張海林 李鵬飛 常旭

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

穩(wěn)壓器是核電站的關(guān)鍵設(shè)備之一，用于主回路系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)和壓力保護，主要起維持系統(tǒng)壓力的作用。穩(wěn)壓器設(shè)備中的蒸汽空間通過噴霧管與反應(yīng)堆入口管道連接，為減緩容器壁因溫差而引起的熱應(yīng)力，在噴霧管內(nèi)設(shè)有噴霧管熱套管。噴霧管熱套管為690合金材質(zhì)，壁厚較薄，內(nèi)徑只有?98.6 mm，長度481 mm。焊接操作難度極大，同時由于與安全端焊接為異種鋼焊接，壁厚較薄，焊接難度和焊接變形控制難度極大。

在封閉一回路系統(tǒng)內(nèi)，任何溫度和容積的變化都會影響到系統(tǒng)壓力，進而影響設(shè)備及系統(tǒng)的安全。因此噴霧管熱套管的焊接質(zhì)量會直接影響穩(wěn)壓器設(shè)備的正常運行，對其焊接技術(shù)進行研究攻關(guān)是掌握穩(wěn)壓器制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 噴霧管熱套管與安全端組隊結(jié)構(gòu)

噴霧管熱套管與安全端組隊結(jié)構(gòu)如圖1所示。穩(wěn)壓器本體的噴霧管管口在進行內(nèi)壁堆焊和端面鎳基隔離層堆焊后，與不銹鋼材質(zhì)的安全端進行裝焊，之后內(nèi)壁進行清根加工。在安全端完成所有裝焊工序后，將噴霧管螺紋連接器和噴霧管熱套管進行裝配。其中噴霧管螺紋連接器與內(nèi)壁進行焊接固定，噴霧管熱套管從中心裝入，與安全端預(yù)留的坡口進行組隊，然后對坡口進行填充焊接。

裝配后，由于噴霧管熱套管內(nèi)徑較小，長度較長，常用的焊接方式較難實現(xiàn)坡口填充焊接。由于噴霧管熱套管壁厚較薄，焊接過程中極易造成焊接變形，導(dǎo)致焊縫變形嚴(yán)重，導(dǎo)致報廢。如果該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)質(zhì)量問題，很難采取措施進行返修。因此，成功實施噴霧管熱套管與安全端的焊接難度極大。

1—噴霧器螺紋連接管 2—噴霧器熱套管3—穩(wěn)壓器殼體 4—噴霧管 5—安全端圖1 噴霧管熱套管與安全端裝配結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Assembly configuration of spray tube thermal sleeve and safety end

2 焊接難點分析

2.1 噴霧管熱套管與安全端坡口設(shè)計

為便于噴霧管熱套管與安全端的焊接工作順利實施，應(yīng)合理設(shè)計坡口。焊接坡口設(shè)計方案如圖2所示。

表1 所選取的焊接規(guī)范參數(shù)Table 1 Selected welding specification parameters

圖2 噴霧管熱套管與安全端組隊坡口設(shè)計Figure 2 Combined groove design of spray tube thermal sleeve and safety end

1—螺栓 2—漲緊圓板 3—螺母 4—螺栓5—漲緊圓板 6—螺母 7—螺母 8—拉桿 9—墊管圖3 防變形工裝設(shè)計Figure 3 Design of anti-deformation tool

2.2 焊接難點分析

噴霧管熱套管設(shè)計成插入式，與安全端留有單邊0.3 mm間隙，裝配時將噴霧管熱套管插入安全端舌頭部位，到限位后即裝配到位，大大減小了裝配尺寸控制難度。同時考慮噴霧管熱套管無法使用手工焊接，為便于自動TIG焊接設(shè)備的側(cè)壁熔合，對比圖2中的2個坡口形式，選取方案2的坡口形式，便于自動焊接時側(cè)壁熔合質(zhì)量，可以有效避免未熔合的產(chǎn)生。

3 噴霧管熱套管焊接關(guān)鍵技術(shù)

3.1 防變形工裝的設(shè)計和利用

由上述結(jié)構(gòu)可以看出，如直接進行焊接產(chǎn)生焊接變形的趨勢較大，無法滿足質(zhì)量控制需求。為此，需設(shè)計專門的防變形控制工裝。目前控制這種薄壁長管焊接變形的主要方法就是在薄壁長管的內(nèi)、外壁上加上剛性支撐，由于結(jié)構(gòu)限制，外壁增加不了剛性支撐，又由于噴霧管安全端內(nèi)徑過小，為?92.04 mm，在內(nèi)壁安裝工裝需不影響焊機施焊。綜合考慮各項因素，設(shè)計防變形工裝如圖3所示。

使用時，首先將工裝裝配至噴霧管熱套管內(nèi)壁，在坡口中心留出焊機焊接所需空間。之后通過旋轉(zhuǎn)與錐形拉桿相匹配的螺母來調(diào)節(jié)錐形拉桿的伸出長度，從而使8個帶坡口槽帶孔扇形板的外直徑增加，以匹配需要焊接筒體的內(nèi)徑，達(dá)到防變形效果。

