核電小口徑換熱管與管板的焊接技術

吳 崢，楊曾辰

（上海電氣電站設備有限公司上海電站輔機廠，上海 200090）

0 概 述

目前，AP1000核電技術是美國核管理委員會唯一批準的“第三代”核電技術，也是當前全球核電市場中最安全、最先進的商業核電技術。AP1000最大的特點就是設計簡練，易于操作，而且充分利用了諸多“非能動的安全體系”，既提高了核電站的安全性，也顯著減少了核電機組的投資額，同時還能降低核電機組的運行成本。

AP1000核電機組中的余熱熱交換器，是采用管子管板連接形式的熱交換器，管箱、管板、殼體均由法蘭連接。殼側部件的主要材料為SA－516Gr.70鋼板，管板材料為SA－182F316L的不銹鋼鍛件，管箱材料為SA－533BCL.1鋼板，U型管（1199根）材料為SA－213TP304L不銹鋼管。由于管箱中的介質為設備冷卻劑，因此，管箱的內表面均有不銹鋼堆焊層。此外，凡是與介質相接觸的部件，都采用不銹鋼材料制成。

1 課題來源

我公司承接了首臺AP1000正常余熱排出熱交換器的訂單，眾所周知，在熱交換器的制造中，管子管板的焊接技術尤為重要。現針對核級熱交換器中小口徑管子管板的焊接要求，研制了填絲自動焊等設備，制定了比較成熟的焊接工藝，也適用于其它換熱器的管子管板焊接。

2 設備選型及試焊

AP1000正常余熱排出熱交換器中換熱管的規格為?19.05mm×1.24mm，由于換熱管的管壁較厚，且排列緊密，以往管子管板焊接常采用手工加絲鎢極氬弧焊。焊接時，由于管口直徑小且要填加焊絲，故對焊工的技能要求較高。采用手工焊接時，焊縫的成形不會很規則，焊后的管口還有縮口現象，且縮口量參差不齊，很多管口需校正后才能插入脹管器，不僅增加了工作量，還直接影響了下道脹管工序的加工質量。

經過多次設備選型、調研、改進和試焊工作，確定了光感中心定位小口徑管子與管板焊接專用設備，解決了以往靠導向芯棒中心定位帶來的焊接方面問題。通過大量試驗及試樣解剖后的情況分析，確定了合適的焊接工藝參數，并完成了焊接工藝評定。通過對產品試樣的焊接試驗，提高了管子管板的焊接質量，減少了管口的縮口量，縮短了產品制造周期，并降低了焊工的勞動強度。

3 具有定位顯示的自動焊機

3.1 設備組成及特點

管子管板焊接設備由脈沖焊接電源、臥式機架、攝像槍頭及其他配件（焊槍遙控器、攝像頭控制箱）等部分組成。設備的組成及結構名稱，如圖1所示。在這套焊接設備中，焊槍不需要有定位芯棒，利用光感定位后，焊槍圍繞虛擬圓心進行管子管板焊接，可選擇繞圓心焊或過圓心焊。通過設定焊槍頭的不同位置，完成特定口徑的管子管板焊接。

圖1 管子管板焊接設備

（1）焊接電源

電源設備的焊接電流為230A、輸入電壓為380V，內置式循環水冷，可輸出高分辨率直流脈沖電流，具有電流漸變及弧長跟蹤控制，恒速或脈動行走及送絲控制，并可預編分段焊接參數，最大可分區間為32個，可儲存100個焊接程序，并帶有程序防更改的加鎖功能。

（2）臥式機架

通過電動或手動調節機架上焊槍在X、Y、Z軸的位置。焊槍在X、Y軸上的有效行程為1 000mm×500mm；配置了電纜管、冷卻水管及保護氣管；在臥式機架底部，有4個可調節高度的螺栓。

