核电工程焊接培训教材

核电工程焊接管理培训教材 郑日水 1 课程内容 1 焊接基础理论概述2 核电常用焊接材料 金属材料3 核电工程的焊接特点4 核电站核岛一 二回路的焊接情况介绍5 核电工程焊接管理6 核电工程常用的无损检验方法和术语介绍7 核行业NDT无损检测取证要求 2 1 焊接基础理论概述 1 1什么是焊接 焊接是通过加热 加压 或两者并用 使两个分离的物体产生原子 分子 间结合而连接成整体的过程 焊接应用广泛 既可用于金属 也可用于非金属 1 2什么是电弧焊 通过电来引弧并产生热量进行焊接的方法 电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法 它包括焊条电弧焊 埋弧焊 钨极气体保护电弧焊 等离子弧焊 熔化极气体保护焊 3 绝大部分电弧焊是以电极与工件之间燃烧的电弧作为热源的 在形成接头时 可以采用也可以不采用填充金属 所用的电极是在焊接过程中熔化的焊丝时 叫做熔化极电弧焊 诸如焊条电弧焊 埋弧焊 气体保护电弧焊 管状焊丝电弧焊等 所用的电极是在焊接过程中不熔化的碳棒或钨棒时 叫做不熔化极电弧焊 诸如钨极氩弧焊 等离子弧焊等 4 焊条电弧焊是手工操作焊条进行焊接的电弧焊方法 焊条芯作为电极和待焊试件之间产生电弧 焊条电弧焊装置组成 5 埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法 埋弧焊装置示意图 6 钨极氩弧焊在惰性气体的保护下 利用钨电极与工件之间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的焊接方法称钨极惰性气体保护焊 英文简称TIG 手工氩弧焊图片 doc TIG焊原理示意图 7 熔化极气体保护焊 熔化极气体保护焊机 JPG 熔化极气体保护焊是以可熔化的金属焊丝作电极 并由气体作保护的电弧焊 熔化极气体保护电弧焊示意图 8 1 3焊接缺陷焊接过程中产生的不符合标准要求的缺陷 称为焊接缺陷 焊接中对焊接接头质量的评定 是以焊接接头存在缺陷的性质 尺寸 数量和对焊接接头使用安全危害程度等作为依据的 因此 焊接缺陷的存在 决定焊接接头质量的优劣 常见的焊接缺陷有 裂纹 咬边 焊瘤 内凹 未焊透 夹渣 气孔 过烧 RT检验焊接缺陷实例 doc 9 2 核电常用焊接材料 金属材料 2 1 金属材料1 秦山核电二期扩建机组安装常用的钢材碳钢 P280GH TU42C A106Gr B 20 16MnR Q235B Q235C Q345C不锈钢 Z2CN18 10 Z2CND17 12 Z2CND18 12 304L 316L 00Cr19Ni10 00Cr17Ni12Mo2 10 2 钢材的焊接性能 碳钢的焊接工艺特点含碳量及其它合金元素低 且都是优质碳素钢 对有害元素的含量控制的严格 焊接性能比其它类型的钢好 焊接具有以下特点 可装配成各种不同接头 适应各种不同位置施焊 且焊接工艺和操作技术比较简单 容易掌握 焊前一般不需预热 但对核岛安装工程焊接接头有一定的技术要求和质保要求 核电站设计要按40年运行 考虑到焊接接头承受各种应力 机械热应力 腐蚀应力 11 塑性好 焊缝产生裂纹和气孔的倾向小 可制造大型的构件及受压容器 核电站用它来预制支架 贮罐 管道等 焊接电源 使用手工电弧焊时 需采用直流焊机 因为工程中使用的均为碱性焊条 使用氩弧焊时 对焊接电源没有特别要求 直流均可使用 焊接熔池也可能受到空气中氧和氮的侵袭 使焊缝金属氧化或氮化 焊缝中有氧化亚铁存在 可能引起热裂纹 