核电站主管道焊接质量控制.doc

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1、核电站主管道焊接质量控制摘要：本文针对核电站主管道焊接施工的特点与难点，从前期施工文件准备、施工组织机构设置与人员培训、焊接工艺评定，到现场焊接施工活动的质量控制，焊接变形的趋势与控制措施等方面进行阐述，为同类工程焊接质量控制与管理提供经验或参考。 关键词：复合钢管道；焊接 ；热处理 ；变形 ；质量控制一、概述核电站一期工程是我国首次引进的两台由俄罗斯设计并供货的AES-91型1000MW压水堆核电站，与国内已建压水堆核电站在设备结构和选材上有较大的不同。就主回路系统来说，它由四条并联到反应堆压力容器的传热环路组成，每条环路现场安装焊口为9个，四条环路共计36个焊口，参见下图1。主循环回路管道

2、（以下简称“主管道”）采用复合钢材料（合金钢基层+奥氏体不锈钢堆焊层）制成，规格为99070mm，在国内核电建设中尚属首次，与其它电站主管道采用的奥氏体不锈钢相比，其焊接工艺要复杂得多，加之各主设备接管口的材质各不相同，因此核电站主管道焊接与热处理工艺的复杂性和特殊性为其所独有。图1二、AES-91型核电站主管道焊接施工特点与难点（一）、结构材料根据焊接接头基层材料的不同，核电站主管道安装焊口可分为三种不同的焊接接头形式：一种是压力容器接管与主管道之间的焊接接头（图1中焊缝编号N1、N4，简称“型”），一种是蒸汽发生器集流管与主管道、主管道与主管道之间的焊接接头（图1中焊缝编号N3、N9、N2

3、、N5、N8，简称“型”），另一种是主泵接管与主管道之间的焊接接头（图中焊缝编号N6、N7，简称“型”）。各类型焊接接头基层材质为：型：压力容器接管为152（15Cr2NiMoVA），主管道102（10MnNi2MoVA）；型：蒸汽发生器集流管与主管道均为102（10MnNi2MoVA）；型：主泵接管为06123（06Cr12Ni3Cu），主管道侧为102预堆边（堆焊坡口-51焊条）。除主泵接管材料为单一材质外，其它均为复合钢材料，即在基层材料内表面堆焊有奥氏体不锈钢复层04X20H102（04Cr20Ni10Mn2Nb），复层厚度约为4-6mm。各种接管材料形式参见图24。（二）、坡口型式主

4、管道焊接接头的三种坡口型式参见下图2、3、4。图2 压力容器接管与主管道之间焊接接头的坡口型式示意图图3主管道（蒸发器集流管）与主管道之间焊接接头的坡口型式示意图图4 主泵壳体接管与主管道之间焊接接头的坡口型式示意图（三）、施工难点1） 焊接结构与工艺复杂，施工难度大，过程控制严格。从材质上分，主管道可分为三种不同型式的焊接接头。三种焊接接头由基层焊缝和复合层焊缝两大部分组成，基层焊缝又可分为根部焊缝与填充层焊缝，复合层焊缝又可分为过渡层和复层焊缝，各层焊缝使用的焊接材料和焊接方法不同； 2） 主管道焊接坡口为窄坡口型式，需采用多层多道焊接，焊接施工时，需先从管道外侧焊接基层钢焊缝，之后再从管

5、道内侧堆焊复合层(过渡层+保护层)焊缝；3） 主管道热处理工艺复杂，热处理工艺对焊接质量有着至关重要的影响。不同型式焊接接头的热处理工艺各不相同，选用的热处理设备与工装也各不相同，尤其中频感应加热成套热处理设备在我公司尚属首次使用，操作难度较大；4） 主管道具有大直径、大厚度、大拘束度的特点，因此保证对口精度控制焊接变形减少接头应力显得尤为重要。由于主设备位置相对固定，对中精度要求高，对主管道的测量和组对要求精度很高，尤其是调整管段的测量和加工；5） 配合焊接过程的无损检验工序多、要求高，检验工艺复杂，需要解决好无损检验和焊接施工的交叉配合问题，合理安排无损检验的流程，才能确保合理工期的完成。