（3）焊槍及攝像槍頭

自帶利用光感定位的可變焦（6～25）攝像頭，可焊接直徑10～30mm換熱管管口。焊槍的最小旋轉半徑為50mm，具有360°旋轉功能，帶有可旋轉的自動送絲機構。

（4）焊槍還配置了遙控器，可設定起弧點。在攝像頭的控制箱面板上，集成了焊槍及攝像頭的操作鍵盤。

3.2 攝像定位的原理

通過焊槍上的攝像頭捕捉到的圓形管孔形狀，在焦距正確的情況下，影像與CCD靶面上的圓形圖形相吻合，然后以CCD圓形的中心為半徑點，焊槍圍繞此虛擬圓心旋轉并進行焊接。攝像機與CCD靶面的相對位置，如圖2所示。模擬成像的過程，如圖3所示。

圖3 模擬成像的過程

根據初步試驗，基本掌握了攝像頭定位的特點，由于該設備的定位方式不同于傳統的管子管板焊機，傳統管子管板焊機是將芯棒插入管孔，以芯棒作為定位中心，焊槍圍繞芯棒旋轉并進行焊接，而新設備是用攝像頭捕捉并存儲管孔形狀的圓心，再圍繞虛擬圓心旋轉并進行焊接。焊槍可選擇繞圓心或過圓心的旋轉方式，焊槍的2種焊接形式，如圖4所示。在初步試驗中，采用過圓心和繞圓心的焊接方式，對2組試樣進行了焊接。焊后，對試樣進行了解剖，發現采用過圓心的焊接方式，焊縫根部的熔透情況很好，管口的縮口量也小。經分析，采用過圓心方式焊接時，由于焊接電弧吹向管板坡口，使管板坡口上的熔敷金屬較多，而采用繞圓心的焊接方式時，則熔敷金屬容易流入管口內側，造成管口的縮口量較大，特別是進行第二道填絲焊時，管口的縮口情況尤為明顯。因此，隨后的試樣焊接將采用過圓心的焊接方式。

圖4 焊槍的2種焊接形式

4 產品應用

在AP1000正常余熱排出熱交換器中，換熱管的材料采用SA－182F316L，管板材料為SA－213 TP304L。換熱管材料的化學成分，如表1所示。管板材料的化學成分，如表2所示。采用的焊接材料為：焊絲選用ER316L，直徑為0.8mm。焊絲的化學成分，如表3所示。管子管板的結構形式，如圖4所示。在管子管板焊接時，第一道熔化焊配合低弧壓，可使管板倒角處與管子之間的根部焊縫充分焊透，第二道配合相對較高的弧壓，可方便填絲焊并堆高焊縫高度，如圖5中詳圖所示。在選擇電流大小時，考慮到焊接熱輸入對接頭溫度的漸變影響，在園周上分3段（等分360度），將電流從高到低進行漸變。管子管板的焊接參數，如表4所示。

表1 換熱管材料的化學成分 （%）

表2 管板材料的化學成分 （%）

表3 焊絲的化學成分 （%）

圖5 管子管板的結構形式

表4 管子管板的焊接參數

選擇管子伸出管板的合理尺寸，設置正確的鎢極與管口的相對位置（起弧點設置），對接頭根部的焊透效果和控制縮口量尤為重要。管子伸出管板坡口根部0.3～0.8mm為最佳，若此數值≥1mm或≤0.2mm則可能導致未焊透或焊接高度不夠。

通過試驗發現，管子管板自動焊要優于手工鎢極氬弧焊。自動焊接的焊縫成形及焊接質量較穩定，管口的縮口量也得到了控制。而且，在排列緊密的核級熱交換管板上，能夠實現填絲自動焊焊接，不受焊工技能的限制。利用自動焊接，不僅可提高焊縫質量，還降低了焊工的勞動強度。自動焊的管口縮口量比手工鎢極氬弧焊的縮口量小，所以，在管子脹接前，無需對大多數管口進行校正，縮短了加工周期，提高了生產率。

5 結 語

經過前期試驗，并對模擬試件進行了焊接，掌握了?19.05mm×1.24mm管子與管板自動焊的操作特點，確定了焊接工藝參數。通過對焊接接頭的無損檢測和各項理化性能試驗，測試結果均能滿足AP1000正常余熱排出熱交換器技術規格書中的要求。這種焊接方式，在產品制造中得到了應用，產品也順利地通過了水壓試驗。