CAP1400鋼制安全殼筒體焊接質(zhì)量控制

李漢勝，唐 識(shí)

（國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司，山東榮成264312）

CAP1400鋼制安全殼筒體焊接質(zhì)量控制

李漢勝，唐 識(shí)

（國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司，山東榮成264312）

CAP1400示范工程首臺(tái)核電機(jī)組的鋼制安全殼的鋼板材料研制時(shí)間短，板材厚度大，相應(yīng)的焊接工藝開發(fā)、應(yīng)用尚不成熟，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中出現(xiàn)了組對(duì)困難，焊接變形不易控制，焊縫質(zhì)量控制難度大的情況。本研究以鋼制安全殼焊接應(yīng)用實(shí)踐為依托，研究了焊接前組對(duì)、焊接順序優(yōu)化、焊接參數(shù)控制以及無損檢測(cè)實(shí)施等焊接過程控制要素。施工期間雖有環(huán)境溫度較低等不利因素，但采取保證措施后，焊接變形量遠(yuǎn)小于1倍母材壁厚，無損檢測(cè)一次合格率達(dá)97％以上，較好地完成焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制的目的，為后續(xù)工程項(xiàng)目提供了借鑒。

安全殼；焊接工程；質(zhì)量控制

0 前言

CAP1400型壓水堆核電機(jī)組是在消化、吸收、全面掌握AP1000非能動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過再創(chuàng)新開發(fā)出的具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、功率更大的非能動(dòng)大型先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組。CAP系列大型鋼制安全殼容器（簡(jiǎn)稱CV）是隔離安全殼內(nèi)、外部環(huán)境的邊界，在事故工況下起限制裂變產(chǎn)物釋放的作用，并且為安全殼冷卻系統(tǒng)提供換熱面，構(gòu)成安全相關(guān)最終熱阱，執(zhí)行非常重要的安全功能[1]。CV由上下封頭及中間筒體組成，屬于ASME第Ⅲ分卷MC級(jí)部件。

CV筒體板材質(zhì)為SA738Gr.B，筒體內(nèi)徑43 m，總高42.8 m，由11圈板組成，每圈由12塊環(huán)板組成，總重約2 375 t；焊接方法為焊條電弧焊（SMAW），焊材選擇E9018-G-H4焊條。焊縫總長(zhǎng)約1 867 m，其中縱焊縫132條、環(huán)焊縫10條，均是雙面坡口熔透焊縫，其中縱縫及環(huán)縫坡口形式如圖1所示。

圖1 筒體焊縫示意

由于焊縫自身的力學(xué)性能不均勻性、材料不均勻性以及焊縫設(shè)計(jì)、焊接質(zhì)量控制等多種因素的影響，焊接接頭容易發(fā)生缺陷[2]，并在隨后的電廠運(yùn)行中，在應(yīng)力、溫度、輻照、氫吸附、腐蝕、振動(dòng)和磨損等各種因素的作用下，引起接頭材料性能的變化，甚至造成缺陷的萌生和擴(kuò)展，成為核電廠部件、設(shè)備和系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

本研究簡(jiǎn)要介紹了核電工程安裝現(xiàn)場(chǎng)CV筒體焊接實(shí)施及質(zhì)量控制過程，為后續(xù)項(xiàng)目提供借鑒。

1 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

CV鋼制安全殼筒體由3段拼裝而成，分別簡(jiǎn)稱為CV第1環(huán)筒體、CV第2環(huán)筒體和CV第3環(huán)筒體。CV第1環(huán)筒體由5圈環(huán)板拼裝組成，第一圈環(huán)板（簡(jiǎn)稱CY1）壁厚55 mm，其余壁厚均為52 mm，高度19.34 m，質(zhì)量1 080 t；CV第2環(huán)筒體由4圈環(huán)板拼裝組成，其壁厚均為52 mm，高度15.64 m，質(zhì)量864 t；CV第3環(huán)筒體由2圈環(huán)板拼裝組成，其壁厚均為52 mm，高度7.82 m，質(zhì)量432 t。

CV筒體結(jié)構(gòu)各板塊均由設(shè)備制造廠分片壓制成型后運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)組裝場(chǎng)地，然后在現(xiàn)場(chǎng)采用分段組裝焊接成形，再運(yùn)輸?shù)跹b至核島安裝。

CV筒體的結(jié)構(gòu)尺寸大，板材厚，露天施工場(chǎng)地容易受天氣等條件影響，如何控制焊接變形是現(xiàn)場(chǎng)施工的難點(diǎn)。

根據(jù)ASMEⅨ材料分組，SA-738Gr.B屬于PNO.1組3，最小抗拉強(qiáng)度為85 ksi（約585 MPa），焊接淬硬、冷裂傾向較大，必須進(jìn)行焊前預(yù)熱及焊后熱處理，以防止出現(xiàn)裂紋。

