核電CA01 結構模塊焊接變形控制

王了一，孫國慶

（中核檢修有限公司，上海 201100）

0 引言

在引進的第三代先進核電AP1000 非能動技術的基礎上，我國通過再創(chuàng)新開發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權、功率更大的非能動大型先進的CAP1400 型壓水堆核電機組。CAP1400 堆型的建造全面采用模塊法施工，模塊化施工就是將核電機組的整體系統(tǒng)結構，包括部分土建結構，根據(jù)其組成特點，分解成若干個可以在工廠加工制造的分體結構，在現(xiàn)場進行組裝、運輸、吊裝。其最大優(yōu)點是可以通過減少在現(xiàn)場施工的工程量而縮短建造工期，同時由于模塊在車間制造完成，可以更好地保證施工質(zhì)量。

其中，CA01、CA20 模塊是CAP1400 堆型中最重要且大型結構模塊，安裝位于核島反應堆廠房和輔助廠房6 區(qū)。在該類大型結構模塊現(xiàn)場拼裝施工中，焊接工程量大，容易在焊接過程中造成模塊變形，最終影響模塊的整體外形尺寸，其組裝質(zhì)量的優(yōu)劣對后續(xù)設備安裝、調(diào)試存在直接影響。因此，分析焊接變形產(chǎn)生的原因并制定相應的焊接變形控制措施尤為重要。

1 結構模塊介紹

結構模塊作為廠房結構的一部分，包括墻、樓板等組合，主要分為CA、CB 等類。在現(xiàn)場主要參與的主要是CA 結構模塊，CA 結構模塊由鋼板、各類型鋼構成以及混凝土內(nèi)灌形成電站結構的一個完整部分。

現(xiàn)場拼裝的CA 結構模塊有CA01～CA05，CA20，CA22 等，各結構模塊都是使用子模塊進行拼裝，其中以CA01 和CA20子模塊最多、重量最重。CA01 模塊結構復雜，整體呈T 形，外形尺寸為長33.86 m、寬30.85 m、高26.10 m，總重約1117 t。CA01 模塊安裝就位于核島反應堆廠房內(nèi)，主要由Q345B、A240-S32101 兩種材料構成，CA01 共有子模塊47 個。

現(xiàn)場拼裝將CA01 模塊劃分為8 個組合件，分別如下:

（1）1#組合件由6 個子模塊拼裝而成，整體尺寸7000×9480×26 000 mm，總重量共計280 486.9 kg。

（2）2#組合件由8 個子模塊拼裝而成，整體尺寸7000×9480×26 000 mm，總重量共計284 279.4 kg。

（3）3#組合件由8 個子模塊拼裝而成，整體尺寸12 688×7750×23 000 mm，總重量共計136 651.3 kg。

（4）4#組合件由5 個子模塊拼裝而成，整體尺寸13 940×2642×23 000 mm，總重量共計101 112.4 kg。

（5）5#組合件由4 個子模塊拼裝而成，整體尺寸13 940×2639×23 000 mm，總重量共計90 052.24 kg。

（6）6#組合件由6 個子模塊拼裝而成，整體尺寸10 400×3500×15 150 mm，總重量共計80 257.42 kg。

（7）7#組合件由5 個子模塊拼裝而成，整體尺寸11 960×7000×25 500 mm，總重量共計124 682.9 kg。

（8）8#組合件由3 個子模塊拼裝而成，整體尺寸8000×1000×14 300 mm，總重量共計23 452.1 kg。

CA01 模塊焊縫焊接存在大量異種鋼焊接，其母材厚度最小14 mm，單焊縫最長20 750 mm，設計總說明要求的平面度公差要求為當組裝后的子模塊單元支撐完畢且水平對齊后，檢查墻模塊外表面和樓板模塊的平整度，其偏差應不大于13 mm。當直模板跨越焊縫時，平整度偏差應不大于19 mm。

2 CA01 結構模塊施工難點分析

CA01 結構模塊是一個多部件組合體，外形尺寸大，結構復雜，而且在現(xiàn)場露天組裝成一個整體，施工過程中涉及運輸、翻轉(zhuǎn)、吊裝、拼裝、焊接等多個環(huán)節(jié)，施工難度較大，且主要集中在以下4 個方面:

（1）由于各大型結構模塊的子模塊從設備廠內(nèi)預制、運輸、吊裝、翻轉(zhuǎn)的過程中較容易出現(xiàn)板材局部變形（較薄僅14 mm）、產(chǎn)生累積誤差，造成組裝過程中錯邊量超出較薄板厚10%且不大于3 mm 的公差要求，進一步使板平整度存在偏差不滿足≤13 mm、跨焊縫≤19 mm 要求的情況，導致其整體外形尺寸控制難度比較大，在子模塊豎立后，組對邊錯口較大，不便于后續(xù)焊接進行。

（2）CA01 結構模塊組裝過程中涉及仰焊工藝/立焊工藝，此兩種工藝焊工操作難度大。

（3）模塊具有外形尺寸大，各組合件的結構復雜，整體焊接量大，且存在大量的異種鋼焊接（在同一條焊縫包含3 種材料:碳鋼與碳鋼焊接、碳鋼與雙相不銹鋼焊接、雙相不銹鋼與雙相不銹鋼焊接），各種鋼材的焊接收縮量不同，其焊接變形控制難度較大，主要依據(jù)美國鋼結構焊接規(guī)范AWS D1.1 和AWS D1.6焊接方法采用手工電弧焊（SMAW/HD）和螺柱焊（SW/HS），由于制造結構模塊的鋼材的種類、型號復雜，導致焊接工藝方式較多，模塊組對焊接前技術人員要根據(jù)材料、規(guī)格和坡口形狀制定相應的焊接工藝。

（4）CA01 結構模塊的現(xiàn)場組裝場地靠近海邊，且是露天作業(yè)，風大而且空氣潮濕，對焊接質(zhì)量有著很大的影響。

3 CA01 結構模塊焊接變形的形式及原因

CA01 結構模塊焊接變形的原因是在焊接過程中的工件的局部受熱和冷卻受到周邊冷金屬的拘束，自由膨脹和收縮不規(guī)則，焊接殘余應力殘留在工件上，產(chǎn)生了變形。

CA01 結構模塊現(xiàn)場焊接的主要特點為:存在不同材質(zhì)異種鋼（雙相不銹鋼與碳鋼）焊接；不同板厚之間的焊接（δ=14 mm、δ=30 mm、δ=40 mm）；大量薄板（δ=14 mm）對接焊接；子模塊、組合件質(zhì)量及體積大焊前組對困難，在焊接過程中比較容易產(chǎn)生角變形和彎曲變形。

（1）角變形:不同材料之間的焊接，由于不同類型鋼板之間力學性能的差異，焊縫收縮率會引起；不同厚度鋼板之間的焊接，由于焊接截面形狀上下不對稱、焊縫的橫向收縮分布不均勻引起。

（2）彎曲變形:由于待焊接鋼板的焊縫布置不對稱或不規(guī)則，造成焊縫端面形狀的不對稱，導致焊后發(fā)生彎曲。在結構模塊焊接時因焊縫的縱向收縮不一致發(fā)生彎曲變形。

4 影響結構模塊焊接變形的因素

導致結構模塊焊接變形有很多因素，不同的因素對變形影響也不一樣，必須采取有效的變形控制手短掌握其影響規(guī)律，否則未能達到預期的效果。

根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況，主要影響因素有以下6 個:

（1）焊接熱輸入。一般情況下，焊接熱輸入大時，加熱的高溫區(qū)范圍大，冷卻速度慢，將會增大接頭塑性變形區(qū)，易產(chǎn)生角變形。

（2）焊接參數(shù)。參數(shù)涉及焊接電流、電弧電壓及焊接速度等。線能量愈大，焊接變形愈大；焊接電流和電弧電壓的增大導致會變形的增大，但隨著焊接速度增大將會減小。