6、三、前期准备（一）、施工组织机构设置由于主管道安装、焊接、热处理施工的特殊性和复杂性，早在主管道施工准备的初期就抽调了多名富有经验的施工人员组成了主管道施工准备工作组。在工艺评定和焊工考试阶段，成立了专门的工艺试验领导小组和实施组织。在现场实施阶段更是成立了以项目部工程经理直接领导的现场实施组织机构。主管道施工由项目主管负责现场统一指挥、协调；技术组负责焊接技术准备、施工方案的编制，与施工期间技术问题的处理；质量检查组负责焊接实施过程跟踪检查，质量控制点的见证和放行；施工班组负责主回路管道安装焊接的具体实施工作。项目主管技术组检查组施工组测量工4人检查人员4人焊接工程师3人热处理工程师3人起重

7、工7人焊工18人焊条烘干员2人打磨工14人钳工15人热处理工12人维修电工管工6人施工记录员3人无损检测人员3-4人（二）、培训1、主管道施工人员的上岗培训为确保施工质量，根据俄罗斯相关标准，技术规范，组织编制了“主管道培训教材”，对所有参与主管道施工人员进行培训、考核，并进行实际操作技能考评，取得“合格证”后方可上岗工作。2、焊工与热处理操作人员的培训考核优秀的焊工是获得优质焊接接头的前提条件之一，主管道焊接接头作为整个核电站最重要的焊接接头之一，对焊工的技能素质要求也最高，因此焊工的培训考核严格执行考核标准。针对核电站主管道焊接工艺特点，制定了详细的焊工考核办法。首先对项目部范围内挑选出来

8、的30几名焊工采用国内相近材料进行培训练习，通过严格的选拔考试再挑选出26名优秀焊工；最后对这26名焊工进行正式的实际操作技能考试，正式考试亦采用与主管道同材质同规格的试件材料，通过考试使焊工对主管道焊接工艺与实施工序有了更深地理解和掌握。焊工的理论学习培训和考试穿插在实际技能培训之中进行，只有理论考试合格后方可参加实际技能考试。通过严格的考核选拔使参与主管道焊接施工的每一名焊工都具备了高水平的操作技能，为严格执行焊接工艺打下良好的基础。最终获得合格焊接资格的主管道焊工共计24名。对于热处理操作人员，根据热处理操作人员资格评定程序的要求，对符合基本条件（有电气基础或在热处理方面有相关经历）的人

9、员按照“主管道热处理理论培训教材”的内容进行培训、考核，并对实际操作技能进行考评，合格人员签发“热处理操作人员资格证”。只有取得“资格证”并在有效期内的有关人员才能上岗进行操作。（三）、施工技术文件准备为保证焊接质量，使焊接工作的每一个环节都得到有效的控制， 做到有章可寻，有据可查，针对核电站主管道的施工特点，在施工前期根据俄方提供的标准和技术文件组织编制了主管道焊接工艺评定、主管道焊工考核、热处理操作人员资格评定程序、主管道安装工作程序、主管道焊接工作程序、主管道热处理工作程序、主管道无损检验程序、主管道焊接数据包、热处理设备维护与保养制度、主管道热处理施工作业指导书等施工管理程序、工作程序

10、与作业指导书，编制了专门施工质量计划，为主管道安装施工的顺利开工创造了条件。（四）、焊材控制焊接材料是主管道质量控制的重点之一。主管道焊接材料种类、规格较多，每道焊口就需要使用4种不同型号的焊材。主管道使用焊材见下表：主管道焊材表：1-082碳钢焊丝(俄）4-898/21不锈钢焊条(俄）2-30碳钢焊条(俄）5-01122-不锈钢焊丝(俄）3-25/1异种钢焊条(俄）6-51不锈钢焊条(俄）每批焊材到场后，除查验焊材出厂质量证明文件，检查焊材外观，还根据技术说明书要求，对每批焊材进行复验。为保证焊接材料的保管、贮存、烘干、领用与回收等各项工作处于严格受控状态，成立了专门的主管道焊材烘干室，编制

