大型薄片法兰盘制造技术

1、大型薄片法兰盘制造技术李少南摘要：本文通过对AP1000核电CA04模块顶法兰组装过程中可能产生的焊接变形进行分析，并通过制定合理、有效的施工方法来控制法兰组装工作的重要参数，以满足后续的安装和机加工要求。本文将从法兰板的零部件准备到整个法兰组焊完成，对法兰的制作过程和组焊工艺进行详细描述并对最终数据进行分析。关键词： CA04顶法兰，组装，焊接变形控制，措施。1、工程概况海阳一期AP1000核电2#岛RV腔室CA04结构模块顶部存在一直径为6096mm的八边形用以支撑压力容器支座的大型薄片法兰结构CA04顶法兰（图1）。该法兰由40块2#零件板（38.1mm厚）、8块3#零件板（38.1mm

2、厚）、4块6#零件板（12.7mm厚）、64个剪力钉、8块法兰板（44.45mm厚）和28根L形钢筋。法兰板和零件板材质均为A36。法兰组装焊接接头形式有：对接焊缝、T接焊缝和角接焊缝，焊缝总长约100m，单条焊缝长度达2144mm。考虑到后续安装时剪力钉、6#零件板和L形钢筋可能与RV内部已安装的构件存在互相干涉，剪力钉、6#零件板与L形钢筋待法兰就位后进行焊接。图1：CA04顶部法兰整体结构CA04顶部法兰在厂内组装完成后需安装到已就位且已浇筑混凝土的CA04结构模块上部，安装完成后法兰内部半径要求为2590.8mm-4.76mm+4.76mm，其四个面需要精加工，法兰板精加工后的厚度要求

3、为，平面度要求为单个面0.127mm，每305mm内平面度不超过0.0254mm，法兰四个机加工面最终标高要求为8090.4mm-0mm+3mm。为了保证精加工面的加工精度及加工后的法兰板厚度要求，在整个法兰面上需要控制焊接变形在3mm范围内（即整个法兰面的共面度不小于3mm）。同时，考虑到后续RV支撑和RV安装的精度要求，在组装过程中，需要严格控制法兰结构的整体外型尺寸和平面位置。图2：CA04顶部法兰机加工范围2、施工重点难点2.1 CA04顶法兰属于单面焊缝结构，即仅仅在法兰板的一面有焊缝，这样焊接过程中由于单边受热而产生的热胀冷缩，造成法兰板在焊接筋板过程中受到复杂的应力作用，而很难精

4、确控制其焊接变形；2.2 CA04顶法兰由于需要控制最终厚度为度要求为，因此在考虑法兰现场安装及机加工余量的情况下，焊接后法兰的整体平面度需要控制在3mm以内。法兰焊缝金属填充量大，且法兰本身是一个封闭结构，焊接过程中应力无法自由释放，在焊接过程中如何控制焊接变形量在3mm以内是法兰施工的一大难题；2.3 由于焊接过程中存在收缩，如何保证焊接完成后在保证平面度的情况下，法兰外形尺寸满足设计要求，在焊接之前如何预留焊接变形量也是CA04顶法兰焊接施工的一个难题；2.4 3#零件板要与CA04模块筒体顶部配合，如何保证法兰板上的3#零件板的位置能与筒体完全配合且配合间隙满足焊接工艺要求也是法兰施工

5、的一大难题。3、焊接变形趋势分析及控制措施3.1 法兰焊接形式根据西屋设计文件，法兰主体存在的焊缝主要有2#零件板与法兰面板之间的部分熔透+角焊缝焊接、3#零件板与2#零件板和法兰面板之间的部分熔透+角焊缝焊接、法兰面板之间的全熔透焊接（以下称主焊缝）。如图3：图3：法兰焊接形式3.2 法兰焊接变形趋势分析焊接变形的主要原因是由于焊接过程中，结构件在焊接热源的作用下，受到不均匀的加热和冷却，使结构件各部位金属的膨胀和收缩不均衡，结构件各部位既相互连接又相互制约，不能自由地膨胀和收缩，从而使结构件内部产生不均衡应力，产生焊接变形。焊接变形控制的好坏直接影响到法兰焊后矫正的难度、最终的几何尺寸以及

