压水堆核电站主回路管道窄间隙自动焊工艺研究.doc

摘要:压水堆核电站主回路管道是超低碳奥氏体不锈钢大厚壁管道,在高温、高辐射的环境下服役,对焊接质量要求非常高。我国目前核电站主回路管道焊接采用宽坡口焊条电弧焊工艺,焊接一道焊口需要两名高级焊工焊接一个月,焊接周期长、效率低、劳动强度高。为了缩短焊接时间,提高焊接质量和效率,核工业工程研究设计有限公司通过引进先进的焊接设备,开展了一系列焊接工艺试验,确定了窄间隙坡口型式和与之配套的焊接工艺参数,并按照RCC-M 标准进行了焊接工艺评定,评定结果全部符合标准要求。因此,压水堆核电站主回路管道采用窄间隙自动焊工艺是可行的,且具有显著优势。关键词:核电站;主回路管道;窄间隙;焊接工艺评定中图分类号: TG409文献标识码:B 文章编号:1001-2303(201008-0021-07第40卷第8期2010年8月Vol.40No.8Aug.2010Electric Welding Machine王海东,任伟,裴月梅,陈明(核工业工程研究设计有限公司,北京101601Research on narrow-gap GTA welding of PWR nuclear power plant primary pipingWANG Hai-dong ,REN Wei ,PEI Yue-mei ,CHEN Ming(Nuclear Industry Research And Engineering Co.,Ltd.,Beijing 101601,ChinaAbstract :PWR primary piping is a large thick-walled ultra-low carbon austenitic stainless steel pipe ,working under high temperature and radiation environment ,so high welding quality is required.Currently ,Chinas nuclear power plant primary pipe welding is implemented through SMAW-welding process with wide groove ,and to finish a weld usually need two senior welder weld more than one month.So the welding cycle is long ,inefficiency and needed high labor intensity.To shorten the welding cycle and improve the welding quality and efficiency.An advanced welding equipment introduced by Nuclear Industry Engineering Research and Design Co.,Ltd.,after a series welding process tests ,we determined the narrow gap groove patterns and the corresponding welding parameters.And in accordance with the RCC-M standard ,we carried out the welding procedure qualification ,and all the evaluation results meet the standards.Therefore ,using narrow gap welding process in the primary piping of PWR nuclear power plant is feasible and has a significant advantage than hand-welding process.Key words :nuclear power plant ;primary piping ;narrow gap ;welding procedure qualification收稿日期:2010-07-20作者简介:王海东(1982,男,山西孝义人,工程师,学士,主要从事核电焊接工艺的研究工作。0前言根据我国核电产业发展规划,到2020年我国核电总装机容量要达到4000万kW ,在建1800万kW 。这意味着在今后的10多年间,我国平均每年要开工建设23台百万千瓦级的核电机组,全国核电建设部门将面临着大量的安装任务。