核電站主管道自動焊焊縫缺陷的返修研究

呂旭偉 馬立民 朱德才 康澤壇

摘 要：核電站主管道自動焊是一種先進技術，是三代核電站主管道焊接的首選技術。中廣核工程有限公司在壓水堆核電站主管道自動焊技術中開發了窄間隙、單層單道焊接工藝，該工藝較手工焊相比能顯著提高焊接質量和效率、降低工人勞動強度。在該工藝開發及現場實施過程中，由于其自身焊接特點，也會產生一系列缺陷。為確保焊縫質量，中廣核工程有限公司根據主管道特點、坡口形式以及缺陷特點等，研究和開發了壓水堆主管道焊縫返修技術。

關鍵詞：主管道 自動焊 手工焊 缺陷 返修

中圖分類號：TG409 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-000-02

The repair of primary coolant pipes automatic welding defect in PWR

LV Xu-wei MA Li-min ZHU De-cai KANG Ze-tan

（China Nuclear Power Engineering Company， Shenzhen of Guangdong Prov.518000， China）

Abstract：The primary pipelines automatic welding of Nuclear power plant is an advanced welding technology ， is the primary choice for the third generation of nuclear power plant for pipelines welding. China Guangdong Nuclear Power Engineering Co.， Ltd（CNPEC） in PWR nuclear power plant primary pipeline automatic welding technology develop narrow gap and single-pass welding process. The process can significantly improve the welding quality and efficiency， reduce the labor intensity， stable welding quality. In the course of process development and implementation， because of its welding characteristics， it will produce a series of defects. In order to improve the welding quality. According to the characteristics of primary pipe， groove form and defect characteristics etc . CNPEC research and develop the PWR primary pipe welding repair technology.

Key words：Primary pipelines automatic welding manual welding welding defect repair；

2007年10月，國家發改委能源局出臺的《核電中長期發展規劃2005—2020》中提出：到2020年，核電運行裝機容量爭取達到4000萬kw，核電年發電量達到2600～2800億kwh。目前，我國已開工建設的核電機組數量達到了27臺，在建機組數量居全世界第一。這意味著，我國核電建設工程已面臨大量的安裝任務。但是2011年福島核電站事故對在建核電敲響警鐘，國家此時積極出臺相關政策，暫緩核電建設，確保在建核電站的安全質量。

核電站主管道是連接核島主設備的大厚壁承壓管道，是核電站的“主動脈”，也是核電站的重要屏障，其材質為牌號Z3CN20-09M的奧氏體鐵素體不銹鋼，目前我們主要采用的窄間隙自動焊進行主管道的焊接，由于此焊接方法是窄間隙坡口，單層單道焊接，坡口兩側接近垂直狀態，在焊接過程中，發生未熔合缺陷的風險略有提高。主管道自動焊焊接質量直接影響電站的安全運行。通過PT、RT、UT等無損檢測方法進行焊縫缺陷的檢測，然后根據RCC-M標準對于主管道按一級焊縫的標準進行驗收，如果缺陷超標，必須采取相應的返修方案進行修補，確保現場質量。

手工焊寬坡口能夠讓焊條充分深入坡口內，便于焊工擺動焊條，易于操作。寬坡口由于坡口角度較大，坡口兩側有一定的傾斜狀態，因此在焊接過程中，坡口側壁能夠較好的熔合；但增加了焊縫金屬的填充量、成本、焊接時間，使得生產效率降低。手工焊的坡口寬，每一層的焊道數根據坡口的寬度來決定。

自動焊采用窄間隙坡口具有減小焊接的殘余應力和變形，提高焊接質量，減少填充量，降低生產成本。但是窄間隙坡口由于坡口角度較小，坡口兩側基本處于垂直狀態，因此在焊接過程中，焊縫搭接處不平整容易出現未熔合、氣孔等缺陷。

1 主管道自動焊常見缺陷分析

核電站主管道自動焊焊接的管子是大厚壁、大直徑的，且采用的是窄間隙的坡口，單層單道全位置進行焊接，相比普通手工焊坡口具有無可比擬的優越性。如：明顯減少焊縫填充量；提高焊縫力學性能等。然而全位置焊接對焊接的要求很高，且在很窄的坡口中實現無缺陷的焊接，難度是很大的。因此主管道自動焊也會出現一些缺陷：如夾渣、燒穿、表面成形不良、未熔合等。

1.1 表面缺陷：夾渣、夾鎢、燒穿、表面成形不良

夾渣、夾鎢：殘留在焊縫內的溶渣或非金屬夾雜物（氮化物、硅酸鹽）。因坡口或焊縫表面不干凈，層間清渣不凈，焊接電流過小，焊接速度過快，熔池冷卻過快，熔渣及夾雜物來不及浮起等原因導致。現場主管道焊接過程中，由于現場環境比較惡劣，浮塵比較多，每道焊接完成后需要進行焊縫表面的清理，如果清理不當，再進行下一道焊接時，就易出現夾渣缺陷，在起弧過程中，如果焊縫表面不平整、選擇參數和焊接過程行走不當導致鎢極觸壁，鎢極浸入熔池內，瞬間凝固在焊縫中即出現夾鎢缺陷。

