核電廠焊縫焊接實施中的氣流問題分析及對策

黃開凱，馮興旺

（中廣核核電運營有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

焊接是核電廠最常見的管道、設備連接方式之一，具有連接穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點。氬氣保護焊接則是核電廠維修中最常用的焊接方式。對于在役核電廠大修期間所實施的焊縫焊接，一方面要嚴格按照相關法規(guī)、標準要求進行焊接實施和焊后檢測；另一方面也常常遇到一些在車間預制或者安裝階段所不曾面對的困難，例如焊接過程中焊接點附近有氣流等影響焊接質量的因素，給現(xiàn)場焊接操作和質量控制帶來巨大的挑戰(zhàn)。為保障焊縫焊接的順利實施，有效保證焊接質量，有必要對氣流形成的原因進行分析并實施控制。

1 氣流對焊接的影響

焊接過程中，如果焊接點附近有氣流，會造成熔池狀態(tài)不穩(wěn)定、氣體保護不充分等問題，影響焊接質量。對于不銹鋼管道焊縫來說，氣流的存在還會影響焊縫背部氬氣保護室中氬氣濃度的穩(wěn)定性，最終影響焊接質量。

按照氣流的不同位置，分為焊縫外側的氣流和焊縫內側的氣流，其中外側氣流問題可通過加強保護、移除氣流源等方式，容易解決。內側氣流問題則情況多變，解決起來也相對困難，所述氣流主要指的是焊縫內側的氣流。

2 氣流的形成原因

氣流產生的根源在于管線不同位置之間有氣壓差，核電廠大修中面對的情況則更加復雜，需要分析具體原因，才能對癥下藥。

2.1 同一管線在不同房間的設備同時開口產生氣流

核電站核島通風系統(tǒng)總體是負壓設計，并按照空氣污染風險高低，對通風系統(tǒng)的布置進行了專門設計，以使核島內的氣流從低污染風險房間向高污染風險房間流動。因此，在同一管線所經過的房間氣壓不一樣，而管線所連通的不同房間中的設備同時開口時，在房間之間的壓差作用下形成氣流。如果開口點所在的房間內剛好有通風系統(tǒng)的通風口時，更容易形成氣流。例如安全殼內外、核輔助廠房和核燃料廠房不同房間中同一管線上設備同時開口時，很容易在管道內產生氣流。

另外，由于房間之間存在氣壓差，廠房、房間的門的開關也會對氣流造成影響。例如反應堆廠房設備艙門、氣閘門的開關，對于某些對焊接氣流高度敏感的設備焊縫焊接也會造成干擾。

除了核島通風系統(tǒng)在設計上的考慮會導致同一管線不同開口點之間的氣壓差外，核電廠核島內用以進行污染防護的靜態(tài)封閉間（SAS）所使用風機也是氣壓差常見的來源之一。

2.2 管線連通大容積設備溫度及水位變化導致氣流

如果焊接點所在管線連接一個容積較大的設備，設備內溫度變化或者水位變化，會導致設備內不同位置氣壓不一致。

當設備內容積相對焊接開口點口徑之比較大時，設備內的空氣可近似認為是理想氣體，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：P1V1/T1=P2V2/T2。

假設設備內氣體體積V 不變，溫度T 上升，則設備內氣壓P上升；假設設備內氣體溫度不變，體積減小，則設備內氣壓上升。所以，設備內氣體溫度的變化、設備內水位的變化會帶來管線不同位置的壓差，進而產生氣流。

對蒸汽發(fā)生器二次側進行充排水時的水位變化，或者對蒸發(fā)器二次側進行保養(yǎng)時的溫度變化，都可能會使與蒸發(fā)器二次側連通的管線開口點形成氣流，進而影響焊接。

大容積設備的“大”是相對焊接點口徑而言的，對大口徑管線上的小支管焊縫進行焊接時，大口徑管線內的水位產生較小的變化，也會在小口徑支管焊縫附近產生較大的氣流而影響焊接。

2.3 系統(tǒng)設備運行帶來影響

與焊接點所在管線相連系統(tǒng)中的泵等設備運行的時候，會使管線內有氣壓波動，從而形成氣流。這種情況常見于常規(guī)島，在大修后期部分系統(tǒng)投運后，尚未投運的管線上的焊接往往因為管線內有很大的氣流而無法實施。

3 對策

氣流的產生的根源在于互相連通的管線不同位置之間有氣壓差，所以解決此問題的基本思路，可以是采取措施避免不同壓差的位置相互連通，也可以是控制或者消除壓差源，或者兩個措施兼而有之。遇到具體問題時，首先要找到氣壓差產生的具體原因，然后采用如下所列一種或者幾種方法進行控制。

3.1 排除壓差源法

這種方法就是通過關閉、封堵焊接點或者與焊接點同一管線的其他開口點所在房間的風機、靜態(tài)封閉間（SAS）風機、通風口、房間的門，從源頭上排除氣壓差來源。有時候關閉房間的門反而會形成氣壓差，而開啟房間門有利于消除氣壓差，此時則要使房間的門處于開啟狀態(tài)。這是最簡單的一種氣流防控方法，可以很快實現(xiàn)并驗證效果；這也是最基礎的一種氣流防控方法，無論是否采用了其他方法防控氣流，首先需要嘗試使用本方法排除氣壓差。