6、法兰与CA04模块筒体连接的精度。根据焊接变形产生的原因及法兰的结构和焊接形式，引起法兰板平面度改变的焊缝主要是：2#件与法兰板的部分熔透+角焊缝、3#件与法兰板的部分熔透+角焊缝以及法兰板之间的全熔透焊缝。变形的趋势如下图：图4：2#件与法兰板焊接变形图5：3#件与法兰板焊接变形图6：法兰板之间焊接变形3.2 法兰焊接变形控制措施针对法兰可能产生的变形，主要从组装方法、刚性约束、选择焊接接头形式，采用合适的焊接工艺、调整焊接顺序、等方面来控制法兰变形。1) 组装方法。将单块法兰板及法兰板上的2#、3#零件板组装，之后再总体组装。采用分步组装的方法可以减缓焊接的刚性拘束程度，使部分焊缝自由收缩

7、分散焊接应力和焊接变形，且可以及时对焊接变形进行矫正。图7：组装2#、3#及5#零件板形成构件5图8：组装2#、3#及1#零件板形成构件12) 刚性约束。通过机械卡紧固定，使法兰达到一定的刚性拘束度，从而限制焊接变形的发生。采用刚性约束的方法必须选择正确的卡紧方式或卡紧的结构、受力点。根据法兰的外形尺寸及组装特性，设计组装平台（如图7），并在平台上安装码板、门形架、微调螺栓控制法兰在组装过程中的变形，同时提供足够的施焊空间。图9：组装平台3) 选择焊接接头形式。主焊缝采用X形坡口，焊接位置为1G和4G位置。焊接时，采用双面对称焊接（或双面交替焊接），焊接过程中要对法兰的平面度进行测量，根据测量

8、的结果随时调整焊道分布和焊接顺序。图10：1#与5#零件板之间焊接接头形式4) 焊接工艺。焊接采用手工电弧焊（SMAW），焊接材料为E7018，焊条直径为3.2、4.0。焊接施工整个过程中只允许采用3.2的焊条进行焊接，4.0的焊条作为备用焊条，是为了平衡热输入进而控制变形量才允许使用。所有的焊接操作手法均采用直线的方式，为了调整焊接变形的情况下才允许摆动。根据AWS D1.1-2000同时结合设计要求，主焊缝焊接过程中预热及层间温度不得低于150，其他部位的焊接温度不得低于95。焊接过程中，要记录每条焊道焊接电流、焊接电压、焊接速度、每条焊道的宽度和每层焊道的厚度。当法兰产生变形时间，根据此

9、数据进行分析，然后采用合理的焊接操作方式对变形进行控制，以满足设计对法兰共面度的要求。5) 合理的焊接顺序。由于4根3#零件（长2189mm）板跨主焊缝，若焊接完成主焊缝后再焊接这4根3#零件板，将导致法兰面产生较大的变形。所以，经过设计方同意，将跨主焊缝焊接的4根3#零件板切割成三段（如图11）。3#-2零件在分步组装时进行焊接，3#-1及3#-3零件板在法兰板主焊缝完成后进行焊接。图11：3#零件板分段下料图对于8条主焊缝的焊接，采用对边施焊，施焊顺序为1和5、2和6、3和7、4和8（如图3），焊接采用上下两面交替施焊的方法控制其角变形。为方便清根，首先采用4G位置进行打底焊道的焊接，焊接

10、2-3道后再进行背面清根；打底焊焊接前，为控制法兰向下方向的角变形，在焊缝背面增加跨焊缝的2-3个加强筋，加强筋厚度不低于38mm，打底焊接完成后，将加强筋去除，对焊缝进行清根，然后在背面进行填充，填充过程用高精度水准仪对焊接变形进行监控，根据焊缝的角变形量调整焊接的热输入量，待向下方向上的角变形消除后，再进行1层的填充，停止焊接，进行后面两条焊缝的焊接，焊接要求同上，这样依次完成8条焊缝的4G位置打底焊接及1G位置的部分填充。该部分工作完成后，对法兰的平面度进行一次整体测量并记录测量结果，根据法兰的变形程度，调整填充焊接的焊接次序，每填充完一层，进行一次测量，直至完成所有8条焊缝的焊接。4、

11、施工工艺法兰的制作过程可分为两个工艺阶段：构件的制作和整体组装。4.1 法兰构件的制作否是法兰制作启动零件板下料法兰板上3#零件板（包含长段）焊接及NDE检测2#零件板与法兰板焊接及NDE检测平面度小于3mm单块法兰板矫形结束平面度测量对已就位的CA04模块筒体顶口外径、标高进行复测根据测量结果对3#零件板放线定位否是法兰制作启动零件板下料法兰板上3#零件板（包含长段）焊接及NDE检测2#零件板与法兰板焊接及NDE检测平面度小于3mm单块法兰板矫形结束平面度测量对已就位的CA04模块筒体顶口外径、标高进行复测根据测量结果对3#零件板放线定位图12：构件制作工艺流程图1) 零件板下料由于1#法兰

