自動(dòng)焊接技術(shù)在指套管焊接中的應(yīng)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(yùn)行技術(shù)股份有限公司 湖北武漢 430070

2.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

3.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司 北京 101300

4.中核高效智能化焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)組中堆芯中子通量測(cè)量的儀表提供進(jìn)出堆芯的通道[1-3]。指套管精度較高，在核電運(yùn)行期間指套管在堆芯中受到介質(zhì)的反復(fù)沖刷和機(jī)械振動(dòng)磨損[4]，導(dǎo)致指套管壁逐漸變薄，如不遏制其磨損情況仍然強(qiáng)行運(yùn)行，則存在指套管逐漸磨損甚至擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致一回路介質(zhì)通過(guò)指套管泄漏至儀表間，造成一回路壓力邊界被破壞，同時(shí)損壞堆芯儀表間設(shè)備，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至引發(fā)難以想象的嚴(yán)重后果。

若對(duì)已經(jīng)存在磨損的指套管進(jìn)行更換，則必須在堆芯無(wú)料且水池滿水位時(shí)進(jìn)行，且單根更換時(shí)間達(dá)24h，因此有必要開發(fā)一套指套管封堵裝置和工藝，將磨損嚴(yán)重的指套管在儀表間進(jìn)行臨時(shí)封堵，等到封堵的指套管數(shù)量不滿足堆芯中子測(cè)量需求時(shí)，再將多根指套管統(tǒng)一進(jìn)行更換，可減少更換時(shí)間及大修時(shí)間。

指套管對(duì)表面余高要求較高，使用手工焊進(jìn)行臨時(shí)封堵時(shí)對(duì)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(jìn)行打磨處理，增加維修時(shí)間。此外，受制于環(huán)境劑量的影響，焊接操作人員的技術(shù)受到環(huán)境和心理雙重因素的限制，焊接質(zhì)量會(huì)受到很大影響。為此，開發(fā)了一套基于自動(dòng)焊設(shè)備的指套管堵管焊接工藝來(lái)彌補(bǔ)手工焊的不足。

2.試驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

焊接設(shè)備選用國(guó)產(chǎn)化小管自熔式自動(dòng)焊設(shè)備，如圖1所示。整套設(shè)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(diào)控要求，電源內(nèi)部控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)直流/脈沖電流控制、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、氣體控制、水冷卻控制和打印控制等，對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)，保障焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。

（2）焊槍 焊槍可通過(guò)配置不同規(guī)格的卡瓦實(shí)現(xiàn)管徑6～38mm、壁厚0～2.5mm的管道焊接，該機(jī)頭焊前在密封腔內(nèi)充保護(hù)氣體，保證焊縫得到良好的保護(hù)；槍體與夾具體內(nèi)進(jìn)行水冷卻，保證焊槍能夠連續(xù)工作；焊接過(guò)程由系統(tǒng)控制，過(guò)程穩(wěn)定。

2.2 試驗(yàn)材料

（1）指套管 指套管材料為Z5CND17-12鋼（相當(dāng)于國(guó)內(nèi)316 鋼），指套管規(guī)格為φ8.6mm×1.7mm，化學(xué)成分見(jiàn)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(xué)成分見(jiàn)表1，實(shí)物如圖3所示。堵頭由精密車床進(jìn)行加工，端面加工平齊，規(guī)格、粗糙度均滿足圖樣要求，用于自動(dòng)焊設(shè)備焊接。

圖3 堵頭實(shí)物

2.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)RCC-M 2000＋2002補(bǔ)遺《法國(guó)核電廠設(shè)計(jì)和建造規(guī)則：壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》要求，指套管堵管焊接焊縫為帶襯墊對(duì)接焊縫，無(wú)法進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，因此以指套管管對(duì)接工藝做支撐[5]。首先制定指套管對(duì)接焊工藝，其目的是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行指套管與堵管對(duì)接焊焊接參數(shù)開發(fā)。

（1）焊前準(zhǔn)備 指套管對(duì)接焊和指套管與堵管對(duì)接焊均采用TIG自熔的形式，坡口為“I”形，堵頭端面應(yīng)加工齊平[6]，指套管用專用平口設(shè)備進(jìn)行加工，組對(duì)時(shí)保證指套管與堵管間隙為0～0.5mm，錯(cuò)邊量允許值為0～0.5mm。圖4、圖5所示為坡口組對(duì)效果及形式。

