核電不銹鋼焊接變形預防技術措施

楊建華

摘 要：防止、控制焊接變形是保證焊接質量的一項十分重要的課題，尤其是不銹鋼管道焊接接管座，因其壁厚存在一定的超差，內應力較大，導致母管管體在接管座區域凹陷，嚴重影響整體質量；常規的變形預防措施是控制施焊速度，防止焊接溫度過高而變形，但該方法難以控制，且施工效率大打折扣，采用管道內部布設支撐架或者外部夾板固定方法解決了變形預防難題，提高了施工效率。

關鍵詞：不銹鋼焊接；變形；支撐架；施工效率

前言

隨著社會的發展，安全需求是人們生活中最起碼的底線，人們對制造行業的質量要求日益提高，特別是核電領域，施工過程質量控制更是嚴格執行，不銹鋼焊接變形預防用常規的焊接方法已經無法滿足人們的基本要求，如何確保焊接質量，又保證施工效率？經過實踐，采用管道內部布設支撐架或者外部夾板固定方法攻克了這一難題。

1 核電站不銹鋼管道接管座焊接常規方法

水汽運行時因路徑改變會帶來更強大的沖擊力，所以設計院在考慮汽水管道需要旁路分支時，彎頭或者三通分支處壁厚均大于母管壁厚，以便系統安全正常運行。如臺山核電常規島除鹽水分配系統管道設計為不銹鋼，其分支、旁路設計采用了大量的接管座，管道設計為Pipe seamless.ASME B36.19M，DN150 sch-10s A312 TP304L 168.3×3.4，而接管座設計為Sockolet reduced weight type SW.MSS SP97，DN150×20 CL3000 A182 F304L，該接管座壁厚厚度達6mm，與母管管體厚度存在一定的超差。

不銹鋼管座焊接均采用全氬焊接方法，要求打底根部焊透，依次逐層填充，填充完坡口后還要填蓋出一定角度的加強面；常規管座焊接方法如圖1、2。

由于不銹鋼升溫快，受熱容易變軟，容易拉伸延展，管座焊接坡口填充金屬量較大，連續依次填充會使溫度上升極快，角焊縫間冷卻收縮變形會更大，因為接管座壁厚大于母管壁厚，導致不銹鋼母管強度不如接管座，焊接過程接管座會基本保持不變，強大的冷卻收縮力與應力將會使管道呈塌陷狀的變形；所以在施工過程中，針對該類型的接管座焊接時，為了控制變形，只能通過控制施焊速度，控制層間溫度，盡量多層焊接，減少熱量輸入，以達到焊接變形預防的目的。但是此焊接方式焊接變形控制難度高，且為了降低溫度，控制熱量輸入，而控制施焊速度，甚至出現等待溫度下降的情況，施工效率非常低。

2 不銹鋼接管座焊接焊道順序改變法

不銹鋼接管座焊接按照正常施焊層焊道順序焊接會產生較大的應力，變形較大，主要是因為接管座壁厚大于母管壁厚，應力收縮后，母管的抗拉力無法與接管座的抗拉力匹配而導致的接管座處凹陷變形，如通過改變焊道順序，使得熱量輸入偏向于接管座側，進而改變應力分配，將使得接管座與母管應力平衡，而起到緩解變形的作用。

不銹鋼接管座焊接焊道順序改變具體操作方法是讓填充金屬盡量先熔敷在節管座一側，而不按照正常施焊焊道順序（如圖3），這樣的好處是讓管座與管道暫時不熔敷在一起，收縮應力偏向于接管座側，應力不會使管道和節管座持續收縮，把填充的金屬依附在強度較大的管座上，最后再完善母管側的施焊，減少了總熱量輸入量，建立新的應力平衡，起到了控制變形的作用，基本控制方式及要求如下：

（1）不銹鋼接管座焊接時改變焊道順序，先對管座側進行施焊，再對母管側進行施焊。

（2）接管座為V型坡口，在盡量滿足接管座側優先施焊的前提下，需要考慮接管座與母管連接處后續的熔敷金屬能進焊道層。

（3）嚴格控制焊道層厚度，焊道層越薄，輸入的熱量及產生的收縮應力會越小，對變形的控制也越有利。

（4）攜帶紅外測溫儀在施焊過程中對層間溫度進行實時監控，一旦發現溫度超標，適當等待。

（5）安排施工時，考慮單個焊工同時對兩個不銹鋼接管座進行焊接，錯開施焊，控制熱量輸入。

此方法的弊端在于施焊人員無法正常評判施焊速度是否影響層間溫度過高，是否會在冷卻后凹陷，而只能焊焊停停，避免溫度過高而變形，施工效率大打折扣。DN20的不銹鋼接管座一天僅焊接3至4個，還無法保證是否需要重新校正。

3 支撐架法及外部夾板固定法

管道校正分冷校、熱校，其原理是冷態或者熱態情況下，通過外力對管道進行校正，不銹鋼管道接管座焊接變形預防措施也正是在此基礎上孕育而生，通過支撐架或者外部夾板固定方式，外力控制施焊過程應力收縮，以達到控制變形的效果。

支撐架法是采用管道內部布設支撐架，在接管座施焊前即布置在管道內部，接管座正下方，類似于千斤頂的作用，外力控制施焊過程應力收縮，防止凹陷，以此控制焊接變形，如圖4。

但該方法是在母管管徑較大，且接管座距離管口較近的情況下方可執行。

外部夾板固定法，是在上述方法的局限情況下進一步改進產生的，采用外部夾板與接管座點焊固定，夾板另一端頂住不銹鋼母管管體，外力防止接管座凹陷，以此控制焊接變形，如圖5。

此方法規避了支撐架無法放進管道內部的問題，在任何情況下均可采用此方法。

經過大量實踐證明，上述兩種方法實施于不銹鋼接管座焊接施工中，不銹鋼母管及接管座幾乎無變形、凹陷的情況，通過外力控制應力收縮，彌補消化焊道層間溫度過高引起的應力，從而在不用刻意控制施焊速度的情況下預防焊接變形，提高了施工工效。

該良好實踐實施之后，保證了工藝質量要求同時也省去了因嚴重變形需更換焊件而造成的人員機具材料的浪費，既省時又省力，且制作簡單，具有良好的應用推廣價值。

4 推廣前景及建議

結合改變焊道施焊順序，采取支撐架法或外部夾板固定法，經過大量的實踐證明，該方法解決了不銹鋼焊接變形預防的難題，在確保焊接施工工藝及質量要求的前提下，又能省時省力，提高施工效率，具備推廣的價值和意義，可廣泛地應用于電站、石化等領域的管道施工中。但該裝置僅為臺山核電施工人員手工制作，暫未批量生產專用工具，如夾板固定法中的夾板與接管座連接處，可以設計為螺紋頂絲，可以隨意調整距離，以便在接管座高度不同時使用。

參考文獻

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