CV筒體焊接施工和焊縫返修主要操作流程如圖2所示。

圖2 CV筒體焊接及返修施工流程

2 焊接過程管理

2.1 組對(duì)

焊縫組對(duì)調(diào)整采用組對(duì)器或其他調(diào)整工裝進(jìn)行調(diào)整固定，使其組對(duì)間隙為0～10 mm，組隊(duì)間隙在5～10 mm時(shí)應(yīng)使用陶瓷襯墊。

焊接組對(duì)錯(cuò)邊量、坡口尺寸公差應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求和焊接工藝規(guī)程要求，CV相關(guān)焊縫錯(cuò)邊量要求如表1所示。

表1 CV筒體錯(cuò)邊量技術(shù)要求

定位焊完成后復(fù)查定位的尺寸，在縱縫、環(huán)縫允許的錯(cuò)邊量范圍內(nèi)應(yīng)修整成平滑過渡，在完工的焊接寬度范圍內(nèi)的斜度至少為3∶1。

2.2 定位焊

定位焊原則采用焊條電弧焊，在焊縫清根一側(cè)進(jìn)行定位焊接。CV筒體縱縫、環(huán)縫的定位焊在筒體內(nèi)側(cè)進(jìn)行定位焊接。縱縫定位焊縫長(zhǎng)度80～100 mm，間隔200～300 mm；環(huán)縫定位焊縫長(zhǎng)度80～100 mm，間隔250～400 mm；定位焊的預(yù)熱溫度和道間溫度應(yīng)與正式焊縫相同。

以CV1環(huán)為例，CV筒體每環(huán)的焊接順序見圖3。

圖3 CV 1環(huán)筒體焊接順序

注：（1）焊后無損檢測(cè)及熱處理根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行安排；（2）根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)文件要求，焊后無損檢驗(yàn)時(shí)機(jī)（除熱處理后RT抽檢外）必須在焊后熱處理前完成。

2.3 CY1縱縫焊接細(xì)則

相鄰的筒體板就位調(diào)整后，按要求預(yù)熱，然后進(jìn)行定位焊接；定位焊檢查合格后，再次預(yù)熱進(jìn)行縱縫焊接。每一工位焊縫的焊接方向?yàn)閺南孪蛏希織l縱縫焊接順序如圖4所示。

圖4 CY1縱縫焊接順序

2.3.1 焊接順序

（1）焊縫內(nèi)外側(cè)前三層焊縫焊接時(shí)焊接工位順序?yàn)椋?、2、3、4、5、6。

（2）其他填充焊縫工位焊接時(shí)焊接工位順序?yàn)椋?、1、6、4、3、5。

（3）焊縫蓋面時(shí)，焊縫焊接工位順序?yàn)椋?、4、2、1、3、5。

（4）CY1縱縫上端約500 mm處焊縫可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況安排焊接。

現(xiàn)場(chǎng)焊接過程中，焊接工程師可根據(jù)焊縫的變形隨時(shí)調(diào)整焊縫內(nèi)外側(cè)焊接順序或調(diào)整工位焊接順序。

2.3.2 縱縫焊接注意事項(xiàng)

（1）焊接時(shí)采用多層多道，正、反面交替，接頭錯(cuò)開焊，接頭錯(cuò)開不小于30 mm。

（2）先焊接外側(cè)打底層和部分填充層。

（3）完成打底層和部分填充層焊接后，背面碳弧氣刨清根，打磨后進(jìn)行PT檢測(cè)。

（4）PT檢測(cè)合格后，完成剩余焊縫的焊接。

焊接過程中技術(shù)人員及施工班組檢查焊接變形，采用全站儀進(jìn)行過程監(jiān)測(cè)變形檢查。待焊縫焊接完成后，采取全站儀測(cè)量焊縫兩側(cè)筒體板構(gòu)件半徑，若其形狀半徑與理論外形半徑誤差不超過1倍板厚，則焊接變形控制符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 環(huán)縫焊接順序

環(huán)縫上下兩側(cè)的縱縫焊接完成后，調(diào)整該圈環(huán)縫的組對(duì)間隙及錯(cuò)邊量，并進(jìn)行定位焊。環(huán)縫同側(cè)焊接采用分段同向焊的方法，由多名焊工均布進(jìn)行焊接，現(xiàn)場(chǎng)焊接過程中保持對(duì)筒體構(gòu)件尺寸的監(jiān)控，焊接工程師根據(jù)焊接變形隨時(shí)調(diào)整焊接順序。

焊接時(shí)，可先對(duì)環(huán)縫T型接頭處焊接3～4層，以防止T型接頭處應(yīng)力過大造成焊縫開裂等缺陷。焊縫工位約每1 m設(shè)成1個(gè)工位。內(nèi)側(cè)所有工位按順時(shí)針方向進(jìn)行焊接，外側(cè)所有工位按逆時(shí)針方向進(jìn)行焊接。焊接順序如圖5所示。