3.2 有利窗口施工法

選擇在系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定的窗口下實施焊接，可以有效避免系統(tǒng)狀態(tài)變化導致的不利影響，有時甚至通過主動控制機組狀態(tài)，實現(xiàn)焊接條件的平穩(wěn)。比較理想的焊接實施窗口是：與焊接點相連的管線和設備上，不進行充排水操作、不進行可能導致溫度變化的工作、沒有可能導致壓差的設備正在運行。例如常規(guī)島管線上的焊接實施工作，安排在常規(guī)島充水前實施完畢，可有效避免管線充水和水循環(huán)對焊接工作的影響。對于與蒸發(fā)器二次側連通的管線上的焊接工作，應避免在蒸發(fā)器二次側的保養(yǎng)和充排水期間實施。

3.3 封堵法

核電廠大修是個復雜的系統(tǒng)工程，各種要素互相關聯(lián)影響，有時需要以高昂的代價獲得、甚至無法獲得理想的系統(tǒng)狀態(tài)以實施焊接。這個時候需要考慮進一步措施，解決氣流問題。

對管線合適的位置進行封堵，可避免不同氣壓的空間通過管線連通。根據(jù)具體情況，可選擇三種封堵位置方案，適用情況和注意事項見表1。

3.4 氣壓平衡法

極端情況下，可考慮通過主動干預建立壓力平衡，消除氣壓差。如果焊接點處的氣流方向是由外向內的，則在同一管線上的另外一個開口點處，通入具有一定正氣壓的空氣，平衡管道內的負壓。如果焊接點處的氣流方向是由內向外的，則在同一管線上的另外一個開口點處，使用吸塵器等可以產生負壓的工具向外抽氣，平衡管道內的正壓。

4 典型案例

4.1 核島大口徑不銹鋼管道更換焊接中氣流問題

某核電廠進行核島大口徑不銹鋼管道更換工作的焊接實施過程中，多次遇到管道內氣流影響焊接實施的問題。由于管道連通范圍廣，經過多次排查，最終確定導致氣流產生原因有：

（1）與焊接點連通的管線上其他開口點附近安裝有風機且正在運行。

表1 封堵法適用情況及注意事項

（2）所在廠房內通風系統(tǒng)正在運行且開口點附近有一個通風口。

上述兩個問題在分別關閉風機、臨時封堵通風口后，氣流問題得以解決。

4.2 與蒸發(fā)器二次側連通的設備焊縫焊接氣流問題

與蒸發(fā)器二次側連通的焊縫焊接中的氣流問題極為常見，特別是反應堆廠房外的焊縫焊接。導致氣流產生的原因有：

（1）同一管線上的反應堆廠房內、外設備同時開口時，兩側壓差較大。

（2）對蒸發(fā)器二次側充水或者排水時，水位變化形成壓差而產生氣流。

（3）對蒸發(fā)器二次側進行保養(yǎng)時，使用風機形成氣流。

（4）蒸發(fā)器二次側升溫或者降溫時，溫度變化形成壓差產生氣流。

可見，大修中蒸發(fā)器二次側的狀態(tài)較為復雜，導致氣流產生的因素也很多，遇到問題也非常頻繁，需要逐項分析、排除。

4.3 穩(wěn)壓器、電加熱器更換焊接中的氣流問題

穩(wěn)壓器、電加熱器的焊縫處口徑非常小，且連通了穩(wěn)壓器這個大容積設備。而穩(wěn)壓器另一側通過已開口的人孔，其內部空氣與在反應堆廠房內的空氣連通，因人孔口徑較電加熱器焊縫口徑大很多，人孔附近較小的氣流擾動也會在電熱器焊縫處產生較大的氣流，影響焊接質量。對此，在穩(wěn)壓器、電加熱器更換的焊接過程中，需要對整個反應堆廠房的狀態(tài)進行嚴格控制，包括停運通風系統(tǒng)、關閉設備艙門、關閉氣閘門、關閉一回路邊界上所有開口點的風機等。

4.4 核級支管座焊縫焊接中的氣流控制

氣流問題在核級支管座焊縫焊接中較為常見，主要原因是焊縫所在管線連通多個不同壓差的房間。但受制于現(xiàn)場復雜的環(huán)境和系統(tǒng)狀態(tài)，需要針對具體的位置和情況制定不同的氣流控制方案，包括：①封堵不同房間的開口點；②封堵通風口；③采用壓力平衡法控制氣壓；④關閉或者開啟對氣壓造成影響的房間門；⑤設計專用工具在焊縫附近進行封堵。

5 結束語

核電廠焊縫焊接實施中氣流問題產生的根源是因為管線不同位置之間有氣壓差，具體原因有：同一管線在不同房間的設備同時開口；管線連通大容積設備；系統(tǒng)設備運行帶來影響等。解決的辦法有：排除壓差源法、有利窗口施工法、封堵法、氣壓平衡法等。只有排除氣流的干擾因素，才能為焊接高品質焊縫打下基礎。