成形不良：焊接規范不當或焊接操作不良，選擇參數過大或過小，造成焊縫成形不良缺陷，如燒穿、表面成形不良等缺陷。主管道自動焊焊接過程中，燒穿現象的出現往往是由于組對間隙較大，并且起弧時鎢極正好在間隙處；或者由于焊機軌道打滑，在進行上坡焊接時，機頭無法前行，在原地進行焊接，造成焊縫的燒穿。焊縫表面成形不良，往往是由于現場焊接時，上一道焊縫的表面不平整，或者選取的參數電流電壓偏小，而此時的焊縫寬度比較寬，在進行焊接時，兩側熔合不好，造成焊縫成形不良。

1.2 體積缺陷：氣孔、未熔合

氣孔：熔池冷卻凝固之前來不及逸出殘留氣體（一氧化碳、氫氣、氮氣）而形成的空穴。就主管道自動焊而言，氣孔也是比較常見的缺陷，它的產生往往是有以下因素產生的：

（1）保護氣受污染：由于氣瓶組之間是由接頭進行連接的，管線接頭在連接時，外界空氣或水汽易進入管線，在焊接時，易產生氣孔，為避免上述現象，往往在主管道焊接時，提前進行預氣，將不純的保護氣排出，再進行焊接。

（2）防風不利：主管道焊接過程中，

假設

有外界氣流的進入，造成電弧偏吹，易產生氣孔，另外焊接過程中人員的走動，焊機運轉時，自身的排氣扇排出的氣流離焊接區域較近，也易產生氣孔。因此現場焊接時，建立防風控制區，控制人員數量及走動頻率，自動焊焊機遠離焊接區，都能減少氣孔的產生。

（3）濕度影響：主管道焊接要求的濕度為90%，一旦現場濕度過大，導致焊絲受潮，焊接過程中也易產生氣孔。

（4）其他因素：焊絲及焊縫表面不干凈，存在油污，在焊接時也易產生氣孔，因此在現場焊接過程中，加強焊縫表面的清理，能夠有效的減少氣孔的產生。

現場常見的氣孔有單個氣孔、密集型氣孔、縮孔等。

未熔合：填充金屬與母材或填充金屬之間未熔合在一起。主管道自動焊焊接過程中，焊縫寬度比較大，此時輸入的電流電壓等參數比較小；焊接速度過快；導致焊縫兩側熔合不良，易出現未熔合缺陷，另外焊接時鎢極角度行走不當（焊偏），未在中間行走，也比較容易造成焊縫的一側出現未熔合，任何的未熔合均屬于不可接受的缺陷，因此現場為避免此類缺陷的出現，根據不同焊縫寬度設置下一道的焊接參數，對于較寬的焊縫，選擇輸入較大的焊接參數，增加其熱輸入，使熔池增大，進而使焊縫兩側完全熔合，除此焊接過程中要求焊接人員高度集中，確保焊接在焊縫中間進行，防止由于焊偏造成側壁未熔合缺陷的出現。

針對自動焊常見缺陷的出現，為確保質量，按照標準要求不可接受的缺陷就需要進行返修，因此一套完善的自動焊返修工藝對提高焊接質量起著至關重要的作用。

2 主管道自動焊焊縫返修工藝研究

由于主管道自動焊工藝自身的焊接特點，對于常見的缺陷判定有一定的標準，根據缺陷的類型及大小是否超標，需要依據RCCM S7714的驗收標準，判定缺陷為不可接受的，焊接接頭則需要進行返修。焊縫驗收標準如下：

主管道壁厚e為66 mm～95 mm的焊縫，以下為不可接受缺陷

任何裂縫、裂紋、未熔合（不完全熔合）、未焊透和咬邊；

所有單個氣孔在壁厚e>50 mm時，最大尺寸超過4 mm的氣孔；

在12 e或150 mm兩者中較小的長度上，任何線狀（或密集性）氣孔的累計直徑大于e；

所有單個夾渣在壁厚e>60 mm時，最大尺寸超過20 mm的夾渣；

在12 e的長度內，任何夾雜物累積長度超過e；

主管道自動焊技術為國內首次應用，國內核電建設均沒有主管道自動焊補焊經驗。由于采用窄間隙坡口及RCC-M特殊要求，自動焊焊縫補焊與傳統手工焊焊縫的補焊有較大區別。

對于主管道自動焊而言，國際和我國現行核電建設標準均不明確，對于主管道焊縫的返修要求，仍執行RCCM規定。RCCM-S7600中要求：焊縫返修次數不能超過兩次，焊縫返修長度不能超過焊縫全長的1/5，返修厚度不超過焊縫厚度的一半。由于主管道本身的特殊性，單純采用自動焊返修方案可能不能滿足現場施工需求，因此返修工藝研究中采取自動焊及手工焊兩種方案。