但核电工程选材问题上都特别重视选用优质碳素钢焊条 抗裂性能好的耐碱性焊条 在技术上 采取较可靠的焊接方法和工艺 从事建设的焊工都要严格的经培训取证才能上岗 焊接方法 对于低碳钢 几乎可采用的焊接方法 都能满足性能的要求 在核岛安装工程中选用的焊接方法有 氩弧焊接 手工电弧焊 氩电联合焊 CO2气体保护焊 12 不锈钢秦山核电二期扩建工程常用不锈钢牌号 RCCM1 2 3级设备 管道 材料 比较常用的如 Z2CN18 10 Z2CND17 12化学成分 13 机械性能 核电还要求有特定的常温 低温冲击值 14 不锈钢焊接工艺特点在不锈钢的焊接中 绝大部分为奥氏体不锈钢的焊接 奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性 耐高温性和良好的焊接性 如果焊材选用不当或者焊接工艺不正确也会产生下列问题 晶间腐蚀是18 8型奥氏体钢 如1Cr18Ni9 最危险的破坏形式之一 室温下碳元素在奥氏体中的溶解度最小 约0 02 0 03 而一般不锈钢中含碳量均超过0 02 0 03 因此只能在淬火状态下使碳固溶在奥氏体中 从而保证钢材具有较高的化学稳定性 但是这种淬火状态的奥氏体钢当加热到450 850 或在该温度下长期使用时 就会在腐蚀介质中产生晶间腐蚀 15 奥氏体钢产生晶间腐蚀一般认为是由于晶粒边界形成贫铬层造成的 其原因是在450 850 温度下 碳在奥氏体中扩散速度大于铬在奥氏体中的扩散速度 当奥氏体中含碳量超过它在室温的溶解度 0 02 0 03 后 碳就不断向奥氏体晶粒边界扩散 并和铬化合 析出碳化铬Cr23C6 但是铬的原子半径大 扩散速度较来不及向边界扩散 当晶界附近大量的铬和碳化合成碳化铬造成奥氏体边界贫铬 当晶介附近的金属含铬量低于12 时就失去抗腐蚀的能力 在晶间腐蚀介质的作用下即产生晶间腐蚀 16 奥氏体不锈钢在焊接不当时会在焊缝和热影响区造成晶间腐蚀因此在焊接工艺上应采取下列措施 控制含碳量 碳是造成晶间腐蚀的主要元素 碳含量在0 08 以下时能够析出碳的数量较少 碳含量大于0 08 能高析出碳的数量增加 所以控制基本金属和焊材的含碳量在0 08以下 如0Cr18Ni9Ti A107 A137另外 若奥氏体钢中的含碳量为0 02 0 03 时则全部碳溶解在奥氏体中 即使加热450 850 也不会形成贫铬区 故不会产生晶间腐蚀 通常所说的超低碳不锈钢如00Cr18Ni10 TP304L等 添加稳定剂在钢材核焊材中加Ti Nb等于碳的亲和力比铬强的元素能够于碳结合成稳定的碳化物 从而避免在奥氏体晶界造成贫铬对抗晶间腐蚀能力起十分良好的作用 常用的不锈钢材和焊材都含有Ti和Nb 17 进行固溶处理 将焊接接头进行固溶处理 方法是在焊后把接头加热到1050 1100 此时碳又重新溶入奥氏体中然后迅速冷却 稳定奥氏体组织 采用双相组织 在焊缝中加入铁素体形成元素 如铬 铝 硅 钼等以使焊缝造成奥氏体加铁素体的双相组织 因为铬在铁素体中扩散速度比在奥氏体中快 碳化铬就在铁素体内部和附近析出减轻了奥氏体晶界的贫铬现象 一般控制焊缝金属中铁素体含量为5 15 如铁素体过多也会使焊缝金属变脆 18 减少焊接热输入 在焊接工艺方面 可采用小的焊接电流 大的焊接速度 短弧多道焊 先焊一层后 完全冷却后再焊下一层 也就是层间温度的控制 一般焊工在焊接不锈钢件使层间温度都控制在60 以下 手能摸 再焊下一道 此外还必须注意焊接次序 尽量不使它受重复热循环作用 另外 应注意焊缝避免过热 例如 打磨焊缝过热发兰色 用大范围 焊条尾部发红 温度过高 一些有用的保护成分过早挥发 