螺柱焊在三代核電工程結構模塊中的應用

唐 識，張俊寶，董永志

（1.國核示范電站有限責任公司，山東榮成264312；2.上海核工程研究設計院，上海200233；3.山東核電設備制造有限公司，山東海陽265100）

螺柱焊在三代核電工程結構模塊中的應用

唐 識1，張俊寶2，董永志3

（1.國核示范電站有限責任公司，山東榮成264312；2.上海核工程研究設計院，上海200233；3.山東核電設備制造有限公司，山東海陽265100）

介紹了螺柱焊在三代核電工程結構模塊中應用前的準備，包括螺柱焊焊接方法選擇、人員資格、設備選型、焊接工藝等方面的準備工作；描述了螺柱焊的焊接和返修要求；總結了結構模塊螺柱焊常見缺陷、缺陷產生原因及解決措施以及影響螺柱焊質量的六大因素和焊接質量控制方法。為后續三代核電工程結構模塊施工準備、焊接和質量控制提供參考。

螺柱焊；核電工程；結構模塊

0 前言

模塊化施工是三代非能動核電的主要特點之一，模塊化施工引入了大量的模塊作業，采用車間預制、現場組裝和整體吊裝的方法，改變了傳統鋼筋混凝土墻體施工的現場密集型作業，縮短了建造工期。

在三代非能動核電機組中采用了大量的結構模塊代替傳統的棒式鋼筋綁扎和模板材料支設，結構模塊分為CA結構模塊、CB結構模塊、CS樓梯模塊、CH鋼平臺模塊，上述四種結構模塊中與螺柱焊相關的結構模塊為CA結構模塊、CB結構模塊[1]。典型的CA、CB結構模塊由剪力釘（螺釘）、起支撐或連接作用的角鋼或槽鋼、鋼板等組成，如圖1所示。

圖1 典型結構模塊Fig.1Typical structure module

1 螺柱焊應用前準備

1.1 焊接方法選擇

螺柱焊是將金屬緊固件（如螺栓、螺釘等）通過采用不同的焊接熱源加熱焊接到另一構件平面或曲面的工藝方法。螺柱焊接的方法有電弧焊、電阻焊、摩擦焊或其他適當的方法。

根據所用焊接電源和接頭形成過程的差別分為電弧螺柱焊、電容螺柱焊和短周期螺柱焊三種基本形式[2]。選擇螺柱焊接方法必須根據被焊工件的厚度、材質和緊固件（螺釘或螺柱等）尺寸等因素綜合考慮[3]。

（1）螺柱直徑d。螺柱直徑大于8 mm的一般為受力接頭，適合采用電弧螺柱焊接方法，該方法可以焊接的螺柱直徑一般為6～30 mm，母材厚度3～30 mm，但對于螺柱直徑8 mm以下通常采用電容螺柱焊或短周期螺柱焊更合適。

（2）工件厚度δ。工件厚度δ和螺柱直徑d有一定的比例關系，電弧螺柱焊d/δ=3～4，電容螺柱焊和短周期螺柱焊d/δ=8～10，所以3 mm以下的最好采用電容螺柱焊或為短周期螺柱焊，不宜采用電弧螺柱焊。

（3）材料性質。對于碳鋼、不銹鋼及鋁合金，電弧螺柱焊、電容螺柱焊及短周期螺柱焊都可以焊接，但對于鋁合金、銅及涂層鋼板或異種金屬材料最好選用電容螺柱焊。電容螺柱焊有三種焊接方法，選用時要注意到它們對不同金屬材料適應的程度略有區別。

綜上所述并結合三代核電工程中的結構模塊所用的材質（螺釘和母材為碳鋼和不銹鋼）、母材厚度、螺柱直徑以及實施空間條件和環境等多方面因素，三代核電工程結構模塊螺柱焊選擇電弧螺柱焊方法。

另外考慮到現場核電結構模塊因螺柱焊不合格，現場位置不能滿足螺柱焊空間位置要求時，通常選用焊條電弧焊進行螺柱補焊。

1.2 焊接設備

電弧螺柱焊機由焊接電源、控制器、焊槍、地線鉗、焊接電纜等部分組成。在螺柱焊焊接方法確定的情況下，承包商應根據選用的電弧螺柱焊方法選擇與之匹配的螺柱焊接設備。

目前國內生產電弧螺柱焊機的廠家比較多，都已經有系列產品。因此，承包商在焊接設備選擇時要綜合考慮焊接設備環境的適應性、螺柱焊接設備的重量、外形尺寸、焊接參數的可調性和焊接參數是否可精確設置等。

