AP1000穩壓器垂直支撐增強結構焊接施工

李　輝，孫學峰，顏廷海

AP1000穩壓器垂直支撐增強結構焊接施工

李輝1，孫學峰1，顏廷海2

（1.國核工程有限公司，上海200233；2.中國核工業第五建設有限公司，上海201512）

以AP1000機組穩壓器垂直支撐增強結構為研究對象，論述和研究其結構特點、材料的焊接性、施工環境等，找出重點和難點。焊前應確保坡口區域干燥并及時清除工件及坡口區域的鐵銹、灰塵等雜物；采取合理的預熱，采用低氫型焊材，焊后緩冷，可有效防止產生冷裂紋；采用電加熱的方式優于火焰預熱，其溫度分布均勻、穩定、溫差梯度小；充分利用結構剛性配合防變形工裝，采取對稱焊、分段焊，并控制焊接參數、焊道排布和順序等是控制焊接變形的有效方法。

穩壓器；垂直支撐；變形控制；焊接工藝

0　前言

穩壓器是核島反應堆冷卻劑系統的主設備之一，為安全Ⅰ級、抗震Ⅰ級設備。AP1000物項分級為最高級別A，其通過波動管與主回路熱段相連，每個反應堆設置一臺穩壓器，其支撐結構主要是承重、保持穩壓器的穩定性，并能夠承受地震或事故狀態下產生的動態載荷，從而使穩壓器保持在規定的范圍內；其焊接質量關系到整個支撐結構的服役周期，更關系到整個核電站的安全。AP1000穩壓器垂直支撐增強結構緊湊復雜、板材厚，焊接變形控制難度大，同時也受施焊空間、混凝土耐受溫度等實際條件限制和影響，導致其焊接施工難度進一步加大。

1　研究背景及工程概況

支撐結構的核等級為核Ⅰ級，主要基于ASMEⅢNF設計，設計壽命60年。支撐組件主要包括上部和下部兩大部分支撐結構，為確保穩壓器的整體穩固性，在穩壓器的上部設計有一套環梁，環梁上布置了水平支撐與墻體連接，以保證上部的穩固性；在下部設計底部支撐組件，通過水平支撐組件連接，保證了穩壓器底部在水平方向上的穩固性，底部支撐生根于混凝土內，主要作用是承重、傳遞載荷并保持穩壓器整體的穩定，如圖1所示。

圖1　穩壓器底部支撐示意

垂直支撐基礎主要采用焊接拼裝、鋼筋混凝土固定的方式。設計方在原有支撐基礎上進行了設計變更，通過增加延長板、增加結構焊縫及增強混凝土基礎的方式，以達到提升支撐強度的目的，如圖2所示。底部支撐使用的主材均為ASTM A588 GR.B，焊接形式具體概況如表1所示。

圖2　涉及焊接的新增結構示意

表1　穩壓器底部支撐增強結構焊縫

2　結構特點及難點

2.1結構特點

設計上采用工字鋼配合鋼板組合的方式，降低了整體結構的重量，也確保了良好的強度和剛性。增強結構主要通過對稱增加延長板、側擋板等來固定和加強。特點是板厚較厚，已存在基礎的剛性和拘束度較大，焊接時無法自由收縮和變形。在焊縫設計方

面，基本采用對稱設計，無交叉重疊焊縫，避免了焊縫應力過于集中的問題；但焊縫排布較多且緊湊，增加了整體部件的熱量輸入頻次，增加了焊接變形控制難度和導致混凝土開裂的風險。

2.2施工環境[1]

（1）溫濕度影響。

水分中含有氫元素，氫元素的含量和分布直接影響焊接接頭的脆性轉變和延遲裂紋的發生發展，對焊接質量危害很大。經實測一周數據，溫度約為6℃，濕度為66％～80％RH，基本符合焊接要求。但由于海邊潮氣大，部分工件表面容易形成凝集水，然而鋼材ASTM A588 GR.B依據標準ASMEⅢNF的要求必須進行強制性預熱。因此，可以消除凝集水的影響。

（2）風和光影響。

在核島房間內施工，相對較為封閉，風的因素可不考慮，但自然光線不足，需要架設多處照明。

（3）焊件清潔度。

基礎表面有一些灰塵、油漆、鐵銹等，這些物質可能會影響正常的化學成分和元素含量，增加焊接接頭產生缺陷的幾率。應在焊前及時清除相關雜物，保證焊件清潔度，滿足焊接工藝要求。

2.3施工難點

結合現場實際條件分析，焊接施工的難點主要體現在焊接操作空間受限、焊接變形控制和焊接溫度控制難度大等方面。

（1）操作空間受限。

房間內四個支撐基礎排列緊密，兩個相對支撐間距不足2 m，最多僅可允許兩名焊工同時施焊；兩個相鄰支撐邊角的距離不足1 m，部分構件無法同時施焊。對于延長板焊縫，原則上應采用雙面焊有利于控制焊接變形，但由于下部空間受限，無法進行背面清根和背面焊接，只能采用單面焊接，整體的控制難度更大。

