EPR核電機組ATD再熱器管子管板焊接工藝

趙衛君， 徐祥久

(高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 前言

ATD再熱器是第三代核電技術歐洲壓水堆EPR核電機組常規島設備，為U形管式換熱器。此類設備運行過程中最容易出現的質量問題就是管子(換熱管)與管板焊縫泄露，所以管子管板焊縫的質量直接決定了產品制造質量[1-3]。

該設備管子管板接頭為管子端部與管板表面平齊結構，示意圖如圖1所示。管子材質為奧氏體不銹鋼SA-688TP304L，規格φ15 mm×1 mm；管板材質為碳鋼SA-266Gr4，規格φ1 680 mm×210 mm。為避免不銹鋼管子與碳鋼管板之間的異種鋼焊接，管板表面堆焊了化學成分為E308L的不銹鋼堆焊層。產品技術條件對管子管板焊縫要求如下：①焊喉a(以焊縫根部點為圓心的焊縫最大內接圓半徑，如圖1所示)大于管子壁厚；②接頭拉脫力大于21.32 kN。

圖1 管子管板平齊式結構及焊喉要求

管子管板焊接時，管板表面垂直地面，焊接位置為5G全位置焊接，焊接熔池受重力、表面張力、電弧吹力等因素綜合影響，焊縫成形不易控制。管子管板平齊式結構的焊縫成形比管子伸出式和管子內縮式受重力的影響更大，焊接參數選擇更苛刻，焊接難度更大。

文中對此平齊式結構不銹鋼管子管板焊接工藝進行了研究，以制定合理的焊接工藝保證產品的制造質量。

1 試驗方法及設備

1.1 試驗材料

管板材質為SA-266Gr4，規格為400 mm×400 mm×90 mm，表面堆焊E308L奧氏體不銹鋼。管子材質SA-688TP304L，規格φ15 mm×1 mm。焊接材料選擇與管子和堆焊層化學成分匹配的焊絲ER308L，直徑φ0.8 mm。3種試驗材料的化學成分見表1。

表1 試驗材料化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗設備

焊接設備為法國POLYSOUDE公司的TS2000焊接機頭配PS-406氬弧焊電源。

焊接機頭通過定位芯套(圖2)插入管子內部，實現鎢極旋轉中心與管子中心重合。定位芯套尺寸根據管子內徑制造，芯套端部的凸起部分有一定彈性，以此來保證焊接機頭的定位精度。鎢極與旋轉中心線夾角為5°，焊接示意如圖3所示。

圖2 定位芯套

圖3 焊接示意圖

2 試驗過程與分析

待焊接區域的水、油污等雜質易導致焊縫氣孔，試驗前用丙酮和白紗布對管子及管孔進行清理。

2.1 管子定位

焊前管子定位方式通常為點焊，優點是生產效率高[4]。此產品管子壁厚較薄僅為1 mm，點焊會對管子端部造成無法修復的損傷且會影響焊縫成形，所以管子定位方式選擇端部脹接10 mm定位。

脹管設備選用美國庫珀公司的風動脹管機Airetool 850A-600及三珠機械脹管器，為了避免對管子和管板孔的污染，不用水溶性潤滑冷卻劑，而是三珠脹管器和管子內壁直接接觸，靠錐形脹珠的旋轉使管子發生塑性變形，達到定位目的。

2.2 鎢極定位

鎢極位置決定了電弧位置。管子直徑越小，其圓周方向上的曲率越大，焊接過程中，對鎢極的定位精度要求更高。對此薄壁管平齊式接頭結構，電弧熱量應主要作用于管板，防止焊后管口內徑過小影響管子管板全程液壓脹接工序，通過試驗最終確定鎢極距管子外壁1.5～2 mm。

試驗發現鎢極旋轉中心和管子中心不重合會導致電弧出現偏移，出現焊道扁平不飽滿、管子未熔等問題，如圖4所示。

圖4 不同心時的焊縫外觀

為保證定位精度，通過多次試驗選用比管子內徑大0.2 mm即規格為φ13.20 mm的定位芯套，在保證鎢極定位精度的同時也便于焊接操作，焊縫成形均勻一致飽滿，如圖5所示。

圖5 φ13.20 mm定位芯套的焊縫成形

2.3 焊接工藝參數

焊喉要求≥1 mm，氬弧焊熔深可滿足此要求。為保證焊縫成形和熔深，最終選用一遍填絲的自動脈沖氬弧焊工藝，通過多次焊接試驗，得到了焊縫成形良好的焊接工藝參數，見表2。

表2 焊接工藝參數

3 試驗結果

3.1 無損檢測

焊后焊縫表面經100%VT和100%PT檢測，焊縫及熱影響區無裂紋、未熔合等缺陷。再采用德國英?？礥L1000氦質譜真空檢漏儀進行氦檢漏試驗，保持壓力0.1 MPa、時間30 min后焊縫無泄漏。

把試樣加工成8 mm的薄板，管子中間用鉛粉填滿，射線源在焊縫上方照射，對焊接接頭進行100%RT檢測，結果合格。

3.2 拉脫力試驗

對3個焊接接頭進行拉脫力試驗，拉脫力值分別為30.6 kN，29.8 kN，30.0 kN，均大于要求值21.32 kN，接頭強度較高，滿足技術條件要求。

3.3 宏觀檢查

對4根管子的8個截面進行宏觀檢查，未發現根部未熔合、氣孔等缺陷，焊喉尺寸均勻穩定且均大于1 mm，滿足技術條件要求，見表3，典型宏觀形貌如圖6所示。

表3 焊喉a實測值 mm

圖6 焊縫宏觀

4 結論

(1)規格φ15 mm×1 mm的管子管板齊式結構對鎢極定位精度要求更高，可通過優化定位芯套尺寸滿足定位精度要求。

(2)焊接接頭無損檢測合格，拉脫力及焊喉尺寸均滿足產品技術條件要求，此焊接工藝可用于指導產品的生產制造。

(3)為其他類似不銹鋼薄壁平齊式管子管板結構的換熱器制造提供了一定的焊接經驗。