11、了主管道烘干室焊材管理程序，烘干人员严格按照程序进行工作，各环节均有工程技术人员与检查人员签字确认，保证了焊材的准确使用。由于俄方的焊条是首次使用，其操作性能差，药皮薄，磁偏吹现象严重，易出现气孔、夹渣等缺陷。在焊材复验过程中，通过观察分析讨论，改进了焊工的操作手法，以适应俄供焊条特性，焊工基本掌握了焊条的操作性能，保证了主管道的焊缝质量。（五）、焊接工艺评定由于主回路管道焊接接头形式多样，每种接头焊接和热处理工艺各不相同，需对每种接头进行工艺评定，以确定有效的复合钢主回路管道焊接参数和热处理规范。鉴于核电站主管道焊接接头的特殊性，工艺评定采用与现场焊口一一对应的同材质同规格的实际材料试验件，

12、焊接工艺评定项目不仅考虑了三种焊接接头形式，而且还考虑了不同的焊接位置，最大程度地符合现场焊口的实际条件，因为属国内首次遇到的较为特殊的复合钢管道焊接工程，为了进一步了解其焊接特性，在焊接工艺评定的基础上，完成对焊接变形量与焊缝收缩量的测定积累经验数据，为安装焊口的组对和焊接施工打下基础。主管道焊接工艺与热处理工艺见表1. 主管道焊接工艺与热处理工艺一览表 表1：接头形式焊层焊接材料焊接电流A 热处理工艺焊接位置预热与层间温度后热h中间回火h焊后热处理h 牌号规格型：主管道与压力容器基层根部-0821.6/2.090140/620660362066075G1T填充-303.0801401502

13、504.090180过渡层-25/13.070130/4.080150复层-898/21 3.070130/4.080150型：主管道与主管道基层根部-0821.6/2.090140/15025012/62066066.55G1T填充-303.0801401202504. 090180过渡层-25/13.070130/4.080150复层-898/21 3.070130/4.080150型：主管道与主泵壳体接管基层根部-01122- 1.6/2.090140/150250126106304.5562565085G1T填充-51 3.0701401202504.090170过渡层-25/13.0

14、70130/4.080150复层-898/21 3. 070130/4.080150型：主管道与蒸发器集流管基层根部-0821.6/2.090140/1502501262066082GT填充-303.0801401202504.090180过渡层-25/13.070130/4.080150复层-898/213.070130/4.080150型：主管道与主泵壳体接管基层根部-01122-1.6/2.090140/150250126106304.5-562565082GT填充-51 3.0701401202504.090170过渡层-25/13.070130/4.080150复层-898/21 3

15、.070130/4. 080150备注5G1T试件轴线水平固定；2GT试件轴向垂直固定；四、主管道施工过程中质量控制（一）、主管道施工工艺流程与操作要点由于主管道的焊接接头型式多样，每种接头的焊接与热处理工艺各不相同，因此各个焊口的施工工序也不尽相同，主要焊接施工步骤参见表2所示。主管道主要施工工序一览表 表2：序号型：焊口型：焊口型：焊口1先决条件检查先决条件检查先决条件检查2组对、点焊与检验组对、点焊与检验组对、点焊与检验3基层根部焊缝的焊接基层根部焊缝的焊接基层根部焊缝的焊接4无损检验VT、PT、RT无损检验VT、PT、RT无损检验VT、PT、RT5预热预热预热6基层焊缝的填充盖面焊接基

16、层焊缝的填充盖面焊接基层焊缝的填充盖面焊接7中间回火后热（热回复）后热（热回复）8焊缝打磨焊缝打磨焊缝打磨9无损检验VT、PT、RT、UT 无损检验VT、PT、RT、UT 无损检验VT、PT、RT、UT 10焊后热处理焊后热处理中间回火11无损检验VT、PT、RT、UT 无损检验VT、PT、RT、UT 无损检验VT、PT、RT、UT 12过渡层过渡层过渡层13无损检验VT、PT无损检验VT、PT无损检验VT、PT14复合层堆焊复合层堆焊复合层堆焊15焊缝打磨焊缝打磨焊缝打磨16无损检验VT、PT、RT、UT 无损检验VT、PT、RT、UT 无损检验VT、PT、RT、UT 17焊口质量计划关闭焊