圖4 指套管對(duì)接坡口及指套管與堵管焊接坡口組對(duì)效果

圖5 指套管對(duì)接坡口及指套管與堵管焊接坡口組對(duì)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(shù)下會(huì)造成不同位置處的不同形貌，因此在工藝開發(fā)時(shí)將焊接電流分為4個(gè)區(qū)間進(jìn)行電流的單獨(dú)調(diào)節(jié)，從而降低重力作用對(duì)焊縫成形的影響[7]，自動(dòng)焊起弧位置及區(qū)間設(shè)置如圖6所示。因調(diào)節(jié)焊接參數(shù)較多，正交法和控制變量法無(wú)法有效應(yīng)用于工藝開發(fā)試驗(yàn)，主要依靠現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和焊縫成形進(jìn)行一個(gè)/多個(gè)參數(shù)更改，直至最終參數(shù)滿足工藝要求。

圖6 自動(dòng)焊起弧位置及區(qū)間設(shè)置

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 指套管對(duì)接試驗(yàn)

在過(guò)往項(xiàng)目焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中選取與指套管規(guī)格相似的自熔焊參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)在焊接過(guò)程中觀察焊縫的熔融情況，結(jié)合焊后焊縫的表面成形進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，焊接電流與焊縫外觀質(zhì)量關(guān)系見(jiàn)表2。試件成形如圖7所示。由圖7可知，參數(shù)①焊縫表面無(wú)焊接缺陷，但剖開試件觀察焊縫背部存在只有預(yù)熔點(diǎn)熔透、其他位置均未熔透現(xiàn)象，考慮是由于電流過(guò)小、熱輸入不足導(dǎo)致的[8]。

表2 焊接電流與焊縫質(zhì)量

圖7 不同工藝參數(shù)下的焊縫表面成形

針對(duì)參數(shù)①下的焊縫形貌，全面提高各區(qū)間焊接電流，獲得參數(shù)②，焊縫熔透性明顯增加，但參數(shù)②下焊縫整體表面凹陷嚴(yán)重，焊接電流過(guò)大，焊接熱輸入增加，導(dǎo)致焊縫塌陷。由于在參數(shù)①、②下分別發(fā)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(shù)①、②區(qū)間內(nèi)調(diào)整。

針對(duì)參數(shù)①、②焊后試件焊縫成形狀態(tài)，再次降低焊接電流、焊接區(qū)間焊接時(shí)間以及背部保護(hù)氣體流量，調(diào)整后在參數(shù)③下所得試件焊縫仍出現(xiàn)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(shí)焊縫第一、第二區(qū)間熔透性較多，但第三區(qū)間產(chǎn)生未焊透缺陷。因此在參數(shù)③基礎(chǔ)上，通過(guò)降低焊接電流、提高保護(hù)氣流獲得參數(shù)④，在參數(shù)④下所得試件表面除因余高略高而不符合焊接要求外，無(wú)其他缺陷，證明其內(nèi)部已經(jīng)完全熔透，焊接參數(shù)只需繼續(xù)在小范圍內(nèi)調(diào)整。通過(guò)降低焊接電流、氣體流量等參數(shù)形成參數(shù)⑤。參數(shù)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(fā)現(xiàn)背面熔透性良好，余高滿足要求。

使用參數(shù)⑤連續(xù)焊接5根以上指套管對(duì)接試件，以驗(yàn)證參數(shù)的穩(wěn)定性，如圖8所示。經(jīng)目視檢測(cè)，焊縫表面基本與指套管母材表面齊平，焊后無(wú)需進(jìn)行余高的打磨處理，且焊縫及熱影響區(qū)未產(chǎn)生咬邊、未焊透、裂紋和氣孔等缺陷，整體滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，為指套管與堵管角接焊工藝開發(fā)提供了一定的基礎(chǔ)。

圖8 指套管對(duì)接試件成形

3.2 指套管對(duì)接焊縫檢測(cè)

對(duì)連續(xù)焊接得到的所有指套管對(duì)接試件依據(jù)RCC-M 2000＋2002補(bǔ)遺《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則 第Ⅲ卷 檢驗(yàn)方法》進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)（PT、RT檢測(cè)）及理化檢測(cè)（拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、宏觀金相檢測(cè)）。

