魏海鳴

（中核遼寧核電有限公司，遼寧葫蘆島125000）

EPR核電站RIS系統(tǒng)貫穿件與膨脹節(jié)環(huán)板焊接變形控制

魏海鳴

（中核遼寧核電有限公司，遼寧葫蘆島125000）

針對(duì)EPR核電站安全注入系統(tǒng)（RIS）貫穿件與膨脹節(jié)環(huán)板焊接變形問(wèn)題，分析變形原因，并制定有效的預(yù)防措施和改進(jìn)焊接工藝。結(jié)果表明，所制定的預(yù)防措施和改進(jìn)的焊接工藝能有效控制貫穿件與膨脹節(jié)環(huán)板焊接后的變形，對(duì)大口徑管道與環(huán)板的焊接變形控制具有重要的借鑒意義。

核電站；安全注入系統(tǒng)；貫穿件；膨脹節(jié)；變形控制

1 概述

核電站安全注入系統(tǒng)（RIS）是核電站專設(shè)安全系統(tǒng)，由四列組成。其中任何一列可以在安注模式下運(yùn)行，也可以在余熱排出模式下運(yùn)行，主要包括反應(yīng)性控制、堆芯余熱導(dǎo)出和放射性物質(zhì)包容三個(gè)安全功能。當(dāng)核電站一回路系統(tǒng)的管道和設(shè)備發(fā)生破損事故后，安全注入系統(tǒng)用于向堆芯緊急注入高硼冷卻水，防止堆芯因失水而造成燒毀[1]。安全注入系統(tǒng)每一列都由安注罐、中壓安注泵（MHSI）、低壓安注泵（LHSI）、熱交換器和相應(yīng)的管道和閥門組成，四列分別布置在不同的安全廠房，每一系列都連接在一回路主系統(tǒng)的一條環(huán)路上，允許電站正常運(yùn)行期間可以在某個(gè)安全系列上進(jìn)行預(yù)防性維修和維護(hù)工作[2]。

膨脹節(jié)也稱波紋管，或是波紋管補(bǔ)償器，屬于一種補(bǔ)償元件。膨脹節(jié)利用波紋管補(bǔ)償器的彈性元件的有效膨脹節(jié)變形來(lái)吸引管線、導(dǎo)管或容器因熱脹冷縮的溫度變化的一種補(bǔ)償裝置。膨脹節(jié)可以用來(lái)補(bǔ)償管道的軸向、橫向、角向位移量。

2 基本技術(shù)條件

2.1 貫穿件與膨脹節(jié)及環(huán)板母材

RIS系統(tǒng)貫穿件與膨脹節(jié)及環(huán)板現(xiàn)場(chǎng)安裝示意如圖1所示。貫穿件和膨脹節(jié)環(huán)板2的材質(zhì)為Z2CN18.10，環(huán)板1材質(zhì)為P265GH。貫穿件、環(huán)板、膨脹節(jié)環(huán)板材料機(jī)械性能及化學(xué)成分如表1所示。

圖1 RIS系統(tǒng)貫穿件與膨脹節(jié)及環(huán)板現(xiàn)場(chǎng)安裝示意

2.2 焊接接頭類型及坡口形式

RIS系統(tǒng)貫穿件與環(huán)板1焊接接頭形式為T型接頭，坡口形式為單邊V型坡口，屬于坡口焊縫；環(huán)板1與膨脹節(jié)環(huán)板2焊接接頭形式為搭接接頭，坡口形式為I型坡口，屬于角焊縫。具體接頭形式如圖2所示。

圖2 RIS系統(tǒng)貫穿件與膨脹節(jié)及環(huán)板接頭形式

2.3 焊接方法和填充材料

RIS系統(tǒng)貫穿件與環(huán)板1焊接、環(huán)板1與膨脹節(jié)環(huán)板2焊接均采用手工氬弧焊（TIG）進(jìn)行焊接，使用焊接填充材料為ESAB生產(chǎn)的OK TigrodN 309L焊絲φ1.6 mm。焊接填充材料化學(xué)成分及機(jī)械性能見(jiàn)表2。

表2 焊接填充材料OK TigrodN 309L化學(xué)成分和機(jī)械性能

表1 母材化學(xué)成分和機(jī)械性能

2.4 其他

按照設(shè)計(jì)圖紙要求，貫穿件與環(huán)板1焊接時(shí)將坡口部分填充即可，環(huán)板1與膨脹節(jié)環(huán)板2焊接焊喉高度為7 mm。