17、口质量计划关闭最终回火18无损检验VT、PT、RT、UT 19焊口质量计划关闭1、先决条件检查1.1、人员资格1） 焊工经过专项理论与技能考试合格，取得相应的焊接资格；2） 热处理操作工经过培训合格，取得操作资格，掌握热处理工艺规范与加热设备的操作；3） 无损检验人员按国家标准规定取得相应操作资格，掌握主管道无损检验工作程序。1.2、材料1） 母材需经入场检验合格，包括：检查材料质量证明文件应齐全；坡口尺寸应符合设计图纸要求；坡口表面应经目视检验、渗透检验合格，坡口边缘50mm范围内应进行超声波检验，重点检查复合层是否存在分层等缺陷。2） 焊接材料应查验合格证，检查其验收报告应符合设计文件的要

18、求。3） 焊条在使用前应按烘干指示书要求进行烘干。1.3、工机具主管道焊接、热处理、无损检验用设备、机具是否运行或使用状态良好，有计量要求的仪器仪表、工具是否标定合格且在有效期内。1.4、工艺文件主管道焊接前相关工作程序、质量计划应准备齐全，且为最新有效版本。1.5环境条件建立施工现场清洁区，有专人负责清洁区内的清洁工作，主管道安装施工区域内应无土建并行工作，具有通风除尘设施。现场使用的设备机具、工装材料应摆放有序。2、组对、定位焊与检验1） 就位前的检查：主管道坡口尺寸、外部形状等是否符合要求；2） 组对后，点焊前检查，包括焊接区域环境检查，内外错边、组对间隙、坡口区域的清洁度；3） 点焊后

19、尺寸检查与测量，点焊电流、内错边、间隙、点焊长度、点焊厚度、外坡口的宽度、外坡口的深度、内坡口的宽度、内坡口的深度，并记录。3、根部焊接采用TIG进行基层根部焊接。对于、型的焊接接头，焊丝选用-082；对于型的焊接接头，焊丝选用-01122-，焊接时由两名焊工对称施焊，焊接过程中作好焊接工艺参数的记录。4、预热在根部焊缝焊接完毕检验合格后，采用手工电弧焊进行填充焊之前均需要对主回路管道进行预热，预热规范符合设计要求，预热规范见表1。主管道与压力容器接管、主管道与蒸发器集流管的焊接接头采用KGPS型中频感应加热设备进行预热和热处理。 主管道与主管道、主管道与主泵壳体接管的焊接接头采用TCS-1型

20、电阻加热设备进行预热、后热和热处理。图7 5、基层填充与盖面焊接基层填充与盖面焊接采用手工电弧焊，多层多道焊接，每层焊缝厚度不超过7mm，每层每道焊接接头之间均应错开1015mm，采用两名焊工对称焊接，焊接开始后进行三班倒连续作业，层间温度控制在所规定范围内。每层焊缝焊完后，将熔渣和飞溅清除干净，并仔细检查焊缝表面有无裂纹、气孔、夹渣等表面缺陷，若有，须清除后方能继续焊接。6、后热与热处理为保证焊缝中扩散氢的充分逸出，避免冷裂纹的产生，对于主管道与压力容器接管的焊接接头基层焊缝焊接结束后马上开始进行中间回火。对于主管道与蒸发器集流管、主管道与主管道、主管道与主泵壳体接管的焊接接头基层焊缝焊接结

21、束后应马上开始进行后热。后热或热处理的规范参见表1（主管道焊接工艺与热处理工艺一览表）。7、复合层焊接复合层焊接包括过渡层（也称“隔离层”）与复层（也称“保护层”）焊缝的焊接，均采用手工电弧焊方法进行焊接。过渡层的第一焊道的焊接从管子的奥氏体复合金属开始，焊接时保证焊道盖住管道奥氏体和珠光体分界面每边至少2.5mm。复层至少焊接两层。只有沿整个周边从一个边至另一边将前一层全部完成后才开始下一层焊接。堆焊的余高应与母材平滑过渡，覆盖母材复合层宽度至少5mm。五、复合钢主管道焊接变形控制主管道是连接三大主设备的重要结构，由于主设备的位置相对固定，加之主管道具有大直径、大厚度、大拘束度施工特点，主管