合金元素的烧损 也容易形成焊接缺陷 19 2 2 焊接材料 秦山核电二期扩建工程常用焊材 20 焊材管理焊接材料管理是保证焊接质量的前提之一 错用焊接材料会造成潜伏的不合格焊缝而留下质量隐患 甚至导致核电站运行期间重大事故的发生 焊材的管理主要从两方面入手 1 外部保证 a 必须进行合格供应商的评价 焊接材料合格供应商清单 doc b 从外部采购的焊材必须按标准或 设计 焊接采购技术规格书进行采购 验收试验 特别是核级焊材需要复验合格 按验收 试验程序达到合格后方可入库 2 内部控制 严格按程序要求存放 烘干 保温及发放 21 焊材的验收焊材的存放烘干与保温 烘干设备 JPG 焊接材料的发放 回收 22 焊接材料的使用焊条焊工在工作前应先把焊条保温筒连接在24 220V的电源上 将保温筒进行加热 当保温筒内温度升至规定的保温温度时 焊工带上保温筒去烘干室领取焊条 自烘干室领取焊条应一直保存在焊条保温筒内 焊条保温筒内的温度应控制在70 150 保温筒内装入焊条后 筒盖应处常闭状态 焊接时应逐根取出 取出焊条后应随即关闭筒盖 破坏的焊条和焊条头 应丢弃在焊工个人使用的废料桶中 定期处理掉 施焊区域保持没有无标识的焊条 没有焊条头 工作结束 未使用完焊条应随保温筒一并退回烘干室 焊丝做标记移植 放焊丝筒发放 使用 23 3 核电工程的焊接特点 压水堆核电站系统一览表 含核蒸汽系统 24 25 常规岛的焊接工程主要涉及的系统有主蒸汽 主给水及启动给水 旁排 高加回路 循环水 凝结水 加热器疏水 排汽 辅助蒸汽 凝汽器抽真空 汽轮发电机组润滑油 凝结水精处理 二回路取样系统等 包括主蒸汽管道 导汽管 再热蒸汽管道 冷段 热段 主给水管道 抽汽管道 油系统管道 不锈钢管道 热工仪表及排污取样管 水箱 循环水管道 油罐 除氧器 低压缸 凝汽器组合焊接 铝母线及有关重要受力构件的焊接等 焊缝数量达十万多个 大量合金钢管道的焊接 壁厚大 焊接过程需要采取预热 层间保温 后热 焊后热处理及防变形等 由于设计管道布置的空间位置有限 焊接空间狭窄 焊口焊接难度大 26 材质覆盖面广根据目前 AP1OOO 设计所提供的系统管子材质 参考以往同类容量机组 母材主要采用了进口材料如SA335P11 SA335P22 SA516Cr70 SA688TP304L SA803TP493等 并且汽机房部分管道焊口采用不锈钢与异种钢对接 由于主蒸汽管道焊接难度大 设计材质为SA335P11 壁厚最大达65mm 焊接工艺复杂 具有很大的特殊性和焊接难度 山东核电设备制造厂目前在CV CA20等模块采用的材料 AP1000常用材料表 其他核电均包括了不锈钢 碳钢 低合金钢等金属材料 见2 1 金属材料部分 27 4 核电站核岛一 二回路的焊接情况介绍 核电站的动力装置由反应堆 一回路系统和二回路系统等三个主要部分组成 核电站是一座利用原子核裂变反应释放的核能来发电的发电厂 它的核心是反应堆 反应堆工作时释放的核能 主要以热能的形式 由一回路系统的冷却剂带出 用以产生蒸汽 因此 整个一回路系统被称为核蒸汽系统 而由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回路系统 与常规火电厂基本相仿 一般称之为 常规岛 一个核岛和核辅助厂房的焊缝总量达120000道以上 属于核I II III级管道为主 仅仅少部分是核无级管道 涉及到大量的无损检验 目前 核岛管道系统的焊接采用的全手工氩 电联合焊或手工氩弧焊 一回路主管道的焊接 主管道手工焊接试验 JPG 主管道现场焊接 JPG 