3 膨脹節(jié)及環(huán)板焊接變形問(wèn)題

3.1 環(huán)板1的焊接變形

在國(guó)外某核電項(xiàng)目中，RIS系統(tǒng)貫穿件與環(huán)板1焊接完成后，環(huán)板1發(fā)生變形，延管道軸向坡口一側(cè)的方向偏倒，環(huán)板1外沿偏離20 mm以上，導(dǎo)致環(huán)板1與膨脹節(jié)環(huán)板無(wú)法焊接。環(huán)板1變形示意如圖3所示。

3.2 膨脹節(jié)環(huán)板2的焊接變形

通過(guò)環(huán)板1焊接變形的經(jīng)驗(yàn)反饋，制作反變形工具固定環(huán)板1與貫穿件，并使用正確的焊接工藝進(jìn)行焊接，再焊接環(huán)板與膨脹節(jié)環(huán)板2，焊接完成后發(fā)現(xiàn)膨脹節(jié)環(huán)板2發(fā)生輕微的變形，變形偏差約5 mm，膨脹節(jié)環(huán)板變形示意如圖4所示。

圖3 環(huán)板1焊接變形

圖4 膨脹節(jié)環(huán)板變形2

4 變形原因分析

任何焊接都會(huì)產(chǎn)生變形，焊縫在焊接時(shí)會(huì)收縮，并且收縮量隨管道直徑、管壁厚度的變化而變化。異種鋼焊接接頭和同種鋼焊接接頭有本質(zhì)差異，主要是熔敷金屬與兩側(cè)焊接熱影響區(qū)和母材存在的不均勻性[4]，主要有：

（1）化學(xué)成分不均勻。這是因?yàn)樵诤附蛹訜徇^(guò)程中，兩側(cè)母材的熔化量、熔敷金屬和母材熔化區(qū)的成分因“稀釋”作用會(huì)發(fā)生變化。接頭區(qū)的成分不均勻程度不僅取決于母材、填充金屬各自的原始成分，也受焊接工藝的影響。

（2）組織的不均勻性。在焊接熱循環(huán)的影響下，接頭內(nèi)的各區(qū)域組織是不同的，而且在個(gè)別區(qū)域內(nèi)還會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。

（3）性能的不均勻性。由于組織、成分的變化，導(dǎo)致性能上的不同，各種變化會(huì)呈倍數(shù)關(guān)系變化，特別是焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)沖擊值變化更大。

（4）應(yīng)力場(chǎng)分布不均勻。由于組織、成分的不同，接頭的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)也不同，熱膨脹系數(shù)不同引起塑性區(qū)域不同，殘余應(yīng)力不同；導(dǎo)熱系數(shù)不同會(huì)引起熱應(yīng)力不同[5]。

（5）膨脹節(jié)環(huán)板2變形的主要原因是第一次制作的反變形工具僅對(duì)貫穿件與膨脹節(jié)環(huán)板1進(jìn)行固定，未對(duì)膨脹節(jié)環(huán)板2進(jìn)行固定。

貫穿件、環(huán)板1、膨脹節(jié)環(huán)板2焊接時(shí)，未采取反變形措施和小規(guī)范的電流，未對(duì)焊道層間溫度進(jìn)行控制和未采用分段焊接的方法是導(dǎo)致焊接變形的主要因素。

5 焊接變形控制

5.1 制作反變形工具

根據(jù)貫穿件與環(huán)板1、環(huán)板1與膨脹節(jié)環(huán)板2焊縫位置的設(shè)置，結(jié)合焊縫在焊接過(guò)程中的收縮變形，制作反變形支撐件對(duì)環(huán)板1和膨脹節(jié)環(huán)板2進(jìn)行固定，反變形支撐件示意如圖5所示。根據(jù)管道直徑大小，共制作12塊反變形支撐件，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)按照管道12等分的位置，對(duì)每個(gè)位置點(diǎn)采用反變形支撐件進(jìn)行剛性固定，以防止在焊接過(guò)程中因焊縫收縮導(dǎo)致環(huán)板1及膨脹節(jié)環(huán)板2變形，反變形支撐件分布示意如圖6所示。

圖5 反變形支撐件示意

5.2 焊接過(guò)程及質(zhì)量控制

5.2.1 組對(duì)及安裝反變形支撐件

組對(duì)時(shí)調(diào)整好環(huán)板與貫穿件之間的組對(duì)間隙和垂直度，然后按照上下左右的原則分別對(duì)反變形支撐件和貫穿件與環(huán)板1進(jìn)行定位點(diǎn)焊，焊縫長(zhǎng)度控制在10～20 mm，點(diǎn)焊時(shí)應(yīng)控制點(diǎn)焊的質(zhì)量，防止因電流過(guò)大，導(dǎo)致母材咬蝕。定位焊縫不應(yīng)有裂紋、咬邊和氣孔，起弧收弧處不應(yīng)有縮孔、弧坑或裂紋①電力行業(yè)核電焊接技術(shù)培訓(xùn)中心.核電設(shè)備焊接培訓(xùn)研討技術(shù)資料匯編，2009.。