22、道安装组对技术要求高，焊口组对要求：对口间隙为1.50.5mm，根部错边不超过0.5mm，主泵壳上结合面的水平度要求不超过0.5mm/m，由此可见在主管道焊接过程中对变形控制的要求非常高。前一个焊口的变形将影响到下一个焊口的组对，并且各段（热段、冷段、过渡段）的封闭焊口会影响到主设备（蒸发器、主泵）的定位精度，因此焊接变形控制是主管道焊接施工的重点。（一）、影响主管道焊接变形的主要因素1、结构材料主管道焊接接头按基层材质不同可分为3种接头形式，不同的结构材料由于其线膨胀系数不同，线膨胀系数越大，焊接时横向收缩量越大，则产生的焊接变形越大。因此在控制焊接变形时应注意不同材料接头的焊接变形趋势。2

23、、焊接收缩量根据焊接工艺评定阶段的数据分析，主管道焊接变形基本发生在基层焊接过程中，焊缝的填充程度与变形量的关系如下：焊根焊接手工氩弧焊-横向收缩量为总收缩量的35-40%；焊至焊缝的1/3截面手工电弧焊-横向收缩量为总收缩量的35-40%；焊至焊缝的2/3截面手工电弧焊-横向收缩量为总收缩量的10-15%；焊至焊缝的整个截面手工电弧焊-横向收缩量为总收缩量的10-15%。由此可知，主管道焊接收缩量主要发生在基层焊缝30%厚度以前，因此焊接变形控制的重点应该在根部TIG焊接与基层1/3焊缝截面的电弧焊过程中。3、预热与热处理由于主管道采用的是复合钢材料，其基层材料为合金钢或高铬钢，根据焊接工艺

24、要求必需在基层手工电弧焊之前进行预热，而预热加温将使管子和设备本体发生膨胀与变形，这就相应增加了焊接变形的控制难度。主管道焊口在焊后必须进行高温回火热处理，焊后热处理的目的是消除大部分焊接残余应力与改善焊缝组织性能，在应力释放同时将会使管道发生变形。严格控制焊接工艺参数与施焊顺序，减少焊接残余应力在焊口上的不均匀分布，降低在焊后热处理之后产生的变形，也是复合钢主管道焊接变形控制的特点之一。4、施焊顺序不同位置焊口的焊接变形控制难度不同，相对来说，水平固定焊口较垂直固定焊口的焊接变形控制难度要大得多，这是由于焊接垂直焊口的两名焊工可以采用同样的焊接规范与焊接速度，基本做到了对称同步施焊，使焊缝中

25、的应力在环向分布较为均匀，横向收缩量基本一致，焊接变形较小。而水平固定焊口虽然采取了分段对称焊的措施，但由于同步施焊的两段焊缝方向是相对的，即均是由下向上焊接，且焊接规范相差较大，那么管子或主泵壳将不可避免地产生向上翘的变形。5、主泵壳上结合面的水平度控制主泵本体的结构造成其重心并不在它的几何中心轴线上而是偏向冷段管嘴一边。在主泵壳与冷段的管段接上以后，将增大其重心偏移量，同样增大了冷段管嘴在管段轴线相对的一端上翘的倾向。主泵壳上结合面的水平度控制是复合钢主管道焊接变形的重点和难点之一。（二）、焊接变形的主要监测方法1、 百分表监测法为了在焊接过程中监测管道的焊接变形情况，采用在施焊焊口相应管

26、段的另一端（自由端）相交为90的方位（如右图所示）布置2-4个百分表。这样可以较直观地监测到管段在焊口焊接过程中的变形情况与对下一个焊口组对的偏差影响，利于与时调整变形趋势。在焊接与主泵相连的焊接接头时，将百分表布放在主泵壳体上密封面。2、佯冲间距监测法通过监测焊口的横向收缩量来达到监控管道变形的目的，即在焊缝坡口两侧直径相对的4个方位用佯冲标出测量基准点（见下图），利用游标卡尺测量焊缝的横向收缩量得出实测数据。 主管道佯冲间距的测定与百分表布置示意图（三）、复合钢主管道焊接变形控制措施1、合理的安装顺序合理的安装顺序对控制主管道变形很重要。主管道安装总体顺序是先进行热段的安装，再进行冷段的安