（3）焊縫截面積。焊縫截面積是指熔合線范圍內(nèi)的金屬面積，焊縫面積越大，冷卻時收縮引起的塑性變形量越大。

（4）工件的預熱、層間溫度。預熱溫度和層間溫度越高，相當于熱輸入增大，使冷卻速度減慢，收縮變形增大。

（5）結構的剛性。結構的剛性大小，主要在于結構的截面大小和其形狀，剛性較小的結構，焊接變形大；剛性大的結構，焊后變形較小。

（6）裝配和焊接順序。由于焊接裝配方式比較多，不同的裝配方法會出現(xiàn)不用程度的變形，所以合理的裝配順序可以減小焊接變形。

5 CA01 結構模塊焊接變形控制措施

在焊接前制定CA01 結構模塊焊接的有效防變形措施，可以減少或降低焊接變形的發(fā)生，能節(jié)約焊接變形處理的時間成本和經(jīng)濟成本。

下面介紹國核示范工程項目部現(xiàn)場在進行CA01 大型結構模塊拼接的焊接過程中針對兩種變形形式（角變形、彎曲變形）所采取的焊接變形控制措施。

5.1 角變形控制方法

角變形是因焊縫橫向收縮導致的，要對焊件進行反變形控制應采用合理的反變形工裝及剛性固定等方法，使得焊接完成后的工件形量與反變形量大致抵消，以達到模塊尺寸滿足設計要求的目的。

（1）針對對稱焊縫制作防變形工裝。該工裝結合防變形措施和剛性固定措施而制作。該工裝應用先是在對稱焊縫底端加焊墊鐵，使用簡易式螺旋支撐工裝，將墻體兩側焊縫底部墊鐵支撐，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)節(jié)。

（2）針對不對稱防變形工裝。該工裝也是結合防變形措施和剛性固定措施而制作。該工裝應用先是在對稱焊縫底端加焊墊鐵，使用槽鋼制作成的龍門架和千斤頂，將焊縫底部墊鐵支撐，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)節(jié)。

通過上述兩種工裝在反變形措施和剛性固定措施中的應用，可有效控制因焊接可能導致的角變形。

5.2 彎曲變形控制方法

CA01 結構模塊是一個多部件組合體，存在長短不一的焊縫，最長焊縫達20 750 mm，易因焊縫縱向收縮造成彎曲變形，所以針對長短不一的焊縫也許需通過不同的措施來控制。

（1）針對長焊縫的變形，采取合理規(guī)劃焊接工位及焊接順序，每條縱縫按不同材料和規(guī)格分為若干個工位，每個工位由1 名焊工進行焊接，對于打底焊和后續(xù)的填充焊道采用分段退焊的方法，具體情況可以根據(jù)現(xiàn)場進行調(diào)整。

（2）針對短焊縫的變形，在焊接安排上不專門進行工位的劃分和布設，但在實際施焊過程中根據(jù)焊縫長度均分若干段，安排多名焊工對稱分段跳焊的方法。

通過上述對不同長度焊縫在焊接順序上的控制，可有效的控制因焊接可能導致的彎曲變形。

5.3 其他控制方法

從影響焊接變形因素來考慮的話，以及現(xiàn)場施工實際情況，技術人員提供合適的焊接工藝和焊工注意焊接技巧和方法，也能起到控制好各類焊接變形的作用。

（1）在焊接前技術人員應將合適的焊接工藝數(shù)據(jù)單及技術要求向焊工及焊接記錄員進行詳細的技術交底。

（2）焊工根據(jù)自己的技能掌握情況，依據(jù)焊接工藝數(shù)據(jù)單合理選擇焊接參數(shù)，并過程中控制好焊接速度；在焊接過程中，焊工應注意焊接技巧和方法，對于手工焊條電弧焊，焊工應采取窄焊道（擺動幅度不超過3 倍焊條直徑），且盡量采用快速直線焊的方式進行焊接，熱輸入量低，導致各類變形也小。

（3）焊接記錄員在焊接前檢測焊縫預熱溫度，并在焊接過程中記錄焊接參數(shù)、層間溫度等，計算焊接熱輸入是否滿足焊接工藝數(shù)據(jù)單。

6 數(shù)據(jù)收集

CA01 結構模塊拼裝完成后，使用全站儀對CA01 結構模塊各個子模塊垂直偏差進行測量，整個CA01 結構模塊共47 個子模塊，產(chǎn)生47 組數(shù)據(jù)，測量點的選擇是以每個子模塊底部約100 mm 為第一個測量點，然后約2.5 m 一個測量點。通過收集數(shù)據(jù)顯示，CA01 結構模塊各組合件拼裝完成后的垂直偏差均滿足要求。

7 結論

在CA01 結構模塊拼裝焊接過程中，焊接變形不可避免，通過采取合理的焊接順序、反變形法、剛性固定法等措施，能有效控制焊接過程中的過度變形，最終確保CA01 結構模塊焊后平整度均在10 mm 左右，滿足設計要求。由此可見，本文中闡述的焊接變形控制措施和方法有效可行，可在后續(xù)施工中推廣使用。