12、板外形尺寸较大，并且不规则。热切割时由于存在热胀冷缩会造成法兰板变形，因此在采用热切割下料时要采取措施避免扭曲变形，1#法兰板采用热切割方式的下料时，在设计尺寸的基础扩大3mm（若采用冷加工方式，则按设计尺寸下料），剩余的量用冷加工或人工打磨的方式达到设计尺寸。3#零件板若变形将直接导致法兰板组对间隙以及后续与CA04筒体组对时间隙过大而无法满足焊接施工要求，因此3#零件板若采用热切割的方式进行下料，则下料完成后必须进行调直。另外，由于3#零件板的尺寸直接关系到法兰能否顺利与CA04模块顶部墙体完全配合。因此，下料时需将3#零件板的长度适当放大20mm30mm，以备后续修整打磨所需余量。2)

13、3#零件板定位控制及构件焊接变形控制3#零件板需要根据CA04顶口位置度测量数据进行定位，其定位公差采用正公差（如图13）。图13：3#定位（注：L为CA04模块筒体上口外径测量数据）2#、3#零件板均处于法兰板同一侧，无法形成对称焊缝，但是法兰整体属于对称结构，4个构件1结构相同，4个构件5结构相同。因此，在零件板组对点焊后，使用刚性固定的方式将相同构件背在一起进行施焊。焊接时，对正反两个构件对称施焊。图14：构件焊接3) 单个构件矫形在每块1#板正面均匀设74个测量点，在每块5#正面均匀设25个测量点，方便在矫形过程和后续的组对过程中对法兰板变形情况进行监控。图15：法兰板测量点焊接完成单

14、个构件后，使用高精度水准仪对法兰面进行测量，若法兰平面度大于3mm，则采用自制的门形架配合千斤顶对法兰板进行机械矫正。图16：法兰构件矫正否是组装平台调整法兰板拼装及调整法兰结构外型尺寸及平面度测量平面度小于3mm根据测量结果进行调整是法兰结构主焊缝焊接跨主焊缝的3#零件板焊接热处理和NDE检测法兰结构主焊缝点焊整体平整度测量平面度小于3mm矫形否否是法兰结构整体平整度、外型尺寸测量整体矫形平面度小于3mm结束4.2 法兰整体组装否是组装平台调整法兰板拼装及调整法兰结构外型尺寸及平面度测量平面度小于3mm根据测量结果进行调整是法兰结构主焊缝焊接跨主焊缝的3#零件板焊接热处理和NDE检测法兰结构

15、主焊缝点焊整体平整度测量平面度小于3mm矫形否否是法兰结构整体平整度、外型尺寸测量整体矫形平面度小于3mm结束图17：法兰整体组装工艺流程图1) 组对法兰进行焊接前组装时，依靠组装平台上的调节螺栓进行调平、组对，组对间隙控制在5mm以内。由于主焊缝的焊接会造成焊缝收缩，从而造成法兰整体尺寸变小，为了控制整体尺寸，组对时预留一定的尺寸收缩量。根据相关经验及法兰半径方向设计公差（±4.76mm），组对时法兰整体外形尺寸在设计尺寸的基础上，在直径方向上扩大8mm。并用码板及楔铁进行刚性固定，以尽量减小焊接收缩量。另外，在组对时应严格控制错边量，错边量应小于1mm，必要时可以使用微调螺栓及千

16、斤顶进行调节。2) 点固法兰主焊缝焊接预热温度较高，若需要焊接的两块法兰板在焊接前处于自由状态，在加热过程中由于热膨胀的作用，法兰的整体尺寸及坡口的根部间隙将发生改变。为此，必须将法兰进行整体固定，以防止产生不必要的变形，预热前采用30的圆棒将焊缝坡口点固。沿焊缝长度方向均布5个点焊点（见图18）。这样，在加热过程中，由于圆棒的点固作用，法兰受热整体膨胀，不会造成坡口部分的形变。点固棒可以点在1G或4G位置的坡口（但所有的点固棒需在同一侧位置）。图18：法兰板的点固3) 焊缝焊接及控制当预热温度达到93.3以上时，即可开始焊接工作，焊接应采用WPS规定的最小电流。在没有点固棒的一侧开始打底焊接