1.3 焊接材料

三代核電工程結構模塊所用的墻板母材主要為碳鋼的A36和雙相不銹鋼的S32101，所用的碳鋼螺釘材質為ASTM A108，不銹鋼螺釘材質為ASTM A276-316L。根據設計要求，碳鋼螺釘可以焊接在碳鋼或不銹鋼鋼板上，不銹鋼螺釘焊接在不銹鋼上[1]。

1.4 人員準備

凡是參加結構模塊焊接人員（焊接和無損檢測人員）必須經過承包商質保、安全和技能培訓，并按照相應的考核標準考核合格取得上崗資格證，方可從事結構模塊的焊接。

另外，為了保證結構模塊焊接質量和考核焊接人員實際操作能力，承包商焊接人員在結構模塊焊接前，通?？偝邪鼏挝粫款^組織核電工程業主、監理和承包商等單位對參與結構模塊焊接的人員進行實際操作考核，只有通過實際操作考核的焊接人員方可進行正式產品焊接。

1.5 焊接工藝

焊接工藝準備是指在確定的焊接方法、焊接設備和焊接材料的情況下，選用認可的焊接工藝評定標準和焊接人員進行焊接工藝評定試驗，通過焊接工藝評定試驗驗證承包商能否按照焊接工藝評定標準要求焊接出合格產品的能力。

三代核電工程結構模塊螺柱焊常選用的焊接工藝評定標準有：美國的鋼結構焊接規范AWS D1.1，不銹鋼焊接規范AWS D1.6或美國的ASME鍋爐，壓力容器規范國際性規范《焊接和釬焊評定》（AMSE-IX）。

在此以AWS D1.1標準為例，明確螺柱焊焊接工藝評定要求以及焊接工藝評定過程中的注意事項。

（1）焊接工藝評定位置確定。

根據AWS D1.1標準對螺柱焊焊接工藝評定要求并結合核電工程中結構模塊材質、焊接位置、焊接方法以及設計對螺柱焊焊接工藝評定要求等方面綜合考慮，核電工程結構模塊螺柱焊現場焊接工藝評定必須完成的位置和項目如表1所示，螺柱焊焊接工藝評定位置如圖2所示。

表1 焊接工藝評定項目Tab1Welding procedure qualification project

圖2 螺柱焊焊接工藝評定位置示意Fig.2Sketch map welding procedure qualification of stud welding

（2）焊接工藝評定數量。

根據AWS D1.1標準對螺柱焊焊接工藝評定和上游設計要求，采用推薦的焊接工藝和參數，每組螺柱焊焊接工藝評定應以恒定的最佳時間相繼焊接30個試樣（其中取10個試樣進行拉伸試驗，另外20個試樣進行彎曲試驗）。

（3）試驗要求及方法[4]。

按照AWS D1.1標準對螺柱焊焊接工藝評定試件力學性能檢驗要求，每組螺柱焊焊接工藝評定試件應進行拉伸和彎曲（或扭轉）試驗。

彎曲試驗方法應滿足AWS D1.1第7.6.6.1節要求，如果螺柱從原軸線被彎曲成約90°而斷裂不發生在焊縫上（斷裂在鋼板或螺柱上），則認為螺柱焊的焊接工藝評定試件彎曲試驗合格。

拉伸試驗方法應滿足AWS D1.1第7.6.6.3節要求，如螺柱焊的焊接工藝評定試件（螺柱）斷裂不發生在焊縫上，則認為螺柱焊的焊接工藝評定試件拉伸試驗合格。

2 螺柱焊焊接

2.1 焊前準備

（1）結構模塊螺柱焊質量計劃（ITP）開啟。

為了保證結構模塊制造、焊接過程中的質量可控，承包商應在結構模塊螺柱焊接前開啟焊接質量計劃，并報核電工程業主、總承包單位、監理等審查，確定各相關單位在結構模塊螺柱焊過程中選點見證（現場見證有：R點—報告見證點；W點—現場見證點；H點—停工檢查點）。