通過(guò)無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果均未見(jiàn)可記錄缺陷。根據(jù)RCC-M 2000＋2002補(bǔ)遺《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》，對(duì)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果合格的試件進(jìn)行拉伸、彎曲試驗(yàn)及宏觀金相檢測(cè)（見(jiàn)圖9）。拉伸及彎曲試驗(yàn)在室溫環(huán)境下進(jìn)行，試樣抗拉強(qiáng)度分別為589MPa、605MPa；彎曲試驗(yàn)包含面彎及背彎試驗(yàn)，彎曲角度180°，其中4個(gè)面彎件均未見(jiàn)缺陷，3個(gè)背彎試件未見(jiàn)缺陷，其中一個(gè)背彎試件裂紋1.9mm，彎曲檢測(cè)結(jié)果符合要求。

圖9 彎曲、拉伸試驗(yàn)及宏觀金相檢測(cè)

在10 倍顯微鏡下觀察焊縫宏觀金相（見(jiàn)圖10），自動(dòng)焊指套管對(duì)接焊縫宏觀金相未見(jiàn)缺陷；同時(shí)證明參數(shù)⑤具有良好的焊接穩(wěn)定性。無(wú)損檢測(cè)及理化檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 指套管對(duì)接焊縫檢測(cè)內(nèi)容

3.3 指套管與堵管對(duì)接工藝試驗(yàn)

指套管與堵管對(duì)接試驗(yàn)焊接參數(shù)可在指套管對(duì)接焊接參數(shù)的基礎(chǔ)上將電流擴(kuò)大15%。具體見(jiàn)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(wú)缺陷，余高滿足要求，無(wú)需打磨處理。

表4 自動(dòng)焊堵管焊接參數(shù)

圖11 指套管與堵管對(duì)接試件焊縫成形

3.4 指套管與堵管對(duì)接焊縫檢測(cè)

依據(jù)RCC-M 2000＋2002補(bǔ)遺《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》的要求進(jìn)行焊接工藝檢測(cè)，選取試件進(jìn)行相應(yīng)無(wú)損檢測(cè)及理化檢測(cè)。液體滲漏檢測(cè)結(jié)果證實(shí)焊縫均未發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷；宏觀金相檢測(cè)在10倍顯微鏡下觀察，微觀金相檢測(cè)在200倍顯微鏡下觀察，結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)缺陷、顯微裂紋和有害沉淀物，焊縫晶粒細(xì)小均勻，如圖12所示[9]，驗(yàn)證了焊接參數(shù)的可行性。

圖12 指套管與堵管對(duì)接焊縫金相組織

隨后參照GB/T 20801.5—2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第5部分：檢驗(yàn)與試驗(yàn)》對(duì)指套管與堵管試件進(jìn)行水壓測(cè)試，隨著緩慢升高試件壓力直至25.8MPa以上，保壓30min，試樣無(wú)滲漏，無(wú)可見(jiàn)的異常變形，試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)異常的響聲，認(rèn)為水壓試驗(yàn)合格，真空密封良好。對(duì)指套管與堵管焊縫進(jìn)行氦檢漏測(cè)試，試件內(nèi)部抽真空，在試件內(nèi)部噴氦氣時(shí)間＞3s后，泄漏率均＜0.01×10－10Pam3/s，達(dá)到了設(shè)備測(cè)試極限，滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，證明指套管與堵管焊縫密封良好。詳細(xì)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 指套管與堵管焊縫檢測(cè)內(nèi)容

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)調(diào)整并驗(yàn)證預(yù)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(shí)間等參數(shù)開發(fā)指套管對(duì)接焊工藝，焊縫組織及力學(xué)性能滿足RCC-M 2000＋2002補(bǔ)遺《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》要求，進(jìn)而開發(fā)出指套管與堵管的焊接參數(shù)，焊縫組織形貌符合RCC-M 2000＋2002補(bǔ)遺《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》要求，焊縫表面無(wú)缺陷，余高滿足要求，無(wú)需打磨處理，對(duì)核電現(xiàn)場(chǎng)焊接施工具有指導(dǎo)意義。

與常規(guī)手工焊接相比，使用自動(dòng)TIG焊接進(jìn)行堵管修復(fù)，可減少焊接時(shí)間及焊后處理工作量，提高焊接效率，同時(shí)降低對(duì)焊工的技術(shù)能力要求，大幅提高指套管與堵管焊接質(zhì)量，降低工作難度，對(duì)減少核電廠維修成本起到重要作用。