自動焊接技術在指套管焊接中的應用

岳瑞博，孫傳鈺，董壯壯，劉石橋，王登星，張曉冬

1.中核武漢核電運行技術股份有限公司 湖北武漢 430070

2.中國核工業二三建設有限公司 北京 101300

3.核工業工程研究設計有限公司 北京 101300

4.中核高效智能化焊接重點實驗室 北京 101300

5.江蘇核電有限公司 江蘇連云港 222000

1 序言

指套管主要作用是為核電機組中堆芯中子通量測量的儀表提供進出堆芯的通道[1-3]。指套管精度較高，在核電運行期間指套管在堆芯中受到介質的反復沖刷和機械振動磨損[4]，導致指套管壁逐漸變薄，如不遏制其磨損情況仍然強行運行，則存在指套管逐漸磨損甚至擊穿的風險，導致一回路介質通過指套管泄漏至儀表間，造成一回路壓力邊界被破壞，同時損壞堆芯儀表間設備，造成嚴重的經濟損失，甚至引發難以想象的嚴重后果。

若對已經存在磨損的指套管進行更換，則必須在堆芯無料且水池滿水位時進行，且單根更換時間達24h，因此有必要開發一套指套管封堵裝置和工藝，將磨損嚴重的指套管在儀表間進行臨時封堵，等到封堵的指套管數量不滿足堆芯中子測量需求時，再將多根指套管統一進行更換，可減少更換時間及大修時間。

指套管對表面余高要求較高，使用手工焊進行臨時封堵時對焊接操作人員的技能水平要求較高，且焊接余高較大，焊后需進行打磨處理，增加維修時間。此外，受制于環境劑量的影響，焊接操作人員的技術受到環境和心理雙重因素的限制，焊接質量會受到很大影響。為此，開發了一套基于自動焊設備的指套管堵管焊接工藝來彌補手工焊的不足。

2.試驗設備及方法

2.1 試驗設備

焊接設備選用國產化小管自熔式自動焊設備，如圖1所示。整套設備由焊接電源、焊槍及控制線纜組成。

（1）焊接電源 焊接電源為逆變式焊接電源，焊接電流可滿足5～200A調控要求，電源內部控制系統可實現直流/脈沖電流控制、旋轉運動、氣體控制、水冷卻控制和打印控制等，對焊接過程進行全方位的監測，保障焊接過程的穩定性。

（2）焊槍 焊槍可通過配置不同規格的卡瓦實現管徑6～38mm、壁厚0～2.5mm的管道焊接，該機頭焊前在密封腔內充保護氣體，保證焊縫得到良好的保護；槍體與夾具體內進行水冷卻，保證焊槍能夠連續工作；焊接過程由系統控制，過程穩定。

2.2 試驗材料

（1）指套管 指套管材料為Z5CND17-12鋼（相當于國內316 鋼），指套管規格為φ8.6mm×1.7mm，化學成分見表1。指套管試件如圖2所示。

圖2 指套管試件

（2）堵頭 堵頭所用材料為304L鋼，化學成分見表1，實物如圖3所示。堵頭由精密車床進行加工，端面加工平齊，規格、粗糙度均滿足圖樣要求，用于自動焊設備焊接。

圖3 堵頭實物

2.3 試驗方法

依據RCC-M 2000＋2002補遺《法國核電廠設計和建造規則：壓水堆核島機械設備設計和建造規則》要求，指套管堵管焊接焊縫為帶襯墊對接焊縫，無法進行力學性能檢測，因此以指套管管對接工藝做支撐[5]。首先制定指套管對接焊工藝，其目的是在此基礎上進行指套管與堵管對接焊焊接參數開發。

（1）焊前準備 指套管對接焊和指套管與堵管對接焊均采用TIG自熔的形式，坡口為“I”形，堵頭端面應加工齊平[6]，指套管用專用平口設備進行加工，組對時保證指套管與堵管間隙為0～0.5mm，錯邊量允許值為0～0.5mm。圖4、圖5所示為坡口組對效果及形式。

圖4 指套管對接坡口及指套管與堵管焊接坡口組對效果

圖5 指套管對接坡口及指套管與堵管焊接坡口組對形式

（2）焊接位置 指套管焊接位置為管道水平固定焊（5G位置），熔池受到重力影響，相同參數下會造成不同位置處的不同形貌，因此在工藝開發時將焊接電流分為4個區間進行電流的單獨調節，從而降低重力作用對焊縫成形的影響[7]，自動焊起弧位置及區間設置如圖6所示。因調節焊接參數較多，正交法和控制變量法無法有效應用于工藝開發試驗，主要依靠現場經驗和焊縫成形進行一個/多個參數更改，直至最終參數滿足工藝要求。

圖6 自動焊起弧位置及區間設置

3 試驗結果與分析

3.1 指套管對接試驗

在過往項目焊接參數數據庫中選取與指套管規格相似的自熔焊參數進行試驗，通過在焊接過程中觀察焊縫的熔融情況，結合焊后焊縫的表面成形進行參數的調整，焊接電流與焊縫外觀質量關系見表2。試件成形如圖7所示。由圖7可知，參數①焊縫表面無焊接缺陷，但剖開試件觀察焊縫背部存在只有預熔點熔透、其他位置均未熔透現象，考慮是由于電流過小、熱輸入不足導致的[8]。