圖6 反變形支撐件分布示意

反變形支撐件安裝完成后，先去除焊縫周圍鐵銹、油脂、雜質(zhì)至露出金屬光澤，再用不起毛的純棉白布蘸丙酮擦拭環(huán)板坡口附近區(qū)域，以去除待焊區(qū)域內(nèi)可能產(chǎn)生的油污和灰塵，保證待焊區(qū)域及周圍環(huán)境的清潔。

5.2.2 焊接

焊接時(shí)，采用分段焊接的方法進(jìn)行焊接。并嚴(yán)格按照確定的分段焊接順序進(jìn)行焊接，焊縫分段焊接順序示意如圖7所示。貫穿件與環(huán)板1的焊接，按照貫穿件周長(zhǎng)將整圈焊縫16等分；環(huán)板1與貫穿件環(huán)板2的焊接，按照環(huán)板1外沿周長(zhǎng)將整圈焊縫12等分。焊接過(guò)程分為打底焊道和填充焊道，每一道焊縫焊接完成后，檢查分段焊道接頭處，如有接頭熔合不良的區(qū)域，采用打磨機(jī)進(jìn)行打磨。整個(gè)焊縫的焊接位置均為PF位置（立向上），焊接電流采用工藝評(píng)定電流覆蓋范圍的下限（80～90 A），控制道間溫度小于70℃。

5.2.3 焊后檢驗(yàn)及檢查

貫穿件、環(huán)板1、膨脹節(jié)環(huán)板2焊接完成后，去除反變形支撐件，去除時(shí)采用打磨的方式將反變形支撐件與貫穿件和環(huán)板定位點(diǎn)焊位置磨開(kāi)，并將貫穿件與環(huán)板上點(diǎn)焊位置的熔敷金屬磨平。然后對(duì)兩條焊縫及磨平的點(diǎn)焊位置進(jìn)行液體滲透檢查。

圖7 分段焊接順序示意

檢查RIS系統(tǒng)貫穿件與膨脹節(jié)及環(huán)板焊接完成后的變形情況，膨脹節(jié)及環(huán)板均垂直于管道貫穿件，未發(fā)生變形。

5.3 注意事項(xiàng)

a.定位點(diǎn)焊時(shí)，注意控制電流，防止因電流過(guò)大，導(dǎo)致母材咬蝕。

b.兩條焊縫焊接時(shí)，務(wù)必保證周圍環(huán)境中無(wú)風(fēng)，避免氬弧焊氣體保護(hù)不當(dāng)產(chǎn)生氣孔。

c.定位點(diǎn)焊及焊縫焊接時(shí)，防止鎢極與母材直接接觸，避免出現(xiàn)夾鎢。

d.去除反變形支撐件時(shí)，務(wù)必將定位點(diǎn)焊位置磨開(kāi)，禁止強(qiáng)行拆除，防止撕裂母材。

6 結(jié)論

（1）RIS系統(tǒng)貫穿件與膨脹節(jié)及環(huán)板焊接變形原因分析正確，通過(guò)制作反變形支撐件，對(duì)膨脹節(jié)及環(huán)板同時(shí)進(jìn)行固定，有效防止焊接變形。

（2）采用分段焊接的方法，控制焊接過(guò)程中的焊接電流和層間溫度，以減少焊接熱輸入，最終達(dá)到控制焊接變形的效果。

[1]臺(tái)山核電合營(yíng)有限公司培訓(xùn)中心[S].EPR核電廠系統(tǒng)與設(shè)備，2013.

[2]注冊(cè)核安全工程師崗位培訓(xùn)叢書(shū)編委會(huì).核安全專業(yè)實(shí)務(wù)[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)出版社，2009.

[3]RCCM2007壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[S]，2007.

[4]劉政軍.徐德昆.不銹鋼焊接及質(zhì)量控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[5]王宗杰.熔焊方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Penetration piece and ring flat-plate welding deformation control in EPR NPP safety Injection System

WEI Haiming
（China（Liaoning）Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Huludao 518124，China）

Concerning ring flat-plate welding deformation of penetrations piece and expansion joints in EPR NPP safety injection system,the causes are analyzed，effective preventive measures are discussed and welding technique is improved.It's found finally that the preventive measures and improved welding procedure can effectively control deformation of ring flat-plate deformation after welding and it is very significant for welding deformation control of big pipelines and ring flat-plates.

Nuclear Power Plan（tNPP）；Safety Injection System（RIS）；penetration piece；expansion joints；deformation contro

TG404

B

1001-2303（2015）08-0157-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.34

2014-12-20；

2015-03-20

魏海嗚（1981—），男，河北人，工程師，學(xué)士，主要從事核電焊接方面的工作。