圖5 環(huán)縫焊接順序

2.4.1 環(huán)縫焊接注意事項(xiàng)

（1）環(huán)縫組對(duì)調(diào)整符合要求后，同時(shí)安排多名焊工均布同時(shí)焊接。

（2）焊接時(shí)采用多層多道，正、反面交替，接頭錯(cuò)開焊，接頭錯(cuò)開不小于30 mm。

（3）完成打底焊道和部分填充焊縫后，背面碳弧氣刨清根，打磨后100％PT檢測(cè)。

（4）PT檢測(cè)合格后，進(jìn)行后續(xù)焊縫焊前整備及焊接工作。

焊接過程中技術(shù)人員及施工班組檢查焊接變形，采用全站儀進(jìn)行過程監(jiān)測(cè)變形檢查。待焊縫焊接完成后，采取全站儀測(cè)量焊縫兩側(cè)筒體板構(gòu)件半徑，若其形狀半徑與理論外形半徑誤差不超過1倍板厚，則焊接變形控制符合設(shè)計(jì)要求。在焊接過程中，焊接工程師根據(jù)焊接變形，適當(dāng)調(diào)整內(nèi)外側(cè)焊接順序。

2.4.2 無損檢驗(yàn)

（1）外觀檢查：焊接完畢，焊工應(yīng)清理焊縫表面并檢查外觀成形，必要時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行局部修整；焊接檢查員檢查外觀，焊縫表面應(yīng)沒有粗糙的波紋、溝槽、焊瘤、咬邊、錯(cuò)邊及突起的凸塊和凹坑等缺陷。

（2）打磨清根及焊接完成后，進(jìn)行100％PT檢查，經(jīng)PT合格的焊縫進(jìn)行100％RT。

（3）對(duì)工裝夾具、臨時(shí)支架等的臨時(shí)焊點(diǎn)打磨去除后，進(jìn)行100％PT檢驗(yàn)并測(cè)量厚度。若去除后母材厚度低于最小設(shè)計(jì)厚度，需進(jìn)行焊接修補(bǔ)，并打磨至圓滑，對(duì)修補(bǔ)區(qū)域進(jìn)行PT檢驗(yàn)。當(dāng)打磨深度大于10 mm或母材厚度的1/10（取較小值）時(shí)，應(yīng)按照NE-5000的要求對(duì)修補(bǔ)區(qū)域進(jìn)行RT檢驗(yàn)，處理過程進(jìn)行相應(yīng)記錄。

3 結(jié)論

CV筒體1環(huán)焊接完成后，焊縫RT一次合格率超過97％，證明焊接工藝及過程質(zhì)量控制滿足工程需求；同時(shí)CV構(gòu)件整體尺寸測(cè)量結(jié)果顯示，最大焊接變形量為37mm，小于設(shè)計(jì)要求的1倍壁厚（52mm），可見工程現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量及變形控制是成功的。

（1）CAP1400 CV板材厚度大，存在一定的焊接淬硬性，在焊接過程中采取預(yù)熱及保持焊接層間溫度非常必要。

（2）CV焊接過程中控制及調(diào)整焊接順序是減少焊接變形的重要手段。

（3）CV現(xiàn)場(chǎng)組裝過程中焊接錯(cuò)邊量控制是難點(diǎn)，同時(shí)是影響構(gòu)件整體應(yīng)力狀態(tài)的重要因素。

[1]林誠(chéng)格，郁祖盛.非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

[2]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Welding quality control of containment vessel for CAP1400

LI Hansheng，TANG Shi
（State Nuclear Power Demonstration Plant Co.，Ltd.，Rongcheng 264312，China）

The containment vessel plate material used in CAP1400's first unit was newly developed.Due to the large thickness and immature welding process of this material，a number of difficulties，including assembly，welding deformation control and weld quality control were encountered in site.Based on the practice of welding of steel containment vessel plate，this article studied some essential factors，like assembly prior to welding，optimization of welding sequence，welding parameters control and application of NDE and developed some control measures.After these measures were employed，the results were perfect：welding deformation far smaller than the thickness of the plate and the first pass yield of NDE over 97％.These measures can be used in the subsequent projects to control the welding quality.

containment vessel；welding engineering；quality control

TG457

B

1001－2303（2016）12－0108-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.24

獻(xiàn)

李漢勝，唐識(shí).CAP1400鋼制安全殼筒體焊接質(zhì)量控制[J].電焊機(jī)，2016，46（12）：108-111.

2016-08-31；

李漢勝（1983—），男，河南濮陽(yáng)人，工程師，主要從事焊接施工管理工作。