2.1 自動焊返修方案

（1）自動焊工藝返修：采用自動焊工藝對主管道自動焊焊縫進行補焊，挖除缺陷后加工出特定的坡口形式，再選擇原自動焊焊接工藝中焊接參數進行補焊即可。

（2）自動焊補焊實施時機是：在自動焊焊接過程中當在根部焊道以上發現缺陷時的修補和幾率很低的在最終焊接結束后根部焊道以上的外部補焊，但實施條件是：補焊長度不超過焊縫長度的1/5和補焊厚度不超過焊縫厚度的一半。

（3）自動焊補焊研究是通過自動焊工藝驗證試驗來說明自動焊返修的可行性的：

①我們采用自動焊焊接工藝的參數焊接一個工藝評定件，過程中加強控制；在焊縫表面標出缺陷位置。

②在已焊接完成的主管道工藝評定件上采用坡口機進行開槽缺陷位置，要求必須準確找到缺陷區域，架設返修坡口機。開槽形狀尺寸需要根據管壁厚度及外徑大小進行選擇，這也跟主管道各個焊口的坡口相匹配，所以針對現場各個主管道焊口厚度及外徑的不同，其開槽的尺寸也不同，具體如圖1所示，其中g、h在不同厚度的管的不同深度處均不同。

圖1 開槽尺寸示意圖

為了能夠加工出上述比較精密的數據，我們采用美國進口的返修坡口機設備進行開槽工作，采用其坡口機挖槽；優點是操作簡單，精確度高，速度快；能夠降低勞動力；缺點是需要精確找到缺陷位置，才能進行開槽，除此之外一旦返修，需要進行整圈的焊縫開槽，不能進行局部焊縫的返修。鑒于坡口機自身的特性，需要根據缺陷大小進行選擇此種返修方法。

③進行PT、RT等無損檢測確定缺陷已去除

④采用自動焊焊接工藝根據不同厚度采取不同焊接參數進行補焊已經開槽區域，如圖2。

圖2 自動焊補焊型式

⑤再次通過無損檢驗（RT、UT）檢測補焊焊縫全部合格。然后通過機加取樣，進行理化試驗，其各個檢驗項目也全部合格，說明自動焊焊接的可行性。

通過自動焊的補焊工藝驗證，說明主管道自動焊焊縫，采用自動焊焊接工藝返修是可行的。

2.2 手工焊返修方案

（1）手工焊返修自動焊焊縫：當采用手工焊工藝對主管道自動焊焊縫進行補焊時，在挖除缺陷后選擇手工補焊工藝評定中的焊接參數進行補焊。主管道焊縫手工焊返修工藝主要轉移嶺澳核電二期（LAII）手工焊返修工藝評定。

（2）手工返修的實施時機是：在根部焊道內存在超標缺陷，在焊縫最終焊接結束后在管道內部進行手工補焊和當選用自動焊工藝補焊將使該焊縫重新進行焊接并重新檢驗時的補焊。由于此工藝較為成熟，便于局部返修，因此自動焊焊縫如果是局部出現缺陷，采用手工焊返修是一種比較簡單易行的方法。

3 主管道焊縫返修的工程應用

在已成功實施自動焊的工藝試驗中，檢驗出的缺陷或顯示通過自動焊或手工焊返修工藝返修后，返修焊縫檢驗結果滿足標準要求合格，如：工藝試驗的焊口在進行15 mm探傷底片評定時發現一處長度

6 mm未熔合顯示，判定不合格，缺陷見圖3。根據缺陷位置，決定采用手工焊進行返修，從內部進行挖槽去除缺陷。返修完成進行相關的無損檢驗，全部合格。

圖3 缺陷分部圖

4 主管道焊縫返修研究的結論

通過對自動焊焊縫返修的研究及工程應用，得出目前自動焊焊縫的返修有兩種方法：自動焊返修和手工焊返修。兩種返修方案返修結果均能滿足標準要求。自動焊返修能夠大大減小勞動人員投入，但是其開槽要求精度高，不能進行局部返修，主要使用于大面積的缺陷的返修以及焊接過程中焊縫表面出現的缺陷的修補。手工焊返修能夠進行局部修補，操作簡單，但是需要投入大量的勞動力。所以在現場需根據缺陷的大小以及位置，靈活選用其返修方法。

自動焊和手工焊返修填補了國內現場自動焊接頭返修的空白，為自動焊在實際工程中的實施應用打下了堅實的基礎。