄羅斯設(shè)計并提供材料，主管道的材質(zhì)為復(fù)合鋼材料，按材料可分為3種其接頭型式。一種是主管道與壓力容器接管之間的焊接接頭（焊縫編號N1、N4），一種是主管道與主管道（主管道與蒸汽發(fā)生器集流管）之間的焊接接頭（焊縫編號N2、N5、N8、N3、N9），一種是主管道（坡口預(yù)堆-51焊條）與主泵殼體接管之間的焊接接頭（焊縫編號N6、N7）。主管道與蒸發(fā)器集流管的材質(zhì)為102不銹鋼復(fù)合層，規(guī)格為990×70；壓力容器接管的材質(zhì)為15X2不銹

3、鋼復(fù)合層，規(guī)格為1000×75；主泵接管的材質(zhì)為06X12H3，規(guī)格為990×70。主管道每個焊口所用的焊材按批號劃分多達5種。主管道總長度約為134米，總重約252噸，施工量大。主管道焊接分為管外部與管內(nèi)部施焊，每種接頭型式的熱處理工藝也不相同，焊接與熱處理工藝復(fù)雜難度大。主管道焊接施工采用三班倒連續(xù)作業(yè)，每個焊口的施工周期約為30天左右，總工期約為12個月，施工工期長。主管道工序復(fù)雜，其中主泵焊口N6、N7施工工序多達35項。 主管道是連接三大主設(shè)備的重要結(jié)構(gòu)，由于主設(shè)備的位置相對固定，因此主管道安裝焊接過程中的焊接變形控制就顯得尤為重要。與國內(nèi)其它已建壓水堆核電站的奧

4、氏體不銹鋼主管道相比，復(fù)合鋼主管道不論是焊接熱處理工藝還是焊接變形控制都要復(fù)雜困難得多。2. 主管道安裝焊接工藝2.1總的安裝焊接順序主管道各個環(huán)路總的安裝順序為：熱段 冷段 過渡段；各個環(huán)路安裝焊接接頭的焊接順序為：熱段N3 N1 N2，冷段N4 N5 N6，過渡段N8 N7、N9同時。2.2焊接接頭坡口型式主管道焊接接頭的基本坡口型式及尺寸如下圖2：圖2 主管道焊接接頭典型坡口型式即尺寸示意圖2.3主要施工工序三類焊接接頭的安裝焊接工藝順序基本相同，每個安裝焊口的主要施工工序依次如下：安裝組對、TIG點固焊、基層根部TIG焊接到610mm、NDE檢驗、預(yù)熱（200）、SMAW基層焊縫填充蓋

5、面、后熱或中間回火熱處理、打磨、NDE檢驗、焊后熱處理及檢驗、內(nèi)部復(fù)合層堆焊、打磨及NDE檢驗。為了滿足施工進度及控制焊接變形的要求，基層焊縫焊接時由兩名焊工對稱同步施焊。3. 復(fù)合鋼主管道焊接變形控制的特點3.1 安裝組對技術(shù)要求主管道安裝焊口組對要求：對口間隙為1.5±0.5mm，根部錯邊不超過0.5mm，主泵殼上結(jié)合面的水平度要求不超過0.5mm/m，由此可見在主管道焊接過程中對變形控制的要求非常高。前一個焊口的變形將影響到下一個焊口的組對，并且各段（熱段、冷段、過渡段）的封閉焊口會影響到主設(shè)備（蒸發(fā)器、主泵）的定位精度。3.2 材料的特點不同的結(jié)構(gòu)材料其線膨脹系數(shù)（見表1）也

6、不同，線膨脹系數(shù)越大，焊接時橫向收縮量越大，則產(chǎn)生的焊接變形越大。主管道焊接接頭按基層材質(zhì)不同可分為3種接頭形式，由表1可以看出，06X12H3鋼的焊接接頭的焊接變形相對其它焊接接頭要小，這在焊接工藝試驗階段對焊接收縮量的測量結(jié)果得到證實。因此在控制焊接變形時應(yīng)注意不同材料接頭的焊接變形趨勢。 表1： 結(jié)構(gòu)材料溫度的線膨脹系數(shù)t 10-6/K材料牌號溫度K（）3235037310042315047320052325057330062335067340072345077350082355087360010H2MA15X2H MA11.511.912.212.512.813.113.413.613

7、.814.014.214.406X12H310.010.310.610.811.011.211.411.511.711.811.912.03.3 焊接收縮量根據(jù)焊接工藝試驗階段的數(shù)據(jù)分析，主管道焊接變形基本發(fā)生在基層焊接過程中，焊縫的填充程度與變形量的關(guān)系如下：焊根焊接手工氬弧焊-橫向收縮量為總收縮量的3540%；焊至焊縫的1/3截面手工電弧焊-橫向收縮量為總收縮量的3540%；焊至焊縫的2/3截面手工電弧焊-橫向收縮量為總收縮量的1015%；焊至焊縫的整個截面手工電弧焊-橫向收縮量為總收縮量的1015%。由此可知，主管道焊接收縮量主要發(fā)生在基層焊縫30%厚度以前，因此焊接變形控制的重點應(yīng)該在