目前国内核电工程所采用的焊接工艺基本为宽坡口的焊条电弧焊和半自动焊接方法,尤其对于核电站主回路管道,我国已运行和在建的核电站在施工中采用的仍是传统的焊条电弧焊工艺,一个对接焊缝需两个焊工维持1个月的高强度施焊才能完成,焊工劳动强度大,焊接效率低;同时,焊条电弧焊也受到工作环境及焊工状态等诸多不确定因素的影响,焊缝质量难以控制。在西方发达国家,主回路管道的全自动焊技术已经十分成熟,并且已广泛应用于核电站的安装。为了减少宽坡口焊条电弧焊工艺给管道工程带来的不利影响,缩短焊接时间、提高焊接质量和效率,核工业工程研究设计有限公司通过引进先进专题讨论电力工程焊接技术压水堆核电站主回路管道窄间隙自动焊工艺研究表2Z3CN20-09M 的化学成分w (C0.040w (Mn1.500w (Si1.500w (P0.025w (S0.015w (Cr19.0021.00w (Ni8.0011.00w (Co0.100w (Cu0.500w (B0.002%管道自动焊接设备,对核电站主回路管道进行焊接试验研究,分析该项工艺应用于工程的可行性。1核电站主回路管道简介压水堆核电站主回路管道(简称主管道是连接主回路系统中压力容器、蒸发器和主泵的重要管道,由于载热剂需直接流过反应堆的堆芯,含有高放射性物质,且是中温高压的介质(T =320,P =15.5MPa,一旦发生泄漏,将会对人的身体健康、生态环境等产生严重的危害,后果不堪设想。因此,对主管道的焊接质量和工艺要求十分严格,是核岛管道安装焊接中最重要的部分,直接关系到机组的安全运行。目前,国内一台1000MW 核电机组的主管道安装焊口共有24个,具体分布如图1所示,其焊口的规格 、数量和焊接位置如表1 所示,主管道的材质为Z3CN20-09M(法国AFNOR 牌号,由离心铸造而成,其化学成分和力学性能如表2和表3所示,属于奥氏体不锈钢,碳含量很低,具有良好的焊接性,不易产生冷裂纹,但由于奥氏体不锈钢的导热性较差,线膨胀系数较大,导致在焊接过程中会产生较大的焊接应力,如果焊接材料或焊接工艺选择不当,会产生晶间腐蚀和热裂纹等缺陷,影响焊缝质量。焊口描述压力容器-主管道蒸发器-主管道50弯头主泵-主管道压力容器-主管道28弯头蒸发器-主管道40弯头主管道-主管道40弯头主管道-主管道90弯头主泵-主管道90弯头焊口编号C1C4F1F4U1U2U4U6焊口规格/mm 8736997695.7832.567861.981.797695.7939.476939.476967.490焊接位置5GT 6GT 5GT 5GT 6GT 2GT 5GT 2GT 表3Z3CN20-09M 力学性能R m /MPa 480R P0.2/MPa 210A /%(5d35R m /MPa 320R P0.2/MPa 125拉伸(室温拉伸(343冲击功A KV /J(室温80专题讨论第40卷专题讨论电力工程焊接技术燃烧,又形成一个新的焊点。只要合理地调节脉冲间隙时间和适当的焊枪移动速度,保证相邻两焊点间有一定相互重叠量,就可以获得一条致密的焊缝1。焊接时,通过调节脉冲波形、脉冲电流的幅值、基值电流的大小、脉冲电流的维持时间和基值电流持续时间,就可以对焊接热输入进行控制,从而控制焊缝及热影响区的尺寸和质量。选用加拿大LIBURDI 公司的全位置脉冲TIG 自动焊机,该设备包括一个带有控制台的电源,一个管道焊接接头或一个管焊接头和轨道,一个遥控器。具有性能稳定、操作简单、适用管径范围宽等优点。图2是水平固定(5GT位置焊接现场,图3是垂直固定(2GT和45(6GT位置焊接现场,图4是从监视系统当中看到的图像,可直接对焊接过程进行控 制,可精确定位和调整钨极和焊丝位置,保证侧壁充分熔合。图2试验室条件下5GT 焊接试验(母材Z3CN20-09M ,厚度95 mm ,外径935mm图3试验室条件下2GT(左和6GT(右焊接试验2.2焊接材料选择根据主管道母材的力学性能和化学成分,以及自动焊设备特点,确定焊接材料为ER316LSi ,其化学成分如表4所示。2.3焊接工艺参数影响自动焊焊接工艺最重要的参数是峰值和基值电流、电压、送丝和行走速度,通过试验将各项参数进行最佳匹配,得到成形良好的焊缝,实现全自动焊接打底单面焊双面成形,焊接填充过程中在较低的热输入情况下实现层间和侧壁良好熔合。试验表明,焊接参数的选取直接影响焊缝的外观,理想的焊缝形状应该是凹面上表面与侧壁充分润湿熔合,并且每层的厚度均匀,最佳的焊缝形态可减少侧壁未熔合的风险,如图5所示。