（2）焊接收縮變形控制。

角焊縫的變形控制相對較為容易。基礎板及延長板焊縫為全熔透坡口，厚度50 mm，變形控制較難。根據設計文件，延長板的最終水平度應為±2 mm以內，由于只能進行單面焊，勢必會產生較大的收縮和變形。

（3）焊接施工邏輯[2]。

4個支撐基礎基本不能夠同時施焊，給施工進度帶來較大制約；在局部空間內，需要綜合考慮防變形工裝的布置、電加熱片的布置、混凝土溫度控制等多方面因素，才能夠制定合適的施工邏輯。

（4）混凝土耐受溫度限制。

經現場實測，混凝土距延長板焊縫較近，熱量過大，可能導致混凝土損傷、混凝土彈性模量和抗壓強度降低，形成薄弱區域，嚴重時可致混凝土開裂。

3　材料焊接性

3.1材料及焊接性

3.1.1母材焊接性

穩壓器底部支撐選用母材為ASTM A588 GR.B，是一種耐大氣腐蝕的高強度低合金鋼，在ASME中的分組為P-NO.3-1，廣泛用于各種耐候建筑結構件、橋梁輔助結構件等方面。在AP1000中主要應用在主設備支撐結構上，其標準要求和實際供貨的化學成分如表2所示。

表2　ASTM A588 GR.B化學成分標準值和供貨值％

該鋼中合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Cu、V等，V的加入可以起到細化晶粒和沉淀強化的作用，其他元素均屬于固溶強化，這些元素的加入在提高鋼的強度的同時，也削弱了鋼的焊接性[3]。

鋼材的碳鋼量越大，淬硬傾向越大，焊接熱影響區的冷裂傾向也越大，鋼材的焊接性越差，所以用鋼材的碳當量可以大致評價鋼材的焊接性[4]。

根據國際焊接協會推薦的用于評定低合金鋼焊接性的碳當量公式：

計算出實際到貨的ASTM A588 GR.B的碳當量約為0.41％，鋼的碳當量在0.40％～0.60％區間內存在一定的淬硬和冷裂傾向。

3.1.2焊接材料

ASTM A588 GR.B的力學性能如表3所示。在焊材的選擇上，為確保焊縫的性能與母材匹配，可選焊材如表4所示。

表3　ASTM A588 GR.B力學性能

表4　WEC推薦焊材

綜合現場實際工況考慮，選用焊條電弧焊工藝，其焊接設備簡單、適應性強、操作靈活、可達性較好；焊條可選用超低氫焊條E7018 H4，以確保較低的擴散氫含量。

3.2焊接工藝評定

后熱處理和焊后熱處理溫度過高，存在影響混凝土開裂的風險。按照ASME規范案例N-71-18，厚度不大于102mm的A588 Gr.B材料，焊條的焊縫金屬擴散氫要求滿足H4限制，38 mm以上厚度預熱溫度達到121℃，且在最低服役溫度下的沖擊試驗達到以下要求時可免于焊后熱處理。因此焊接工藝上需考慮制定合理的預熱溫度。

（1）根據ASMEⅢNF，預熱溫度大于等于121℃，可擬定溫度在135℃～150℃，不會影響混凝土。

（2）焊接過程熱輸入是無法避免的，可能會超出混凝土耐受溫度，需要控制熱輸入和層間溫度。進行焊接工藝評定時，電流參數應小于等于125 A，層間溫度小于等于200℃，盡量保持較小的熱輸入。

4　坡口設計

延長板焊縫無法實施背面清根或襯墊的去除工作，考慮采用單面焊并增加永久性、可熔性襯墊。坡口設計為復合型坡口，如圖3所示。

5　防變形工裝設計

利用結構剛性是控制焊接變形的有效方法。設計工裝如圖4所示，使用千斤頂配合，選材上采用一體式的碳鋼厚板（30 mm）。特點是承載能力更強，過程控制更方便，可均勻地分散力的作用點，工裝設計采用對稱思路，能夠滿足兩端同時施工，提高工作效率。

圖3　延長板坡口設計

圖4　工裝設計

6　過程控制

6.1焊道排布及焊接順序

打底焊時，延長板的變形最為敏感，自由度較大。因此，第一道焊縫從基礎板開始，最后一道與延長板焊接，以降低延長板的受熱，后續每層焊道依次類推。對整條焊縫進行分段焊，盡量確保熱量分布均勻。接頭錯開50 mm，也可根據實際情況調整，如圖5所示。

圖5　分段跳焊法

6.2焊接及層間清理

焊接時充分利用工裝和鋼筋的間隙和工裝上部空間，焊工可使用內磨機和大尺寸的磨光機、扁鏟等配合進行清理。

6.3收縮變形監控措施

在焊縫長度方向上均勻設置三個測量點進行角變形和橫向收縮量監測。具體操作如下：

（1）在根部、焊縫厚度15 mm及以下，每層測量三組變形量和收縮量數據。

（2）焊縫厚度15～45 mm，每層焊縫測量三組收縮量和變形量數據。

（3）焊縫厚度45mm之后，在反變形剩余2～4mm時撤出千斤頂，蓋面焊縫自由收縮。

（4）橫向收縮數據受角變形影響，測量數據僅作為參考，實際的監控可通過直接觀察螺栓孔位移變化。

7　產品焊接及過程控制

7.1組對

7.1.1延長板組對

延長板坡口采用復合型坡口。實際施工中，8個延長板都預留9.5 mm反變形，收縮量預留約4.9 mm，根據焊接工藝規程中的參數，派具備資質的焊工進行點焊，點焊長度約50～60 mm，間隔100～150 mm，均勻分布。

