AP1000核電廠凝汽器與低壓缸接缸焊接工藝及變形控制

陳 箭

（中電投電力工程有限公司，上海 200233）

AP1000核電廠凝汽器與低壓缸接缸焊接工藝及變形控制

陳 箭

（中電投電力工程有限公司，上海 200233）

凝汽器與低壓缸接缸焊接是AP1000核電廠常規島汽輪發電機組安裝的重要工序之一。海陽核電項目凝汽器與低壓缸具有體積大、連接焊縫長、焊接填充量大、氣缸前后未設計支撐而易變形、相對間隙過大等特點。文章針對可能出現的變形情況進行分析，并提出了解決方案。采用Ar+CO2混合氣體MAG焊工藝，同步實施多層多道對稱分段跳躍退焊法，并采取了全程變形監督控制等方案，提高了焊接效率，有效控制了焊接變形，減少了因焊接變形對缸體產生的影響。

凝汽器；低壓缸；接缸；焊接變形；MAG焊

海陽核電工程作為國家第三代核電技術的自主化依托項目，采用AP1000核電技術路線，核電機組采用中溫、中壓的參數設計；汽輪機采用了半速機形式，能顯著提高汽輪機的可靠性與機組的經濟性。該汽輪機設備具有體積大、質量重的特點，其結構特點、安裝工藝和工序均與常規全速汽輪機不同。

常規島汽輪機采用的是哈動-三菱重工聯合體設計、供貨的額定功率為1 250 MW、1 500 r/min、單軸、中間汽水分離再熱、四缸、六排汽、反動式凝汽式汽輪機。汽輪機由1個高壓缸和3個雙流低壓缸組成。低壓缸采用雙層缸雙流對稱結構，高、低壓隔板固定在缸體持環上。低壓缸是改良的雙層缸結構，因為其體積龐大，分為內、外缸，內缸為上、下半缸形式，外缸則上、下半缸又分成三片缸，現場拼裝，低壓缸落在基座上。每臺低壓缸下方配備1臺凝汽器，共計3臺。凝汽器的型式為單背壓、單流程、表面式、三殼體，冷卻水為海水，冷卻水設計溫度16 ℃，設計背壓3.89 kPa(a)，冷卻管管材為鈦管。3臺凝汽器布置在主廠房-9.5 m層TB-TD/T4-T7軸之間，凝汽器抽管朝向T.A排，凝汽器與低壓缸為焊接連接。1、2 號低壓加熱器各3臺，布置在凝汽器喉部。

低壓缸底部通過凝汽器過渡段補償節與凝汽器外殼連接，并與補償節上部焊接形成剛性連接，該連接焊縫起密封作用，低壓缸外缸隨著凝汽器一起膨脹。這種剛性連缸結構的設計，其低壓外缸與凝汽器連接中的焊接難點是，如何減小外缸立端面因焊接應力引起的變形量，使變形對汽輪機產生的影響減至最少，并確保嚴密性，以免造成蒸汽外泄。

1 接缸焊接具體情況

海陽核電一期1號常規島凝汽器補償節與低壓外缸連接布置形式如圖1所示，其中編號為1號、2號、3號、4號的焊縫為接缸焊縫。接缸焊接接頭具體連接形式如圖2所示。與其他機組相比，由于整體尺寸大、結構的厚度不一、支撐管及支撐板的數量也少， 所以結構整體的剛度較小，自由度較大；而焊接接頭采用的是單邊V形坡口的T形接頭（見圖2），并且在不同施焊部位將表現出極不均勻的相對尺寸，連接部位在不同施焊位置的相對間隙與設計值相差較大，部分位置的對口間隙超過設計值近4倍，整個焊縫的填充量比較大（見圖3）。另外經現場核實凝汽器過渡段補償節尺寸偏小，造成低壓缸外缸與凝汽器膨脹節頂板接口錯邊（見圖4）。

圖1 凝汽器與低壓缸具體位置圖Fig.1 Condenser and low pressure cylinder location

圖2 接缸示意圖Fig.2 Sketch of cylinder connection

2 焊接變形情況分析及初步方案

由于上述種種因素導致焊件在三維方向上的應力嚴重失衡。凝汽器與低壓缸焊接時，若焊接變形控制不當，將會導致安裝尺寸超標及整體變形，影響機組安裝質量及施工進度。焊接時如不采取必要的工藝措施，勢必在焊后產生較大的焊接變形。根據焊接變形理論及以往實踐經驗分析，變形的可能性主要有兩種：一是整個缸體繞中性軸產生偏移；二是結構整體在焊縫長度方向產生撓曲變形（上撓）。兩種結果都將嚴重影響汽輪機轉子的正常運行。出現較嚴重的結構變形后，即使修復也會由于變形造成汽輪機運行時，各向載荷分配不均而嚴重影響汽輪機組的正常、安全穩定運行。為此，針對凝汽器與低壓缸在施工過程中可能產生的焊接變形進行了分析，有針對性地提出了解決方案，合理選擇安裝焊接工藝方案，將會有效控制焊接變形，保證安裝質量。