对于自动焊,钨极的形状和尺寸对焊缝成形也有一定的影响,对于一般采用的铈钨极,末端形状如果为圆锥尖顶状,则焊接形成的熔核直径增加,熔深浅;如果为圆锥子顶状,则熔核直径减小,熔深增大。主管道在自动焊接过程中一般推荐采用钨极末端圆锥角为30,如图6所示。平台B 直径为:(1根部焊道钝面直径B =0.80.1mm 。(2填充焊道钝面直径B =1.20.2mm 。(3盖面焊道钝面直径B =1.00.1mm 。2.4坡口型式选择合理选择接头坡口型式,是保证质量、 提高效图4焊接过程视频监控表4ER316LSi 焊丝化学成分w (C0.001w (Mn1.750w (Si0.740w (P0.017w (S0.011w (Cr18.360w (Ni12.200w (Co0.030w (N0.051w (B0.001%w (Mo2.500w (V0.064w (Cu0.063专题讨论王海东等:压水堆核电站主回路管道窄间隙自动焊工艺研究第8期a 凝固后的焊缝b 焊丝送入熔池状况专题讨论电力工程焊接技术图 5 焊缝形状专题讨论第40卷专题讨论电力工程焊接技术表55GT 工艺评定焊接参数背面气体Q /L min -1205205205205气路2Q /L min -160106010601060105010501050105010气路1Q /L min -1305305305305305305 305 305255255255占空比/%5050505050505050505050脉冲频率/pps 1.81.81.81.81.81.81.81.81.81.81.8焊接速度/IPM 2.60.12.60.12.60.12.60.12.50.12.50.12.50.12.50.12.50.12.60.12.60.1基值送丝速度/IPM 010520530530540540540540520202010峰值送丝速度/IPM 020540550550560560560560540204010峰值电压U /V 9.00.29.50.29.50.29.50.29.60.29.60.29.60.29.80.29.80.29.80.510.00.3基值电流I /A 8058510100101301015020160201902020020210201703014030峰值电流I /A 18051805200102301025010270102901030010310102703024020焊缝宽度/mm 6.10.26.10.26.80.27.50.27.80.28.10.28.50.28.60.29.20.59.20.59.50.5焊接区间盖面焊道填充焊道根焊道点焊3焊接工艺评定2按照RCC-M 2000的标准要求,进行了水平固定(5GT和垂直固定(2GT两个位置焊接工艺评定。根据标准,若两个位置的工艺评定全部合格,即可以覆盖核岛安装现场所有不同焊接位置的焊口。3.1水平固定管道(5GT焊接工艺评定母材牌号为Z3CN20-09M ,外径840mm ,壁厚75mm ;焊丝牌号为ER316LSi(AWS 标准,直径0.8mm ;保护气体:Ar(99.99%;焊接工艺参数如表5所示。图9充氩装置实物3.2垂直固定管道(2GT焊接工艺评定母材牌号为Z3CN20-09M ,外径680mm ,壁厚65mm ;焊丝牌号为ER316LSi(AWS 标准,直径0.8mm ;保护气体:Ar(99.99%;焊接工艺参数如表6所示。两个位置的工艺评定试件经外观检验表明,焊缝外形均匀美观,表面无气孔、夹渣、咬边、裂纹等缺陷。焊缝内部质量经射线探伤检查,无夹渣、无未熔合、无未焊透和裂纹等缺陷,气孔未超标,评片为RCC-M 标准级,完全符合标准要求。RT 检验合格后,按照标准要求对两个试件进行了破环性试验,试验结果也满足标准要求,进一步验证了窄间隙自动焊工艺是可行的,具体数据如表7所示。对焊条电弧焊和自动焊的接头组织和性能进行了光学显微分析,如图10、图11所示。可以看出:焊条电弧焊焊缝的熔合区尺寸较大,熔合线附近焊缝金属晶粒尺寸较大,焊缝中的粗大柱状晶发达,焊缝中夹杂物脱落痕迹较明显;自动焊焊缝的熔合区尺寸较小,熔合区附近焊缝金属的晶粒粗化不明显,焊缝中柱状晶尺寸较小;自动焊下坡段接头熔合区附近的焊缝中存在等轴晶,焊缝中的柱状晶细小。4焊接收缩量在主管道上按照时钟位置的12点、3点、6点、9点位置划分设定4个测量点,如图12所示。