8、根部TIG焊接及基層1/3焊縫截面的電弧焊過程中。3.4 預(yù)熱及熱處理由于主管道采用的是復(fù)合鋼材料，其基層材料為合金鋼或高鉻鋼，根據(jù)焊接工藝要求必需在基層手工電弧焊之前進行預(yù)熱，而預(yù)熱加溫將使管子和設(shè)備本體發(fā)生膨脹及變形，這就相應(yīng)增加了焊接變形的控制難度。主管道焊口在焊后必須進行高溫回火熱處理，焊后熱處理的目的是消除大部分焊接殘余應(yīng)力及改善焊縫組織性能，在應(yīng)力釋放將使管道發(fā)生變形。嚴格控制焊接工藝參數(shù)及施焊順序，減少焊接殘余應(yīng)力在焊口上的不均勻分布，降低在焊后熱處理之后產(chǎn)生的變形，也是復(fù)合鋼主管道焊接變形控制的特點之一。3.5 施焊順序不同位置的焊口的焊接變形控制難度不同，相對來說，水平固定焊

9、口（焊縫編號N1、N2、N4、N5、N6、N8）較垂直固定焊口（焊縫編號N3、N7、N9）的焊接變形控制的難度要大得多，這是由于焊接垂直焊口的兩名焊工可以采用同樣的焊接規(guī)范及焊接速度，基本做到了對稱同步施焊（見圖5 b），使焊縫中的應(yīng)力在環(huán)向分布較為均勻，橫向收縮量基本一致，焊接變形較小。而水平固定焊口雖然采取了分段對稱焊的措施，但由于同步施焊的兩段焊縫方向是相對的，即均是由下向上焊接（見圖5 a），且焊接規(guī)范相差較大，那么管子或主泵殼將不可避免地產(chǎn)生向上翹的變形。3.6 主泵殼上結(jié)合面的水平度控制主泵本體的結(jié)構(gòu)造成其重心并不在它的幾何中心軸線上而是偏向冷段管嘴一邊。在主泵殼與冷段的管段接上以

10、后，將增大其重心偏移量，同樣增大了冷段管嘴在管段軸線相對的一端上翹的傾向。主泵殼上結(jié)合面的水平度控制是復(fù)合鋼主管道焊接變形的重點和難點之一。4. 焊接變形的主要監(jiān)測方法4.1 百分表監(jiān)測法為了在焊接過程中監(jiān)測管子的焊接變形情況，采用在施焊焊口相應(yīng)管段的另一端（自由端）相交為90°的方位（如右圖3所示）布置24個百分表，。這樣可以較直觀地監(jiān)測到管段在焊口焊接過程中的變形情況及對下一個焊口組對的偏差影響，利于及時調(diào)整變形趨勢。4.2 佯沖間距監(jiān)測法通過監(jiān)測焊口的橫向收縮量來達到監(jiān)控管子變形的目的，即在焊縫坡口兩側(cè)直徑相對的4個方位用佯沖標出測量基準點（見圖4），利用游標卡尺測量焊縫的橫向

11、收縮量得出實測數(shù)據(jù)。根據(jù)直徑相對的兩側(cè)橫向收縮量的差值計算出豎直方向和水平方向上管段自由端的變形量。其變形量計算公式為：a=(B1-B2)×L/其中：B1、B2為直徑相對各點的橫向收縮量mm； L為焊接接頭至管段自由端的長度mm； 為主管道外徑mm。 圖4：主管道佯沖間距的測定與百分表布置示意圖5. 復(fù)合鋼主管道焊接變形控制措施5.1 安裝組對過程的控制主管道安裝組對時應(yīng)保證管段放置穩(wěn)固，管段自由對口不得強行組對，焊口組對時避免對焊口造成附加應(yīng)力。坡口根部的組對間隙應(yīng)滿足1.5±0.5mm的設(shè)計要求，并且盡量使周向間隙保持均勻，如果組對間隙不均勻，則間隙大的位置，坡口寬度大

12、，熔敷金屬填充量增大，焊接熱輸入量也大，造成此方位的橫向收縮量增大，產(chǎn)生管段變形。因此主管道安裝組對時應(yīng)盡可能地保證各個方位的對口間隙保持均勻。主管道36個焊口中有16個要在現(xiàn)場進行余量切除及坡口加工，坡口加工應(yīng)保證能得到均勻的坡口間隙及寬度。5.2 焊接過程的變形控制眾所周知，焊接過程將不可避免地產(chǎn)生焊接應(yīng)力及變形，而焊接變形控制的目的就是要使焊接應(yīng)力及變形降到最低，以滿足設(shè)備定位及管道組對要求。主管道焊接采用多層多道的手工焊方法進行，焊口的總的橫向收縮量為每層每道焊縫橫向收縮量的累積，因此控制焊接變形就要控制每層每道焊縫橫向收縮量的均勻性，而且控制的重點是在收縮量最大的基層焊縫1/3截面以