焊接應力和變形是由多種因素交互作用而導致的結果。通常，若僅就其內拘束度的效應而言，焊接應力與變形產生機理可表述如下。焊接熱輸入引起材料不均勻局部加熱，使焊縫區熔化；而與熔池毗鄰的高溫區材料的熱膨脹則受到周圍材料的限制，產生不均勻的壓縮塑性變形；在冷卻過程中，已發生壓縮塑性變形的這部分材料（如長焊縫的兩側）又受到周圍條件的制約，而不能自由收縮，在不同程度上又被拉伸而卸載；與此同時，熔池凝固，金屬冷卻收縮時也產生相應的收縮拉應力與變形。這樣，在焊接接頭區產生了縮短的不協調應變（包含有壓縮塑性變形、拉伸塑性變形和拉伸彈性應變，或稱初始應變、固有應變）。

圖3 接缸焊接接頭間隙示意圖Fig.3 Gap between welded joints

圖4 接缸焊接接頭錯邊示意圖Fig.4 Misalignment of welded joints

與焊接接頭區產生的縮短不協調應變相對應，在構件中會形成自身相平衡的內應力，通稱為焊接應力。焊接接頭區金屬在冷卻到較低溫度時，材料回復到彈性狀態；此時若有金相組織轉變（如奧氏體轉變為馬氏體），則伴隨體積變化，出現相變應力。

隨焊接熱過程而變化的內應力場和構件變形，稱為焊接瞬態應力與變形。而焊后，在室溫條件下，殘留于構建中的內應力場和宏觀變形，稱為焊接殘余應力與焊接殘余變形。焊接結構多用熔焊方法制造，而熔焊時的焊接應力與變形問題最為突出[1]。

選擇合理的焊接方法和焊接工藝參數。能量集中和熱輸入較低的焊接方法，可以有效地降低焊接變形。用熔化極氣體保護電弧焊焊接中厚鋼板的變形比用氣焊和焊條電弧焊等焊接方法小得多。

焊接熱輸入是影響變形量的關鍵因素，當焊接方法確定后，可通過調節焊接工藝參數來控制熱輸入。在保證熔透和焊縫無缺陷的前提下，應盡量采用小的焊接熱輸入。根據焊件結構特點，可以靈活地運用熱輸入對變形影響的規律，去控制變形。例如具有對稱截面形狀和焊縫布置對稱的焊件，焊接每一條焊縫時焊接熱輸入應一致。如果焊縫分布不對稱，則遠離形心或中性軸的焊縫，采用分層焊接，每層用小輸入，把它對構件變形的影響降到最小[2]。

焊接過程中減小及控制變形的主要措施有：1）采用能量集中和熱輸入量小的焊接工藝方法；2）采用對稱焊接方式；3）對焊縫分段，并選擇合理的焊接順序；4）采用小錘錘擊中間焊道；5）采用反變形法；6）利用胎夾具剛性固定變形。根據設備的具體情況決定采用第1）至第4）項措施進行變形控制。

3 接缸焊接工藝及變形控制

經過對凝汽器與低壓缸接缸實際情況分析，制定出詳盡的接缸焊接工藝方案，確定如下原則進行施工：先進行凝汽器過渡段補償節頂板的堆焊工作，使接缸焊縫坡口的組對間隙減小到3～5 mm，最后統一進行接缸焊接工作。

3.1 凝汽器與低壓缸接缸前應具備的條件

1）對膨脹節進行檢查，應無裂紋；

2）凝汽器本身工作已經完畢，應處于自由狀態，不應有歪扭或偏斜，復核膨脹節高度應與圖紙設計相同；

3）汽缸首次找中完成后；

4）在全實缸狀態下進行低壓缸與凝汽器接缸焊接連接。

3.2 墊板安裝

接缸焊接接頭位置設計有δ=6 mm的墊板，使用墊板可防止根部焊縫的燒穿，減少背面焊縫的內凹，保證根部焊縫的成型質量，以便能得到全焊透的焊縫，利于提高焊縫質量。安裝墊板時應注意幾點：1）墊板安裝時應當緊貼母材鋼板不要留有間隙；2）墊板安裝之后沿墊板的上下兩側進行點固焊，點固焊長度暫定隔300 mm點固焊40 mm，點焊長度應適當長一些，當不能滿足要求時可以適當增加點固焊的密度。