在結構模塊螺柱焊接前，核電工程總承包單位通常會組織核電業主、監理等單位審查承包商某項產品制造焊接前的開工條件，主要內容為：產品制造圖紙、技術文件、設備、材料、現場環境、人員資格以及工藝評定等是否能滿足現場開工要求，在確認各項條件滿足開工要求后，承包商才能按照已批準的文件（圖紙、方案、質量計劃）開展工作，在實施過程中，各相關單位應按照批復的質量計劃對現場進行質量見證。

（2）產品焊接前的試驗及要求。

螺柱焊焊工每天或每班進行結構模塊產品焊接前，應選用材料厚度和性能與產品相近的構件上（如選用的構件無法滿足結構模塊產品的厚度，構件厚度差允許在結構模塊產品厚度±25％范圍內），先試驗焊接2個螺柱。另外所試驗螺柱焊接位置必須與結構模塊產品焊接位置相同。

試驗螺柱應進行外觀和彎曲試驗檢查，外觀檢查滿足：螺柱必須表現出整個360°有飛邊，并且螺柱焊焊接端不能有咬邊；彎曲試驗檢查可以采用錘子錘擊非焊接端，也可以采用空心工具或管子套在螺柱上，用機械或人工方法彎曲螺柱，使螺柱從原軸線彎曲至約30°，當外界環境溫度低于10℃，必須緩慢連續加載。

如果試驗螺柱外觀檢查沒有360°飛邊，或者彎曲試驗時出現任一顆螺柱斷裂在焊縫區域，應調整焊接工藝，并按照調整后的焊接工藝重新在產品相近的構件上進行螺柱焊接，并進行外觀和彎曲試驗。在結構模塊產品正式焊接前必須保證兩個螺柱試驗合格，才能在結構模塊材料上進行焊接。

在結構模塊產品焊接開始后，如現場螺柱焊接參數發生改變時，必須重新進行產品焊接前的試驗，直到兩個螺柱焊接試驗件合格后才能恢復結構模塊產品焊接。

2.2 結構模塊產品焊接

（1）焊前焊接條件確認。

螺柱焊焊工在焊前必須確認外部焊接環境是否滿足焊接條件，如不能滿足焊接環境要求，必須采取措施保證焊接環境條件。

螺柱焊焊工在焊接前應確保焊接螺柱的母材和螺柱已經去除了所有涂層、氧化皮、鍍層、水汽、油漆等影響焊接操作和質量的有害物質。需要特別注意，螺柱焊接端部的涂層（鍍鋅、涂漆等）必須清理干凈。

（2）產品焊接。

在進行結構模塊產品焊接時，螺柱焊焊工應嚴格按照預先設定的焊接工藝參數（產品焊接前，兩個合格的螺柱焊試驗件所用的焊接參數）進行操作，螺柱焊焊工焊接結構模塊產品所用的螺柱焊機和焊槍應與焊接工藝評定和焊接工藝規程中所用的一致，而且焊接前一定要確認螺柱焊機狀態正常可用。

另外產品焊接完成后，螺柱焊焊工應拆除電弧螺柱焊的防護套。

（3）產品焊接檢驗。

為了保證結構模塊螺柱焊焊接質量，結構模塊螺柱焊期間應對每臺焊機焊接的結構模塊螺柱焊產品進行檢驗。且參與螺柱焊的焊工，每焊接規定數量的螺柱后應采用錘擊或采用空心工具（或管子套）將螺柱彎曲到規定的度數，然后進行外觀檢驗。當結構模塊產品螺柱焊接檢驗不合格時，應從規定數量的螺柱中再取一個進行檢驗，如果檢驗還是不合格，則應該對全部規定數量的螺柱進行檢驗。

另外，螺柱焊焊工或焊接質量檢查人員應對每個螺柱焊縫進行外觀檢查并滿足360°飛邊要求。對于進行了抽檢的彎曲檢驗螺柱，螺柱彎曲到指定的角度后，應對其恢復原狀，如果螺柱焊端部焊縫和熱影響區在彎曲和恢復過程中沒有出現裂紋，則檢驗合格。