3.2 焊接方法的選擇和規(guī)范參數(shù)調(diào)節(jié)

受限于結(jié)構(gòu)特點，選取采用熱絲自動TIG焊機進行焊接。因噴霧管熱套管內(nèi)徑較小，選擇可以進入內(nèi)部的單鎢極焊槍進行焊接。經(jīng)試驗，選取的成型狀況良好、焊接質(zhì)量穩(wěn)定的規(guī)范參數(shù)見表1。

在進行打底焊接時，為減少焊接熱輸入造成的坡口變形，選取熱輸入較小的規(guī)范參數(shù)進行打底焊接，焊接時不送絲，以電弧熔化母材進行固定，提高坡口剛性。填充、蓋面焊接采用鎳基焊絲進行，經(jīng)試驗，選取了焊縫質(zhì)量和成型外觀較好的規(guī)范參數(shù)范圍。

3.3 焊接過程控制

噴霧管熱套管與安全端焊縫焊接時，主要流程為：工件裝配→確認(rèn)裝配尺寸符合要求→進行工裝裝配→調(diào)整螺栓將工裝預(yù)緊→使用內(nèi)窺鏡進行焊槍打道→分四段堆成點焊固定(不送絲)→打底焊接(不送絲)→填充金屬→蓋面→確認(rèn)焊接質(zhì)量。

為獲取質(zhì)量良好可靠的焊縫，在執(zhí)行焊接過程時應(yīng)嚴(yán)格按照要求進行操作。在執(zhí)行上述工藝流程時，需要特別注意以下內(nèi)容：

(1)防變形工裝裝配時需預(yù)留出焊槍活動范圍，但需控制尺寸盡量接近坡口位置，確保工裝使用效果。

(2)在使用工裝預(yù)緊之后，需要借助內(nèi)窺鏡進行焊槍的打道和對齊，通過空轉(zhuǎn)進行驗證后方可在坡口內(nèi)施焊。

(3)進行點焊固定時，不送絲進行空熔，分四段對稱進行點焊。點焊后應(yīng)等自然冷卻后再進行打底焊接。

(4)之后進行打底和填充焊接，焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度，避免溫度過高引起熱應(yīng)力增加。

(5)焊接過程中隨時用內(nèi)窺鏡檢查焊道成型狀況，焊接完成后確認(rèn)焊縫表面狀況，不允許出現(xiàn)咬邊、未熔合等缺陷。焊縫打磨后進行尺寸檢測。

4 焊接方案效果驗證

4.1 焊接方案在模擬件的應(yīng)用

考慮噴霧管熱套管與安全端焊接完成后無法通過去除缺陷進行返修，返修難度極大，為確保焊接一次成功，制作了模擬件，對焊接方案是否合理可行進行試驗。試驗件完全模擬了噴霧管熱套管和安全端焊縫的主要結(jié)構(gòu)，裝配防變形工裝后與變位器進行裝配。圖4為試驗件與防變形工裝裝配效果及試驗件實際焊接狀況。

(a)防變形工裝裝配效果(b)試驗件施焊圖4 防變形工裝裝配效果和試驗件施焊Figure 4 Assembly effects of anti-deformation tool and specimen welding

4.2 應(yīng)用效果

模擬件焊接完成后，對噴霧管熱套管實際焊接狀況進行檢測。確認(rèn)焊縫表面外觀，采用內(nèi)窺鏡對焊縫表面狀況進行確認(rèn)，焊道成型狀況良好，無咬邊、未熔合等缺陷。之后對焊縫表面進行打磨，對焊縫進行VP、PT無損檢測，均滿足圖紙要求，焊縫質(zhì)量一次合格。最后對噴霧管熱套管的直線度和焊縫附近的內(nèi)徑進行測量，檢測結(jié)果見圖5。

圖5 噴霧管熱套管焊后尺寸Figure 5 Post-weld size of spray tube thermal sleeve

由檢測數(shù)據(jù)可以看出，上述焊接方案的實施可以有效控制焊接變形量，最終焊后尺寸可以滿足圖紙設(shè)計要求。所選取焊接規(guī)范參數(shù)能有效地進行鎳基材質(zhì)的焊縫焊接，焊接成型狀況良好，無損檢測合格。

5 結(jié)論

通過模擬件的施焊，噴霧管熱套管與噴霧管安全端的檢測結(jié)果和變形尺寸均滿足圖紙和技術(shù)條件要求。得出噴霧管熱套管焊接變形控制工裝設(shè)計使用合理有效；焊接規(guī)范參數(shù)在合理范圍內(nèi)可以滿足焊縫成形和表面質(zhì)量控制要求，經(jīng)無損檢測合格。改進后的焊接工藝方案對噴霧管熱套管與噴霧管安全端的成功施焊具有重要意義。