13、前。為盡可能地得到均勻的焊縫收縮量，焊接時采用兩名焊工對稱同步焊接。主管道點固焊是在坡口根部進行，沿四周均布8點，點焊高度36mm，長度為80100mm。主管道現(xiàn)場實際點焊時選用2名焊工同時先點焊0°、180°兩點，再點焊90°、270°兩點，最后點焊其它各點。先點焊一半的長度，再按順序加長到其點焊的長度，這樣的目的為利于控制管段上翹與左右偏移。在進行根部TIG焊接及基層SMAW焊接過程中，由兩名焊工對稱分布進行同步分段焊接，盡量做到焊接規(guī)范（焊接電流、焊接速度等）一致，以使各方位的焊接收縮量保持均勻。各種位置的焊口的施焊順序參見圖5，選用速度相近的兩名

14、焊工進行對稱性施焊 a. 水平固定焊口 b. 垂直固定焊口圖5：主管道焊接順序示意圖5.3 焊接變形的調(diào)整如前所述，主管道焊接接頭的焊接變形主要產(chǎn)生在基層焊縫1/3截面以前，在主管道焊接過程中通過百分表監(jiān)測等措施觀察管子的偏移趨勢，當偏移量過大（一般在1mm）時，則對焊接變形進行調(diào)整，一般是通過改變兩名焊工的焊接順序及焊接規(guī)范來調(diào)整焊接變形。根據(jù)焊接工藝試驗階段的數(shù)據(jù)積累，可以預(yù)見焊接變形趨勢和變形量的焊口，則在安裝組對階段提前采取反變形措施，即對將要發(fā)生的變形進行反補償。如水平固定焊口，其管端總是有向上翹頭的趨勢，這樣在組對時使其預(yù)先降低一定量，達到預(yù)變形的目的。6. 復(fù)合鋼主管道變形控制的

15、重點6.1 百分表的固定由于主管道焊口的施工作業(yè)工期較長，一般基層焊縫焊接時間在1015天，作為監(jiān)控焊接變形的重要措施，百分表的位置應(yīng)保持不變，否則所監(jiān)測數(shù)據(jù)會不準確，這樣對焊接變形的控制和調(diào)整帶來錯誤判斷，因此百分表的布置一定要穩(wěn)固牢靠，并且對數(shù)據(jù)的記錄要及時準確，當百分表由于意外碰撞等原因發(fā)生讀數(shù)變化時，可以根據(jù)記錄數(shù)據(jù)進行恢復(fù)。6.2 合理的安裝順序合理的安裝順序?qū)刂浦鞴艿雷冃魏苤匾Ｖ鞴艿腊惭b總體順序是先進行熱段的安裝，再進行冷段的安裝，然后安裝過渡段。在進行冷、熱段安裝過程中涉及到與壓力容器接管相連的8個焊口（N1、N4）的焊接與熱處理。由于復(fù)合鋼主管道焊接施工時需要進行焊前預(yù)熱即

16、焊后熱處理，因此在進行N1、N4焊口的焊接與熱處理時，壓力容器壁因溫度的升高而向四周膨脹，導(dǎo)致相鄰環(huán)路的接管嘴偏離原先的位置，此時若組對焊接相鄰環(huán)路的N2、N5焊口，最終會造成N6口端或蒸發(fā)器的嚴重偏移，而無法滿足設(shè)計要求。因此選擇合理的施工順序不但是保證進度的前提，同時也是控制焊接變形的重點。6.3 壓力容器焊口在焊接N1、N4焊口時，焊接變形都有面對壓力容器向右偏移的趨勢，且規(guī)律性較強。分析其原因是主管道每一層道焊接完成后都要進行機械打磨，由于主管道的基層厚度約為61mm，打磨時采用230的電動砂輪機，此砂輪機重量大，打磨時震動大，不宜控制，致使反手位操作砂輪機一側(cè)的坡口寬度增大（參見圖6

17、），從而增加了熔敷金屬量，則這一側(cè)的橫向變形量加大。這也是控制焊接變形時要注意的地方，在打磨時要盡量保證兩側(cè)的坡口寬度與打磨深度一致，防止變形的產(chǎn)生。圖6：壓力容器與主管道焊縫打磨前后坡口示意圖6.4 采用反變形量控制主泵水平度偏差在焊接施工過程中，主泵上結(jié)合面的水平度的變化較復(fù)雜，設(shè)計要求精確高。為時刻監(jiān)控主泵的水平度變化，在法蘭面上安裝4塊百分表，利用百分表的讀數(shù)判定主泵均向壓力容器的一側(cè)傾斜，即與焊口N6相對的另一端上翹。在N6焊口組對時采用預(yù)變形將使主泵水平度的最終變形控制在技術(shù)要求范圍內(nèi)，即0.5mm/m。6.5 蒸發(fā)器焊口熱段封閉焊口N2時，由于與蒸發(fā)器設(shè)備進行連接，特別在熱處理過程中，主管道的伸長達到1416mm，蒸發(fā)器也隨著后移，在移動過程中