27、装，然后安装过渡段。在进行冷、热段安装过程中涉与到与压力容器接管相连的8个焊口（N1、N4）的焊接与热处理。由于复合钢主管道焊接施工时需要进行焊前预热与焊后热处理，因此在进行N1、N4焊口的焊接与热处理时，压力容器壁因温度的升高而向四周膨胀，导致相邻环路的接管嘴偏离原先的位置，此时若组对焊接相邻环路的N2、N5焊口，最终会造成N6口端或蒸发器的严重偏移，而无法满足设计要求。因此选择合理的施工顺序不但是保证进度的前提，同时也是控制焊接变形的重点。主管道各个环路总的安装顺序为：热段 冷段 过渡段；各个环路安装焊接接头的焊接顺序为：热段N3 N1 N2，冷段N4 N5 N6，过渡段N8 N7、N9同

28、时。2、 采用反变形量控制主泵水平度偏差在焊接施工过程中，主泵上结合面的水平度的变化较复杂，设计要求精确高。为时刻监控主泵的水平度变化，在法兰面上安装4块百分表，利用百分表的读数判定主泵向压力容器的一侧倾斜，即与焊口N6相对的另一端上翘。在N6焊口组对时采用预变形将使主泵水平度的最终变形控制在技术要求范围内，即0.5mm/m。3、 过渡段焊口根据工艺要求，主管道过渡段N7、N9焊口的安装焊接同步进行，由于主泵焊口N7比蒸发器焊口N9多一次高温回火热处理，因此在N7焊口进行最终热处理时，N9焊口必须进行伴随加热，以保持整个过渡段膨胀收缩的一致性。4、安装组对过程的控制主管道安装组对时应保证管段放

29、置稳固，管段自由对口不得强行组对。坡口根部的组对间隙应满足1.50.5mm的设计要求，并且尽量使周向间隙保持均匀。5、 焊接过程的变形控制为尽可能地得到均匀的焊缝收缩量，焊接时采用两名焊工对称同步焊接。主管道点固焊沿四周均匀分布8点，点焊高度3-6mm，长度为80-100mm。点焊时选用2名焊工同时先点焊0、180两点，再点焊90、270两点，最后点焊其它各点。先点焊一半的长度，再按顺序加长到其点焊的长度，这样的目的为利于控制管段上翘与左右偏移。在进行根部TIG焊接与基层SMAW焊接过程中，由两名焊工对称分布进行同步分段焊接，尽量做到焊接规范（焊接电流、焊接速度等）一致，以使各方位的焊接收缩量

30、保持均匀。各种位置的焊口的施焊顺序参见下图。 a. 水平固定焊口 b. 垂直固定焊口主管道焊接顺序示意图6、焊接变形的调整根据工艺评定测量得出的结论，主管道焊接接头的焊接变形主要产生在基层焊缝1/3截面以前，在主管道焊接过程中通过百分表监测等措施观察管子的偏移趋势，当偏移量过大时，则对焊接变形进行调整，一般是通过改变两名焊工的焊接顺序与焊接规范来调整焊接变形。根据焊接工艺评定阶段的数据积累，可以预见焊接变形趋势和变形量的焊口，则在安装组对阶段提前采取反变形措施，即对将要发生的变形进行反补偿。如水平固定焊口，其管端总是有向上翘头的趋势，这样在组对时使其预先降低一定量，达到预变形的目的。六、结束语核电站主管道（复合钢）与国内其他核电站主管道（奥氏体）在焊接工艺上存在很大的差异性，中国核工业二三建设有限公司也是第一次接触该类型的主管道施工，在整个主管道施工中，二三公司通过认真准备，对整个焊接过程的质量进行严格控制，复合钢主管道焊接质量完全满足设计要求，得到业主的好评。