表2 焊接電流與焊縫質量

圖7 不同工藝參數下的焊縫表面成形

針對參數①下的焊縫形貌，全面提高各區間焊接電流，獲得參數②，焊縫熔透性明顯增加，但參數②下焊縫整體表面凹陷嚴重，焊接電流過大，焊接熱輸入增加，導致焊縫塌陷。由于在參數①、②下分別發生焊縫未熔透和焊縫表面塌陷情況，所以焊接電流將在參數①、②區間內調整。

針對參數①、②焊后試件焊縫成形狀態，再次降低焊接電流、焊接區間焊接時間以及背部保護氣體流量，調整后在參數③下所得試件焊縫仍出現表面凹陷，但凹陷程度相比之前有所減小，熄弧位置成形不均勻；同時焊縫第一、第二區間熔透性較多，但第三區間產生未焊透缺陷。因此在參數③基礎上，通過降低焊接電流、提高保護氣流獲得參數④，在參數④下所得試件表面除因余高略高而不符合焊接要求外，無其他缺陷，證明其內部已經完全熔透，焊接參數只需繼續在小范圍內調整。通過降低焊接電流、氣體流量等參數形成參數⑤。參數⑤下獲得的焊縫成形如圖7f、g所示。試件表面基本與母材齊平，將試件剖開觀察焊縫背面熔透性，發現背面熔透性良好，余高滿足要求。

使用參數⑤連續焊接5根以上指套管對接試件，以驗證參數的穩定性，如圖8所示。經目視檢測，焊縫表面基本與指套管母材表面齊平，焊后無需進行余高的打磨處理，且焊縫及熱影響區未產生咬邊、未焊透、裂紋和氣孔等缺陷，整體滿足標準要求，為指套管與堵管角接焊工藝開發提供了一定的基礎。

圖8 指套管對接試件成形

3.2 指套管對接焊縫檢測

對連續焊接得到的所有指套管對接試件依據RCC-M 2000＋2002補遺《壓水堆核島機械設備設計和建造規則 第Ⅲ卷 檢驗方法》進行無損檢測（PT、RT檢測）及理化檢測（拉伸試驗、彎曲試驗、宏觀金相檢測）。

通過無損檢測，結果均未見可記錄缺陷。根據RCC-M 2000＋2002補遺《壓水堆核島機械設備設計和建造規則》，對無損檢測結果合格的試件進行拉伸、彎曲試驗及宏觀金相檢測（見圖9）。拉伸及彎曲試驗在室溫環境下進行，試樣抗拉強度分別為589MPa、605MPa；彎曲試驗包含面彎及背彎試驗，彎曲角度180°，其中4個面彎件均未見缺陷，3個背彎試件未見缺陷，其中一個背彎試件裂紋1.9mm，彎曲檢測結果符合要求。

圖9 彎曲、拉伸試驗及宏觀金相檢測

在10 倍顯微鏡下觀察焊縫宏觀金相（見圖10），自動焊指套管對接焊縫宏觀金相未見缺陷；同時證明參數⑤具有良好的焊接穩定性。無損檢測及理化檢測結果見表3。

表3 指套管對接焊縫檢測內容

3.3 指套管與堵管對接工藝試驗

指套管與堵管對接試驗焊接參數可在指套管對接焊接參數的基礎上將電流擴大15%。具體見表4，焊接試件焊縫成形如圖11所示。由圖11可知，焊縫表面無缺陷，余高滿足要求，無需打磨處理。

表4 自動焊堵管焊接參數

圖11 指套管與堵管對接試件焊縫成形

3.4 指套管與堵管對接焊縫檢測

依據RCC-M 2000＋2002補遺《壓水堆核島機械設備設計和建造規則》的要求進行焊接工藝檢測，選取試件進行相應無損檢測及理化檢測。液體滲漏檢測結果證實焊縫均未發現可記錄缺陷；宏觀金相檢測在10倍顯微鏡下觀察，微觀金相檢測在200倍顯微鏡下觀察，結果均未發現缺陷、顯微裂紋和有害沉淀物，焊縫晶粒細小均勻，如圖12所示[9]，驗證了焊接參數的可行性。

圖12 指套管與堵管對接焊縫金相組織

隨后參照GB/T 20801.5—2020《壓力管道規范 工業管道 第5部分：檢驗與試驗》對指套管與堵管試件進行水壓測試，隨著緩慢升高試件壓力直至25.8MPa以上，保壓30min，試樣無滲漏，無可見的異常變形，試驗過程中無異常的響聲，認為水壓試驗合格，真空密封良好。對指套管與堵管焊縫進行氦檢漏測試，試件內部抽真空，在試件內部噴氦氣時間＞3s后，泄漏率均＜0.01×10－10Pam3/s，達到了設備測試極限，滿足試驗標準要求，證明指套管與堵管焊縫密封良好。詳細檢測結果見表5。

表5 指套管與堵管焊縫檢測內容

4 結束語

通過調整并驗證預熔電流、焊接電流（基值電流、峰值電流）、焊接速度、電弧電壓及熄弧時間等參數開發指套管對接焊工藝，焊縫組織及力學性能滿足RCC-M 2000＋2002補遺《壓水堆核島機械設備設計和建造規則》要求，進而開發出指套管與堵管的焊接參數，焊縫組織形貌符合RCC-M 2000＋2002補遺《壓水堆核島機械設備設計和建造規則》要求，焊縫表面無缺陷，余高滿足要求，無需打磨處理，對核電現場焊接施工具有指導意義。

與常規手工焊接相比，使用自動TIG焊接進行堵管修復，可減少焊接時間及焊后處理工作量，提高焊接效率，同時降低對焊工的技術能力要求，大幅提高指套管與堵管焊接質量，降低工作難度，對減少核電廠維修成本起到重要作用。