17、，焊接厚度为6mm左右（第一层若是间隙过大，可以稍做摆动）。打底焊接完成后，将点固棒去掉（由于打底层焊缝金属的存在，此时去掉点固棒，不会影响到整体尺寸），然后清根。清根完成后从清根侧开始焊接，焊接厚度3mm左右。两面打底均完成测量变形情况，根据变形情况确定下次焊接的位置（1G或4G）。由于在打底焊清根完成后，造成焊缝两侧焊接填充量不对称，因此在焊接完成时会存在打底焊一侧已完成盖面焊接，而另一侧可能还需要填充一层后才能进行盖面焊接。在进行盖面焊接时，需根据法兰板变形情况使用临时筋板或者千斤顶进行调节控制法兰板焊接角变形（如图19）。图19：盖面焊接时使用千斤顶调节主焊缝焊接完成后，对8条主焊缝进

18、行焊后热处理，加热范围以焊缝中心为基准，焊缝两侧各不小于母材厚度的 3倍（即 130mm），热处理技术要求如下：升温至315后，升温速率不得大于110/h,升温至610，保温2h，保温完成后进行冷却，冷却速率不得大于140/h，冷却至315后，可以进行空冷。热处理是消除焊接构件的残余应力的重要手段，但是并不意味着同时能够消除构件的残余变形。为了达到同时消除焊接构件残余变形的目的，在构件温度没有完全降低到室温前，码板及楔铁不可拆除。为避免变形量的累积，在热处理完成后拆除斜铁使法兰板处于自由状态并对法兰平面度进行测量。若法兰平面度大于3mm，则对法兰进行矫正后再进行跨焊缝3#零件板的焊接。焊接跨焊

19、缝3#零件板前，先在3#零件板另侧对应位置处的法兰板上点焊一厚度大于3#零件板且宽度不小于100mm的筋板，用于控制3#零件板焊接时的角变形量。图20：焊接角变形控制筋板5、法兰制作、矫正效果分析及经验总结5.1 法兰制作及矫正效果分析法兰构件及法兰整体组装按照上述工艺进行制作，有效控制了焊接变形，保证了法兰质量且为后续的现场安装及现场机加工奠定了基础。法兰构件焊接完成后其平面度见图21，矫正后平面度见图22（以构件1#-1为例）。图21：构件焊接完成后平面度图22：矫正后平面度注：根据测量数据，法兰横向平面度在1mm以内，图21、22数据为法兰外边缘均匀分布的17个点位测量数据由图21和图2

20、2可以知道，在构件1焊接时，由于采取两个构件1相背的固定方式，构件1焊接完成后整体变形在理想范围内。构件1的两端由于是自由状态，变形超出了设计范围。在矫正后，构件1的整体平面度在2mm以内，完全满足设计要求。法兰整体组装过程中，由于主焊缝采取了X形焊缝，可以根据法兰板变形情况方便的调整焊接顺序，所以主焊缝的焊接对法兰板的角变形影响不大（见图23）。但是在法兰热处理完成、拆除楔铁后测量发现，整个法兰平面度达到6mm。经过对测量数据分析，发现整个法兰呈现内低外高的盘子状，法兰径向的内外边缘最大偏差达到了4mm，而在法兰的环向上各点之间的平面度在3mm以内。产生变形的原因主要是因为主焊缝焊接收缩（每

21、条焊缝收缩约2.5mm），而整个法兰被刚性固定，法兰在径向无法收缩造成的（图24）。图23：主焊缝焊接角变形（注：选取焊缝两侧300mm范围内测量点）针对法兰的变形情况，对法兰的八个角进行矫正。矫正时使用码板及楔铁把法兰内侧固定，然后使用门形架和千斤顶对法兰八个角的外侧进行施压（图25）。焊接收缩方向 图24：法兰主焊缝焊接收缩示意图 图25：法兰板矫正跨焊缝的3#件焊接完成拆除楔铁后，经测量，法兰平面度达到了15mm，远远的超出了设计范围，且出现了交严重的角变形，如果矫正点和矫正方法不正确的话，法兰将很难达到要求的平面度。经过对测量数据从点到线再到面进行分析，发现法兰整体呈现内高外低的倒扣的盘子状，内外边缘高差最大处达到10mm，而法兰外圈测量点高差在3mm以内，内圈测量点高差达到5mm，且法兰内边缘3#零件板对接处产生较大角变形。变形产生的原因主要是3#零件板对接焊缝收缩，产生较大的角变形。针对此种情况，首先对法兰内侧角变形点位进行矫正，然后再固定法兰内侧，使用门形架和