3.3 凝汽器過渡段補償節頂板堆焊

能量集中和熱輸入較低的焊接方法能有效降低焊接變形，經多方對比分析，凝汽器過渡段補償節頂板堆焊及接缸焊接，宜采用熔化極混合氣體保護電弧焊MAG焊方式。它是在氬氣中加入少量的氧化性氣體二氧化碳混合而成的一種混合氣體保護焊。混合氣體的比例為80%Ar+20%CO2，由于混合氣體中氬氣占的比例較大，故常稱為富氬混合氣體保護焊。采用活性混合氣體作為保護氣體具有以下作用：1）焊接熱輸入量相對較小，利于焊接變形控制；2）提高熔滴過渡的穩定性；3）穩定陰極斑點，提高電弧燃燒的穩定性；4）改善焊縫熔深形狀及外觀成形；5）增大電弧的熱功率；6）控制焊縫的冶金質量，減少焊接缺陷；7）降低焊接成本；8）能獲得穩定的焊接工藝性能和良好的焊接接頭；9）提高焊接效率。

堆焊時僅焊接凝汽器過渡段補償節頂板與墊板，墊板與低壓缸處于相對自由狀態，堆焊所產生的焊接收縮力對低壓缸的影響相對較小。因此，由于堆焊時填充量不一致而造成的焊接拉伸力不一致問題對低壓缸的影響相對較小。

（1）設備

采用逆變直流MAG/CO2氣體保護焊機（型號NBC-400D IGBT），焊機采用獨特的高頻電感技術，焊接速度極快，焊縫小，焊縫成型極其平滑、平整；最突出的特點是穩定性、可靠性極強，惡劣復雜環境中抗干擾能力強；在焊接時，可自動調節送絲速度；特有的收弧技術，使收弧時，無結點、無凹坑。電流、電壓一元化，具有自動調整轉換功能。

（2）焊接工藝

以間隙為24 mm的焊接接頭為例，其具體焊道布置如圖5所示。

圖5 焊道布置圖Fig. 5 Layout of weld bead

（3）焊接分工分配方案

在無法使用反變形法及胎夾具剛性固定變形的情況下，一般都須采用對稱焊及選擇合理的焊接順序，使焊接變形減至最小。根據焊接殘余應力與變形形成的基本規律及實際情況，采取以下焊接分工分配方案：1）凝汽器與低壓缸接缸焊接，需4名焊工，每邊1名同時對稱焊接；2）編號為1號、3號的焊縫分別分為26段，每段330 mm；編號為2號、4號的焊縫同樣分為26段，每段400 mm；3）具體采取多層多道對稱分段跳躍退焊法進行施焊，具體分工、分段及施焊順序如圖6所示。

（4）堆焊焊接注意事項

1）焊接之前應進行焊接電流、電壓及送絲速度的校正，對相關的焊接參數進行匹配；2）堆焊過程中采用小錘錘擊中間焊道；3）堆焊焊縫為多層多道焊接，在每道焊接完畢對焊縫進行自檢，不合格時安排人員進行打磨，徹底清除焊縫表面缺陷（氣孔、夾絲、裂紋、氧化皮、飛濺等），并對焊縫成形差進行打磨；4）根部間隙過大時應合理控制堆焊焊縫寬度；5）合理控制堆焊焊縫的高度，防止間隙過小，以利于接缸焊接，以保證接缸焊縫根部質量；6）堆焊完成之后應對墊板與低壓缸外缸點固焊處進行檢查，若有開裂處應將原焊點打磨干凈之后重新進行焊接；7）堆焊完成之后對焊縫進行打磨，清除飛濺及焊縫表面缺陷再進行接缸焊接。

圖6 焊工分工、焊縫分段及焊接順序示意圖Fig.6 Sketch of welders’ labor division, weld seam segments and welding sequence