2.3 結構模塊產品焊接返修

（1）螺柱補焊。

結構模塊螺柱焊接過程中，如果焊接的螺柱不能滿足360°飛邊要求，可以采用焊條電弧焊工藝對缺少飛邊要求部位進行補焊，補焊的焊腳尺寸應滿足要求，結構模塊產品焊接返修所用的焊條電弧焊工藝必須是評定合格的工藝。

（2）母材補焊。

在螺柱去除過程中，如果螺柱端部與其相連接的母材受到損傷超過規定值，焊工應采用評定合格的焊條電弧焊工藝對其母材進行補焊，補焊后的母材應按照規定要求進行相關的無損檢測并合格。

3 螺柱焊缺陷

在螺柱焊焊接的過程中，螺柱和母材的材質、含碳量、焊接位置、工件表面狀況等都會很大程度影響焊接質量，焊接規范設置不合理也容易而引起焊接缺陷，如焊縫尺寸不足、未熔合、焊瘤等。螺柱焊常見缺陷、產生原因和改進措施[5]如表2所示。

對已完成的焊接螺柱進行檢驗發現，結構模塊螺柱焊過程中出現了飛邊不均（見圖3）、螺柱端部未熔合（見圖4）、縮頸、焊瘤、氣孔等缺陷。

4 影響螺柱焊質量的因素

4.1 人員因素

人員因素主要指焊接技術人員的素質，質量檢驗人員、操作人員的理論、技術水平、生理缺陷、粗心大意、違紀違章等。

產品焊接時首先考慮到對人員因素的控制，因為人是焊接過程的主體，螺柱焊質量受到所有參與的焊接技術人員、質量檢驗人員、操作人員、服務人員共同作用，它們是影響螺柱焊的主要因素。

為了保證所有參與螺柱焊焊接相關人員能夠勝任自己的工作，在螺柱焊焊接前應對所有從事螺柱焊的相關人員進行相關培訓，取得相應的資格證

書，才能勝任螺柱焊工作。

表2 螺柱焊常見缺陷、缺陷產生原因分析和改進措施Tab.2Post weld reasons causing common defects,defect analysis and improvement measures

圖3 飛邊不均Fig.3Flash is not uniform

圖4 端部未熔合Fig.4End not fusion

4.2 設備因素

影響螺柱焊焊接質量的設備因素包括焊接設備、工機具、測量儀器和檢驗設備等。螺柱焊焊接過程必須合理選擇焊接設備、工機具和無損檢測設備的類型和性能參數，合理正確操作這些設備、工機具。操作人員必須認真執行各項規章制度，嚴格遵守操作規程，并加強對相關設備的維修、保養、管理，使其保持完好狀態且應經過國家正規計量單位標定，并在標定的有效期內。

4.3 材料因素

螺柱焊所使用的原材料包括母材、螺柱、陶瓷圈以及其他輔助性材料等，這些材料的自身質量是保證焊接產品質量的基礎和前提。為了保證螺柱焊接質量，原材料的質量檢驗很重要，對于螺柱焊所用的材料應按照相應的采購技術規格書要求進行驗收和復驗，合格后方可用于產品。

4.4 工藝因素

焊接工藝是影響螺柱焊質量的關鍵因素之一。工藝方法對焊接質量的影響主要體現在：一是工藝

制定的合理性；二是承包商是否建立健全了完整的焊接工藝管理；三是執行焊接工藝的嚴格性，經過評定合格的焊接工藝必須嚴格執行，不得隨意改變。

4.5 環境因素

在特定環境下，螺柱焊質量容易受到外部焊接條件（如溫度、濕度、風力以及雨雪天氣）的影響，在其他因素一定的情況下，也有可能單純因環境因素造成焊接質量問題，也應引起一定的注意。在螺柱焊質量控制過程中，環境因素的控制措施比較簡單，當環境條件不符合規定要求時，如雨雪天氣、相對濕度大于90％，可停止焊接工作，或采取防風、防雨雪措施后再進行焊接。

工件的表面狀態，如母材和螺柱表面的油漆、氧化皮、涂層、油污以及鐵銹對螺柱焊的質量都有重要影響。因此，在螺柱焊接前必須嚴格按照螺柱焊工藝規程要求，將工件表面影響焊接質量的雜質清理干凈。