在每专题讨论王海东等:压水堆核电站主回路管道窄间隙自动焊工艺研究第8期专题讨论电力工程焊接技术专题讨论 第 40 卷 表6 焊接区间 焊缝 宽度 mm 6102 6102 根焊道 峰值 电流 IA 1805 1805 基值 电流 IA 8010 8510 峰值 电压 UV 9202 9602 9602 9602 9802 9802 9802 2GT 工艺评定焊接参数 焊接 速度 IPM 2601 2601 2601 2601 2501 2501 2501 2501 2501 2601 2601 脉冲 占空比 气路 1 气路 2 背面气体 频率 pps QL min1 QL min1 QL min1 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 305 305 305 305 305 305 305 305 255 255 255 6010 6010 6010 6010 5010 5010 5010 5010 205 205 205 205 峰值送 基值送 丝速度 丝速度 IPM IPM 0 205 405 505 505 605 605 605 605 4020 4010 表7 0 105 205 305 305 405 405 405 405 2020 2010 点焊 6802 20010 10010 7502 23010 13010 7802 25010 15020 8102 27010 16020 8502 29010 19020 填充焊道 8602 30010 20020 10002 9305 31010 21020 10002 9305 27030 17030 10002 盖面焊道 9505 24020 14030 10203 专 题 讨 论 电 力 工 程 焊 接 技 术 理化试验结果 5GT 595， 610， 585， 630 465 455， 515， 490， 510， 495， 520， 505 136， 150， 104， 127， 113 129， 106， 113， 128， 187， 207， 135， 160， 187 168， 124， 143， 171， 合格 合格 合格 合格 合格 合格 标准要求 520670 320 480 60 60 3d180 3d180 3d180 符合 MC1320 符合 MC1320 符合 MC1310 w(Co 0030 0029 w(Cu 0058 0057 焊接方法 熔敷金属常温拉伸MPa 熔敷金属高温拉伸MPa 焊接接头拉伸强度MPa 焊缝冲击J 热影响区冲击J 面弯 背弯 侧弯 宏观 微观 晶间腐蚀 化学元素 2GT 5GT w(C 0023 0013 w(Si 072 079 w(Mn 1686 1707 2GT 580， 595 420 520， 540， 530 530， 530， 535， 125， 138， 115， 126， 149 134， 127， 120， 130， 221， 216， 215， 205， 217 193， 210， 219， 201， 合格 合格 合格 合格 合格 合格 w(P 0020 0018 w(S 0011 0012 w(Ni 1155 1208 w(Cr 1816 1824 w(Mo 2001 2559 82 94 标准要求 003 065090 100250 0025 0025 1214 1800020000 20003000 0150 0150 500015000 图 10 焊条电弧焊焊接头熔合区组织 图 11 自动焊接头熔合区组织 道焊缝焊接完成后对每个点的数据进行测量和计 算， 掌握主管道窄间隙 TIG 自动焊焊接过程中焊缝 26 轴向收缩变形量。 管道焊缝轴向收缩量与管道焊接层数的关系 Electric Welding Machine 专题讨论 王海东等： 压水堆核电站主回路管道窄间隙自动焊工艺研究 第8期 图 12 收缩量测量点 从表 8 可以看出， 压水堆核电站主管道焊接一 道口， 两名焊工平均需一个月时间， 另外还必须配 一名专职打磨工， 劳动强度极高； 而窄间隙自动焊 坡口尺寸比焊条电弧焊的坡口尺寸要小得多， 熔敷 熔敷效率为焊 金属量仅相当于焊条电弧焊的 18， 条电弧焊的 57 倍， 自动 TIG 焊没有焊接药皮， 不需 要打磨， 焊一道口平均只需 1012 天， 在焊接时间 和焊接材料消耗两方面节约相当显著。 如图 13 所示。 可以看出， 焊接过程中， 30 层的焊 前 接对焊缝轴向收缩影响最大， 随着焊缝厚度的继 续增加， 焊接热循环对焊缝轴向收缩的影响逐渐 减小。 6 结论 图 13 焊缝轴向收缩变形趋势 焊接完成后计算出了主管道窄间隙 TIG 自动 焊焊接收缩量的大致范围约为 9 mm。 5 对比分析 主管道采用焊条电弧焊工艺和窄间隙自动焊 工艺完成的焊缝接头试件如图 14 所示。 图 14 焊条电弧焊(左与自动焊(右试件 与焊条电弧