7.1.2楔形塊坡口加工及組對

楔形塊厚度40 mm，若采用單面焊單V，不利于焊接變形控制。為良好地控制焊接變形、確保焊縫質量，選用45°±5°的K形坡口，鈍邊加工控制在2.5～5.0 mm。楔形板斜邊焊縫完成后，采用人工打磨的方式對直角邊坡口進行打磨，然后與新增側擋板進行組對，如圖6所示。

7.2焊接過程控制

7.2.1焊接參數及順序

現場施工時，條件更加復雜，空間進一步受限，所有焊縫均依據WPS的參數進行焊接，主要采用雙人對稱焊，兩名焊工使用焊接電流的差值控制在2 A以內，焊接速度盡量保持一致，打底、填充、蓋面的施工節奏保持統一。

在焊接順序方面，角焊縫和延長板焊縫均采用分段焊，延長板焊縫的焊道排布從基礎板一側焊起，依次向延長板坡口側排布，以降低延長板的受熱。楔形塊焊縫較短，先在內側進行三層打底，在外側進行清根后，內外交替焊接。

7.2.2預熱及溫度控制

符合技術要求的同時，采用火焰配合電加熱的方式，預熱溫度控制在150℃，盡量減小溫度和熱量的輸入并進行焊后緩冷。預熱和焊接過程中，在混凝土表面布置一層隔熱棉，用紅外線測溫儀分別對混凝土和坡口區域進行溫度監控，經實測基本都保持在100℃以下。

圖6　楔形板直角邊組對

7.2.3收縮變形控制

實際施工中，延長板焊縫填充和蓋面層采用電加熱的方式，焊后保溫棉不立即去除，進行緩冷，總體效果良好。過程中控制角變形和收縮量，根據測量數據對工裝進行加載。

焊縫冷卻后，延長板水平度為-0.3～0.8 mm，螺栓孔偏移約3 mm，沒有碰到螺栓，如圖7所示。已完成焊接的延長板滿足設計要求，進一步驗證了工藝和防變形措施的有效性。

圖7　已完成的延長板焊接

8　結論

（1）焊前應確保坡口區域干燥并及時清除工件及坡口區域的鐵銹、灰塵等雜物，可大大降低產生缺陷的幾率。

（2）采取合理的預熱，采用低氫型焊材，并焊后進行緩冷，可有效防止冷裂紋的產生；采用電加熱的方式優于火焰預熱，其溫度分布均勻、穩定、溫差梯度小。

（3）采用多層多道焊、較小的熱輸入，可改善焊縫組織，細化晶粒，獲得良好的低溫沖擊韌性。

（4）充分利用結構剛性配合防變形工裝，采取對稱焊、分段焊，并控制焊接參數、焊道排布和順序等是控制焊接變形的有效方法。

[1]王繼紅.施工現場環境對鋼結構焊接質量的影響[J].電焊機，2009，39（3）：70-73.

[2]喬為國，陳杏環.鋼筋焊接熱對混凝土的影響研究[J].世界橋梁，2012，40（2）：73-76.

[3]劉山，厲福海.A588 GR A低合金高強鋼焊接性研究及應用[J].科技創新與應用，2013（18）：74-74.

[4]劉華松.高強度耐候鋼的焊接[J].機車車輛工藝，2006（6）：10-12.

AP1000 pressurizer vertical support reinforcing structure weld

LI Hui1，SUN Xuefeng1，YAN Tinghai2
（1.State Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China；2.China Nuclear Industry Fifth Construction Co.，Ltd.，Shanghai 201512，China）

Taking the AP1000 unit vertical support enhancement structure as the research object，this paper discusses and studies the structural characteristics，the welding property of the material，the construction environment，etc.，to find the key and difficult points. Before welding shall ensure that the groove dry areas and the timely removal of the workpiece and the groove region of rust，dust and other debris；take reasonable preheating，using low hydrogen welding materials，welding and after slow cooling，can effectively prevent the generation of cold crack；using electric heating method is better than the flame preheating，the temperature distribution is uniform and stable，small temperature gradient；make full use of the rigid structure with the anti deformation tooling，take symmetric welding，subsection welding and control welding parameters，weld layout and order is an effective method to control the welding deformation.

pressurizer；vertical support；deformation control；welding procedure

TG457

B

1001－2303（2016）01－0062-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.14

2015-01-04；

2015-09-07

李輝（1980—），男，山東威海人，工程師，碩士，主要從事焊接施工、技術與質量管理工作。