未来一回路主管道的焊接采用新工艺 窄间隙焊 主管道金轨自动焊试焊 照片 ppt 28 核电厂运行时 主蒸汽推动汽轮发电机发电后 蒸汽转化成冷凝水 流到凝汽器内 这时凝汽器的水温很高约为200 需要冷却 循环冷却水系统 三回路系统 就是向汽轮发电机组的凝汽器和辅助冷却水系统提供必须的冷却水量 循环水冷却系统 其水源为海水 从取水口以每秒取水39 77立方米的水量 以每秒3米的流速流入输水隧道 经拦污栅及机械格栅除污机 鼓形旋转滤网 进入循环水泵 混凝土蜗壳泵 将海水输送到汽轮发电机的凝汽器冷却 冷却后的海水通过排水管道流向大海 这部分管道采用防海水腐蚀的特制材料 10CrMoAI 焊材牌号 海03一般管道直径在4米多的大管道 焊接量很大 管道质量要求很高 属于隐蔽工程 涉及大量的无损检验 29 30 5 核电工程焊接管理 管理方 需要编制管理程序 提交施工方执行的程序 施工方需要编制的施工程序 报管理方批准 需要组织审查焊接专业施工组织设计 焊接专业施工组织设计是施工方全方位组织焊接施工的指导性文件 主要内容包括焊接工程概况 焊接施工技术方案 受监焊口 焊接热处理及检验 焊接质量管理体系 劳动力安排及用工曲线 焊接机具设备配备 焊工培训考试规则 焊接工艺评定项目 新技术新工艺应用 质量安全及文明施工的规章制度及所要达到的质量目标等 严格按程序进行监督 检查 验收 31 焊接施工管理焊接程序准备焊接材料复验 验收要求及贮存要求 一般复验合格的焊条有效期为2年 过期需重新复验合格才能使用 焊接工艺评定要求及工艺评定文件管理焊工培训要求及焊工资格管理环境要求焊接劳动力安排焊接产品见证件焊接要求焊接工机具 设备管理要求 32 焊接监督管理在实施过程中按程序要求 实行现场旁站 巡视监督管理和人员资格 设备状况及施工文件实施的监督管理 工程公司编制焊接质量监督 检查计划以及焊接质量管理实施细则 施工承包商在相关图纸到达后或根据同类型机组的经验 在工程前期编制焊接施工管理程序文件 包括 焊接材料入场验收和复验 焊接工艺评定程序 焊工资格考试程序 产品焊接见证件 焊接工程一览表 焊接工艺规程或焊接数据包程序及主要分项工程的施工程序 方案 焊接质量计划 关键点控制措施 焊接材料储存 保管 烘干及发放程序 焊缝热处理程序 焊接外观 无损检验管理程序等等 作为焊接施工管理过程的指导性文件 33 焊接质量管理工程公司应按程序要求做好焊接专项监督检查 按现场工程核安全等级要求 做好旁站 巡视 质量计划见证点的消点工作 在焊接实施过程中 对焊接材料复验 焊接工艺评定 焊工培训 焊接产品试焊 焊接见证件严格实行监督验证 人 机 料 法 环等五要素是否满足要求 对质量计划见证点科学见证 有条件放行 严把焊接质量关 对不符合项应严格按 不符合项管理程序 要求执行开启 审批以及关闭 施工承包商应把收集的信息和数据进行汇总分析 如外观检验缺陷 咬边 弧坑 气孔 夹渣等 无损检验缺陷 气孔 未熔合 未焊透 夹渣 裂纹等 每日完成焊口数 分项完成焊口数和每人完成焊口数 并根据以上数据完成 焊接分项工程周报表 焊接一次合格率统计表 等提交给工程管理公司和业主 以便监控分析质量波动的原因 督促施工承包商采取有效措施 加以控制 对于施工中现场焊接一次合格率低于90 的 需要承包商做同类缺陷分析 提交分析报告 按焊接月报报送工程管理公司 对于焊工一次合格率 必须按三个月进行滚动统计 对于焊接合格率低于85 的焊工 必须送回焊培中心接受再培训合格才允许再上岗施工 34 焊接质量计划焊接在施工中主要施工项目都应设置质量计划 如主管道的安装等 