核核電電管管系系的的焊焊接接自自動動化化研研究究

黃嵐，陳興東

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

核核電電管管系系的的焊焊接接自自動動化化研研究究

黃嵐，陳興東

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

核電再熱管及輔助管系為公司重要生產部件，焊接量大，形狀復雜，現多采用手工氬弧焊打底、半自動氣保焊填充方法焊接，生產效率低、焊接質量不高，文章通過對產品結構分析，提出各自適合于再熱管及輔助管系適合的自動焊方法，逐步實施，效果顯著。

核電管系，焊接，自動化

0 引言

隨著核電生產任務的日益加重，管系產量加大，管道焊接量成倍增長，隨著管道口徑的增大、焊接時間的增加，管道焊接工程向著高質量、高效率的自動化方向發展。

核電管系、汽輪機套裝油管路、燃機BOP有著大量的管道焊接，其結構大多為直管與彎頭等管件的焊接，焊后需進行RT、PT等無損檢驗，對內部成型、清潔度等要求極高，為了提高生產效率、提高RT一次合格率，最大限度地提高焊接自動化變得尤為重要。

公司2010年在焊接自動化開了個好頭，再熱管縱、環縫埋弧焊成功應用，大大提高了RT一次合格率，緩解了生產瓶頸；GSS厚壁管的管管自動焊投用，解決了耐熱鋼厚壁管的焊接問題，管道焊接自動化已取得了初步成效。

1 產品結構分析

1.1 再熱管

核電再熱管管道（見圖1）直徑較大（φ1 219～φ1 422），由δ14 mm厚鋼板卷制成筒體，焊接后再與彎頭等焊接而成，焊接量大 （其結構見表1），總計再熱管主焊縫長度約844 m；其中埋弧焊焊接工作量約為352 m；手工半自動焊接量約490 m；現縱縫已100%采用埋弧焊方法，環縫約50%采用埋弧焊方法，受結構限制，彎頭與筒體對接處及水壓試驗焊縫只能采用半自動焊方法。

圖1 核電再熱管

表1 再熱管結構 （以紅沿河3#為例）

1.2 核電輔助管系

核電輔助管系 （見圖2）的工作量以GSS管道為首，而GSS管道材料以耐熱鋼為主，其中管道1、2、3厚壁管較多，焊接量大 （見表2）；另ASME要求:壁厚＞19 mm的管道應進行100%RT探傷，對焊縫質量要求高，目前對壁厚＜10 mm、直徑較小的管道多采用全氬弧焊方法焊接，對＞10 mm的管道采用氬弧焊打底+氣體保護焊填充方法，其中可以上轉動臺位的采用管管自動焊或管道旋轉+雙脈沖氣體保護焊方法進行焊接，約占總焊縫的2/3，近期，在紅沿河1#GSS的生產中，經過工段的合理安排及施工人員的精心操作，焊接質量與效率有了較大突破，前景喜人。

圖2 核電輔助管系

表2 GSS結構 （以紅沿河3#為例）

2 管道自動焊思路

核電再熱管及輔助管系均為不規則曲面，注定無法實現全面自動化焊接，從2010年的埋弧焊及管管自動焊投入的初步嘗試中認識到:焊接自動化是提高效率及焊縫質量的主要途徑，要突破管道生產瓶頸，提高焊接自動化率是管道焊接的主要工作。

2.1 再熱管焊縫的全埋弧焊焊接

在2010年進行的埋弧焊工藝試驗中，已經完成了碳鋼、不銹鋼的全埋弧焊焊接工藝評定及焊工取證工作，只是在實施時還是先采用了氬弧焊打底+埋弧焊填充的方法，待操作者對埋弧焊的特性掌握并能熟練應用后再推行全埋弧焊焊接。在2011年2季度開始試用，若能全面應用，較氬弧焊打底效率可提高3～5倍。

目前石化及壓力容器行業，厚度小于20 mm的筒體拼接焊縫大量采用雙面埋弧焊焊接，效率高、質量穩定。雙面埋弧焊 （其坡口示意圖見圖3）就是在焊道正反面均使用埋弧焊焊接、利用電弧強大的熱能量和焊接熔深將母材熔化并結合焊材對焊縫進行填充、焊接過程不需要開焊接坡口、不需要清根的一種埋弧焊焊接方法。 其利用了母材高溫自熔的原理，大大減少了焊材填充及焊接熱循環次數，熱影響區更小。

圖3 雙面埋弧焊坡口示意圖

碳鋼、不銹鋼雙面埋弧焊工藝按ASMEⅨ進行了焊接工藝評定，均一次性通過。其中不銹鋼采用了φ3.2mm焊絲焊接，焊接線能量控制在20 kJ/cm以內，拉伸、彎曲、晶間腐蝕等性能數據均滿足標準要求。圖4、圖5為金相檢測照片。

圖4 00Cr18Ni10N不銹鋼雙面埋弧焊HV測試結果

圖5 00Cr18Ni10N不銹鋼雙面埋弧焊焊縫金相組織（奧氏體+7%δ鐵素體）

雙面埋弧焊因不開坡口，焊縫中心狹窄，為了保證焊絲對中性，防止焊偏，對埋弧焊設備進行了改造，縮小了機頭高度、增加了臂長、增加了紅外線跟蹤系統及攝像頭觀察裝置，焊接時在顯示器上根據紅外線點調整焊絲對中，保證焊接不偏心，從而保證焊接質量。

再熱管采用雙面埋弧焊的優點如下:

·不開坡口，刨邊費用可全部節省，節約刨邊工時約1 200 h；

·節約氬弧焊打底工時約500 h，清根及打磨工時節省約200 h；

·焊材使用減少約1/3，約100 kg，氬氣節省約200瓶；

·生產效率提高約50%，同時顯著縮減了轉運費用，提高了RT合格率。

·合計每臺份節省費用約60萬元。

目前正在推廣應用，效果良好。

2.2 再熱管全位置自動/半自動焊接工作站

除可以實現自動焊外，還有58條約200m彎頭與筒體間的環焊縫因工件無法旋轉而采用氬弧焊打底+半自動焊方法焊接，但手工焊效率低、質量差，RT一次合格率不理想。

本方案為筒體裝配定位焊后，采用STT管道+全位置半自動氣體保護焊，在工件上安裝軌道，使半自動氣體保護焊機頭沿軌道運行而實現全位置自動焊接 （其自動焊示意圖見圖6）。 此方案亦可用于φ≥300的輔助管系的全位置焊接。

圖6 全位置旋轉自動焊示意圖

此方法受筒體卷制精度的影響，運行軌跡受到影響，已有多家焊接設備制造商生產類似產品，如華恒、威奧等。

STT型CO2焊接技術基于短路液橋表面張力過渡 （Surface-tension-transfer）的理論，Linco In電器公司利用逆變焊機的高速可控性,采用波形控制技術研制了STT型CO2半自動焊機。該焊機工作于短路過渡方式,電源在一個過渡周期內根據不同電弧電壓值 （電弧狀態）輸出不同的焊接電流（見圖7）。t0～t1是短路前燃弧期,輸出基值電流50～100 A，其作用是保證電弧燃燒和提供熔滴長大的能量。t1～t2是短路前期,輸出電流為10 A；t3～t5是頸縮后期 (熔滴和焊絲分離之前)，輸出電流低于50 A。在這兩個階段要使電流減小，避免液橋爆斷引起飛濺，同時控制燃弧能量，改善焊縫成形。在t5時刻焊絲同熔池分離，電源立即輸出大電流，保證順利引弧；電弧引燃后，電流逐漸減小，在t7時刻回到基值電流。

圖7 STT型電源的電壓、電流波形

STT的主要優點:①焊接過程穩定 （干伸長度變化影響小），顯著地降低了飛濺，減輕了焊工的工作強度；②焊縫成形美觀，電弧產生的輻射和煙霧較少；③可降低小尺寸工件的熱輸入量；④采用向下焊接，對焊工操作技能要求不高，產品合格率高，容錯性高，再熱管坡口錯邊、有一定橢圓度的筒體打底焊效果良好，其優異的性能大大拓寬了CO2半自動焊的應用領域。

2.3 輔助管系自動焊工作站

管道的全位置焊接中其仰焊位、下坡焊位、立向上焊等位置焊接質量不易保證，盡量避免上述焊位，使工件旋轉施焊，哪怕是≤180°范圍內的旋轉，亦能大大降低操作難度，提高焊縫質量。從紅沿河1#GSS施焊中已證實了這一點。

經統計，約3/4的核電輔助管系的焊縫 （管件+直管）裝配后可以旋轉，經過試驗，采用了工件夾持于卡盤上旋轉，在3點鐘位置施焊，焊接設備采用Mellier脈沖焊機，取得了良好的效果，其RT一次合格率穩定在95%以上，生產效率提高1倍。

旋轉動力頭采用的是卡盤式動力頭，將鋼管穿入其中，將工件旋轉起來，且可以變位，方便直管與法蘭角焊縫焊接，在平焊位置焊接，減小焊接難度，提高焊接質量。氣保焊焊接工作站配備無線數控焊接工作站控制系統、焊接擺動器、輕型焊接操作架、變位機 （滾輪架），通過控制軟件實現模仿熟練焊工的焊接手法，以滿足各種焊接位置和焊縫形式。

圖8 輔助管系自動焊工作站

輔助管系自動焊工作站 （見圖8）配備GTAW及GMAW兩種焊接方法，前者用于打底焊，后者用于填率、蓋面，焊槍切換方便、快捷，設置專家焊接參數，減少人為影響，保證焊接質量，效率將提高50%以上。

2.4 厚壁管的自動埋弧焊

GSS管系中，壁厚≥10 mm的焊縫總長約400 m，焊材總量約700 kg，焊接量巨大，大多數直徑≥273 mm，公司在再熱管焊縫中埋弧自動焊應用成功，現已取得一定經驗，若在上述厚壁管氬弧焊打底后使用埋弧焊 （可360°旋轉部分焊縫），生產效率及產品質量將會有質的飛躍。

針對GSS厚壁管的材料，可以先進行各材料的焊接工藝評定，作好前期技術準備，現有的旋轉動力頭再配備埋弧焊機即可完成GSS厚壁管的埋弧自動焊。

3 結論

國內石化行業在管道自動焊方面發展較好，自動化率達到80%以上，甚至馬鞍型焊縫亦可實現自動化，應借鑒其先進經驗，逐步引進先進技術，不斷提高管道焊接的自動化率，減輕工人的勞動強度，提高產品質量及生產效率，爭取管道焊接自動化率提高至60%以上。

Study on Welding Automation of Nuclear Power Pipelines

Huang Lan，Chen Xingdong
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Nuclear power reheating pipelines and auxiliary pipelines which possess comp lex shapes and need a lot of welding me tals are important products for the company.At present,the backing weld usemanual argon arc welding process,and the filling weld use semi-automatic gas shielded arc weldingmethod.But these welding processes are low productivity,and the weld quality is not stable enough.Analyzing characteristics of the product structure,this paper proposes and implementes the suitable welding process for the reheating pipeline and auxiliary pipeline,and the effect is significant.

nuclear power pipelines,welding,automation

TG44

：B

：1674-9987（2014）01-0031-05

黃嵐 （1965-），女，大專，副主任工程師，畢業于四川工程技術學院焊接專業，主要從事特種焊接技術與工藝方面的研究工作。