4.6 檢驗因素

檢驗因素是指螺柱焊過程中影響焊接質量的各檢驗工序的總稱，如螺柱焊開工條件檢查、焊接前、焊接過程中檢驗以及焊接后的外觀、彎曲檢查等。

對于螺柱焊過程的檢驗控制，可以通過產品螺柱焊質量計劃來實施，因為螺柱焊質量計劃中會包含螺柱焊的全過程，參與螺柱焊過程見證的相關方會按照事先擬定的質量計劃實施過程驗證。

5 螺柱焊質量控制

5.1 焊接前質量控制

從事結構模塊的制造承包商必須遵照核安全法規HAF003《核電廠質量保證安全規定》及其相關導則的要求，從質量保證大綱、組織、文件控制、設計控制、采購控制、物項控制、工藝過程控制、檢查和試驗控制、對不符合項的控制、糾正措施、記錄、監查等12個方面入手，建立一個完整的質保體系并有效運轉，保證結構模塊螺柱焊質量。

從事結構模塊制造、焊接相關所有人員在工作中應做到：凡事有章可循、凡事有人負責、凡事有人監督；凡事有據可查，確保結構模塊螺柱焊的全過程質量控制。

5.2 焊接過程控制

結構模塊制造、焊接過程控制可以采用實時質量計劃控制，加強焊接過程的焊接檢驗，確保結構模塊螺柱焊過程質量可控。質量計劃是指標明制造、檢查和試驗各種步驟的文件，該文件列有制造、焊接和驗收中應進行的所有工藝、程序、工作細則、試驗和檢查的流程圖或工序表，質量計劃中明確了相關單位的質量控制點。質量計劃中的常見三種質量控制點：停工待檢點（H點）；現場見證點（W點）；報告見證點（R點）。

5.3 焊后質量控制

焊后質量控制的關鍵步驟之一是焊后的檢驗工作，結構模塊螺柱焊完成后通過對其進行外觀和彎曲抽檢檢驗來控制。

焊后質量控制還包括焊后質量統計分析和經驗反饋等工作，結構模螺柱焊完成后，應對螺柱焊的焊接質量進行統計分析，做好經驗反饋，避免在其他結構模塊螺柱焊過程中再次出現的類似的焊接質量問題。

6 結論

介紹螺柱焊在三代核電工程結構模塊中應用前的準備，包括螺柱焊焊接方法選擇、人員資格、設備選型、焊接工藝等方面的準備工作；總結了結構模塊螺柱焊常見缺陷、缺陷產生原因及解決措施以及影響螺柱焊質量的六大因素和焊接質量控制方法。通過在某核電工程現場結構模塊螺柱焊大量的實施，驗證了結構模塊螺柱焊質量是可控的。

[1]吳崇志，劉元林，張加軍,等.AP1000 CA結構模塊剪力釘的焊接[J].電焊機，2013，43（10）：91-94.

[2]雷世明.焊接方法與設備[M].北京：機械工業出版社，2004：234-236.

[3]陳祝年.焊接工程師手冊（第二版）[M].北京：機械工業出版社，2010：464-465.

[4]AWS D1.1，美國焊接學會《鋼結構焊接規范》[S].

[5]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（焊接方法及設備）（第三版）[M].北京：機械工業出版社，2010：331-332.

The application of Stud welding in three generations of nuclear power engineering structure module

TANG Shi1，ZHANG Junbao2，DONG Yongzhi3
（1.State Nuclear Power Demonstration Plant Co.，Ltd.，Rongcheng 264312，China；2.Shanghai Nuclear Engineering Research&Design Institute，Shanghai 200233，China；3.Shangdong Nuclear Power Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Haiyang 265100，China）

The paper introduced the prepare work of stud welding using in structural module of three generations of nuclear power engineering,which included choice of stud welding methods，personnel qualifications，selection of equipment，welding process.Stud welding and rework requirements were also introduced.Finally，the paper summarized the structure module stud welding defects，defect causes and solving measures as well as the six major factors affecting the quality of stud welding and welding quality control methods.Provided the

for structure module construction preparation，welding and quality control of the subsequent three generation nuclear power engineering.

stud welding；nuclear power engineering；structure module

TG453+.3

B

1001-2303（2016）08-0086-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.21

2016-03-03；

2016-06-20

唐識（1976—），男，四川仁壽人，高級工程師，學士，主要從事核電廠設計管理、執照申請及焊接管理等工作。