通用的项目没有独立的质量计划 焊接的质量控制主要使用焊接控制单来控制 在核电站施工中 每道焊口都对应一份焊接控制单 焊接控制单的选点由施工单位的质检部门和工程公司 业主根据焊缝的重要情况进行设点 一般施工单位的选点不能够少于工程公司 业主的见证点 焊接质量计划应该包含的信息 见如下实例 焊接质量计划 田湾核电主管道焊接质量计划 焊接控制单模板 秦山焊接控制单 doc二扩版 广核岭澳版焊接控制单 35 焊接竣工文件管理工程竣工后 焊接资料按设计文件和验收标准及法规要求执行 具体包括 焊接专业施工组织设计 重大项目焊接施工特别技术措施 焊接工作程序 实际完成焊接工程一览表 焊接材料质量证明和复验报告文件 焊接工艺评定项目清单 焊工技术考核登记表及其检验报告 焊接不符合项报告 焊接质量计划及其检验报告 受监焊口焊接 热处理及检验报告等 焊接工程质量评级资料 上述所有焊接资料按要求组卷组入相应的卷内 移交业主存档 36 6 核电工程常用的无损检验方法和术语介绍 NDT无损检测 是无损检测的英文 Non destructivetesting 缩写 是指对材料或工件实施一种不损害或不影响其未来使用性能或用途的检测手段 通过使用NDT 能发现材料或工件内部和表面所存在的缺欠 能测量工件的几何特征和尺寸 能测定材料或工件的内部组成 结构 物理性能和状态等 无损检验技术主要应用在以下三方面 监督和控制生产过程中的质量问题产品出厂前的成品检验和用户验收检验产品的使用过程中的维护检验 37 核电工程常用无损检验方法 一般采用7种渗透探伤 按照渗透剂的不同有四种方法 煤油白粉法着色探伤 PT PT检验出的焊接缺陷照片 JPG 荧光探伤渗透检漏探伤 LT 磁粉探伤 磁粉检测 MagneticParticleTesting 缩写符号为MT 铁磁性材料工件被磁化后 由于不连续性的存在 使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场 吸附施加在工件表面的磁场 在合适的光照下形成目视可见的磁痕 从而显示出不连续性的位置 大小 形状和严重程度 38 涡流探伤 英文名称是 EddyCurrentTesting 给一个线圈通入交流电 在一定条件下通过的电流是不变的 如果把线圈靠近被测工件 像船在水中那样 工件内会感应出涡流 受涡流影响 线圈电流会发生变化 由于涡流的大小随工件内有没有缺陷而不同 所以线圈电流变化的大小能反映有无缺陷 超声波探伤 UT 听觉范围 声波频率在16Hz 20kHz次声波 频率小于16Hz的声波超声波 频率超过20kHz的声波 39 超声波具有频率高 波长短 传播能量大 穿透力强 指向性好的特点 超声波在均匀介质中沿直线传播 遇到界面时发生反射和折射 并且可以在任何弹性介质 固体 液体和气体 中传播 在工业超声波探伤中传播介质主要是固体 液体作为藕合剂以减少声能损失 超声波在介质中的传播方式随振源在介质上施力方向与声波传播方向不同分为纵波 横波和表面波 超声波进入物体遇到缺陷时 一部分声波会产生反射 发射和接收器可对反射波进行分析 就能异常精确地测出缺陷来 并且能显示内部缺陷的位置和大小 测定材料厚度等 可发现工件内部较小的裂纹 夹渣 缩孔 未焊透等缺陷 被探测物要求形状较简单 并有一定的表面光洁度 40 射线探伤 RT X探伤机机头照片081 JPG X探伤机控制电源照片086 JPG 射线探伤是利用射线探测零件内部缺陷的无损探伤方法 利用X射线 射线和中子射线易于穿透物体和穿透物体后的衰减程度不同 使胶片感光程度的不同来探测物体内部的缺陷 对缺陷的种类 大小