3.4 接缸焊接

（1）設備

采用逆變直流MAG/CO2氣體保護焊機（型號NBC-400D IGBT）。

（2）焊接工藝

具體焊道布置如圖5所示。

（3）接缸焊接注意事項

1）編號為2號、4號的焊縫在焊前應進行預熱，使用烤炬進行火焰預熱，預熱溫度100～150 ℃，遠紅外測溫儀測溫；2）預熱時應重點對低壓缸鋼板（δ=50 mm）進行預熱，墊板不要過度加熱，以防止墊板變形，導致點固焊焊點開裂；3）焊接過程中采用小錘錘擊中間焊道；4）合理控制接缸焊縫尺寸，焊縫有效厚度S應滿足：20 mm≤S≤28 mm；5）打磨時不要損傷母材及焊縫。

3.5 凝汽器與低壓缸接缸變形監督控制

在全實缸狀態下進行低壓缸與凝汽器連接，同時做好低壓缸變形監護工作，在每只低壓外缸底部架設9只百分表。編號為1、2、3、6、7、8的百分表布置于低壓缸兩側，其變形量不超過0.10 mm；編號為4、5、9的百分表布置于低壓缸外缸與低壓轉子之間，此處變形量不超過2 mm。百分表具體布置、安裝位置詳見圖7和圖8。安排專人對百分表進行全程監護，每隔1 h對每只百分表的讀數進行記錄，隨時對變形情況進行監督，當百分表的讀數在短時間內有較大的變化及變形量達到規定值的70%時，及時通知施焊人員暫停焊接，待變形恢復到常態時，再繼續進行焊接。

圖7 接缸百分表布置示意圖Fig.7 Dial gauge layout for cylinder connection

圖8 百分表安裝位置圖Fig.8 The location of dial gauge installation

4 工藝實施結果

1）焊縫經過100%的PT檢驗，全部合格，無任何線性缺陷，焊縫外觀成型照片如圖9所示。

2）經過測量，1號機組的3臺低壓缸LP1 、LP2和LP3在連缸焊接后各個方向的位置參數，都符合了設計的要求。LP1氣缸兩側最大變形量為0.04 mm，中心最大變形量為0.61 mm； LP2氣缸兩側最大變形量為0.07 mm，中心最大變形量為0.63 mm；LP3氣缸兩側最大變形量為0.03 mm，中心最大變形量為1.06 mm；達到了設計要求，并且遠低于要求的最大偏差值。

圖9 焊縫外觀成形Fig.9 The appearance of weld seam

5 結論

在海陽核電項目接缸焊接施工中，采用Ar+CO2混合氣體MAG焊工藝，同步實施多層多道對稱分段跳躍退焊法，并采取了全程變形監督控制等方案，減少了因焊接變形對缸體的影響，為機組的正常、穩定運行提供了保障，為全實缸軸系找中、汽輪機扣缸等后續工作創造了有利條件，同時對解決類似AP1000核電站常規島凝汽器與低壓缸接缸焊接變形問題也起到重要的指導作用。

[1] 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊第三卷[M].北京：機械工業出版社，2007.(Chinese Welding Society. Welding Handbook Vol. third[M]. Beijing：Machinery Industry Press，2007.)

[2] 陳祝年. 焊接工程師手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2002.(CHEN Zhu-nian. The Welding Engineer Handbook[M]. Beijing：Machinery Industry Press，2002.)

Welding Connection Technology and Deformation Control of AP1000 Nuclear Power Plant Condenser
and Low Pressure Cylinder

CHEN Jian
(CPI Power Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China)

Condenser and low pressure cylinder welding connection is one of the important processes for installation of turbogenerator of AP1000 nuclear power plant conventional island. The condenser and low pressure cylinder of Haiyang Nuclear Power Project have the following characteristics: large volume, long welding connection seam, large filling quantity of welding, easy deformation as the support is not designed for the front and rear part of the cylinder, big relative gap, etc. Hence, analysis of the possible occurrence of the deformation has been made, and accordingly solutions have been proposed. By using Ar+CO2mixed gas MAG welding technology, multi-layer multi-pass symmetrical segment-wise jumping back welding method was simultaneously carried out and by carrying out whole-process deformation supervisory control program, the welding efficiency has been improved, welding deformation has been effectively controlled, and the impact of welding deformation on the cylinder has been reduced.

condenser；low pressure cylinder；cylinder connection；welding deformation；MAG welding

TL35Article character：A

1674-1617(2014)04-0311-06

TL35

：A

：1674-1617(2014)04-0311-06

2014-07-24

陳 箭（1981—），男，山東濟南人，工程師，學士，主要從事核電廠焊接、熱處理工藝的研發和工程管理工作。