核电站主管道窄间隙自动焊的特点与优势

摘要

窄间隙焊接是将常规的焊接工艺与窄间隙坡口结合在一起,通过专门的装置和控制技术而集成的一种新型焊接技术。本文介绍了常用的窄间隙焊接技术的优劣和应用现状,重点介绍了窄间隙焊接技术在核电站焊接上的应用,并结合实际工程进行分析研究，得出以下结论：

窄间隙焊接金属晶粒小,接头的力学性能,尤其是抗裂韧性和抗疲劳强度的性能都有所提高。由于窄间隙焊接具有较低的残余应力,较小的熔池体积,使得残余应力区减小。

对焊接机头改造，使焊接质量及其稳定性有了大幅提高。将 TIG－激光电弧复合焊工艺应用于核电站主管道的焊接，激光与焊接电弧的作用体系中，双热源的空间配置和焊接工艺规范参数的良好匹配、优化使得复合热源焊缝成形和接头质量很高，从而大幅度提高焊接质量；大幅度提高焊接生产效率，主要体现为对缺陷的有效预测、控制及消除，以及焊接层数的减少。为施工周期压缩所带来的间接收益。在主管道焊缝检测中增加超声检测，不但提高了对未熔合缺陷的检出率和定位精度，而且可与射线检测方法形成良好互补，确保了核电站主管道焊接质量。

通过焊接工艺的产品质量检验表明主管道采用窄间隙自动焊接技术是可行的，内在的质量以及所生产的产品外观也都是满足相应的设计要求。

窄间隙自动焊的焊接生产成本比传统焊接工艺的降低 40％左右， 并且随着板材厚度的增大，成本降低越显著。对核电站主管道 、 压力容器等厚壁结构采用高效率、 先进的窄间隙自动焊进行对接， 能加快工程进度， 提高焊接质量。

从焊接质量管理要素标准化管理、焊接技术准备标准化管理、核岛安装物项焊接质量管理等形成了焊接质量管理标准化技术成果，标准化施工为核电站的建设质量提供了支撑。

关键词：窄间隙；自动焊接；优势；核电站；质量；进度

Abstract

Narrow gap welding is a new type of welding technology, which combines conventional welding process with narrow gap groove and integrates with special equipment and control technology. This paper introduces the merits and application of narrow gap welding technology used, emphatically introduces the technology application in nuclear power plant welding on narrow gap welding, and combining with the research and analysis of the actual project, draw the following conclusions:

The metal grain in narrow gap welding is small, and the mechanical properties of joints, especially the crack toughness and fatigue resistance, have been improved. Because the narrow gap welding has lower residual stress and smaller weld pool volume, the residual stress zone decreases.

The welding head has been transformed so that the quality and stability of welding have been greatly improved. The welding TIG laser arc hybrid welding technology used in nuclear power plant main pipe, and the effect of laser arc welding system, dual source space configuration and welding process parameters, good matching optimization makes the composite heat source weld forming and weld quality is very high, improve the quality of welding can greatly improve the welding production efficiency greatly; mainly, in order to eliminate the effective prediction, control and defect, and reduce the number of welding. Indirect benefits arising from construction cycle compression. The increase of ultrasonic detection in the main pipeline weld inspection, not only improves the detection rate and positioning accuracy of non fusion defects, and can form a good complementary and ray detection method, to ensure the welding quality of nuclear power plant main pipeline.

The quality inspection of the welding process shows that the narrow gap automatic welding technology is feasible for the main pipe, and the inner quality and the appearance of the products are also satisfied with the corresponding design requirements.

The welding cost of narrow gap automatic welding is about 40% lower than that of traditional welding process, and with the increase of sheet thickness, the cost reduction is more remarkable. High efficiency and advanced narrow gap automatic welding can be used to connect the thick wall structures such as main pipes and pressure vessels of nuclear power stations, which can speed up the progress of the project and improve the welding quality.

From the welding quality management elements of standardized management, standardized management, welding technology for welding quality management of nuclear island installation items such as the formation of welding quality management standardization technology, standardization construction of nuclear power plant construction quality to provide support.

Key words:narrow gap; automatic welding; advantages; nuclear power plant; quality; progress

目录

摘要................................................................................................................................. 1

Abstract............................................................................................................................ 1

第一章：绪论................................................................................................................... 4

1.1窄间隙焊接的定义及特点..................................................................................... 4

1.2窄间隙焊的研究现状............................................................................................ 5

1.2.1窄间隙焊接方法......................................................................................... 5

1.2.2窄间隙焊接的现有理论研究........................................................................ 7

1.3窄间隙焊接技术的分类和原理.............................................................................. 8

1.3.1窄间隙埋弧焊(NG－SAW).......................................................................... 8

1.3.2窄间隙钨极氩弧焊(NG－GTAW)................................................................. 9

1.4.3窄间隙熔化极气体保护焊NG－GMAW..................................................... 10

1.4研究内容............................................................................................................ 10

第二章：核电站管道窄间隙自动焊机技术性措施解析...................................................... 11

2.1主管道窄间隙全位置焊接机头的改造.................................................................. 11

2.1.1问题概述.................................................................................................. 11

2.1.2难点分析及解决措施................................................................................. 11

2.1.3实施效果与评价....................................................................................... 14

2.2TIG-激光电弧复合焊工艺.................................................................................... 15

2.2.1问题概述.................................................................................................. 15

2.2.2主管道激光电弧复合焊侧壁熔合机理及工艺优化...................................... 15

2.2.3激光对电弧的诱导及控制技术.................................................................. 16

2.2.4激光功率与电弧能量的匹配及调控技术.................................................... 16

2.2.5效果评价.................................................................................................. 17

2.3管道窄间隙自动焊焊缝超声检测技术.................................................................. 17

2.3.1管道窄间隙自动焊焊缝特点...................................................................... 17

2.3.2超声波检测实施方法................................................................................ 18

2.3.3 检测效果评价.......................................................................................... 21

第三章：核电站管道窄间隙自动焊机质量控制................................................................ 21

3.1窄间隙自动焊焊接方法....................................................................................... 21

3.1.1窄间隙自动焊焊接的优势......................................................................... 21

3.1.2窄间隙自动焊焊接流程............................................................................. 22

3.2主管道焊接中的常见问题................................................................................... 26

3.2.1侧壁熔合不良........................................................................................... 26

3.2.2粘钨......................................................................................................... 27

3.2.3烧穿......................................................................................................... 27

3.2.4成形不良.................................................................................................. 27

3.2.5体积缺陷：气孔、未熔合......................................................................... 28

3.3焊接工艺及变形控制措施................................................................................... 29

3.3.1焊接方法.................................................................................................. 29

3.3.2组对及焊口焊接顺序................................................................................ 29

3.3.3焊接工艺参数的验证................................................................................ 30

3.3.4焊缝最终表面加工.................................................................................... 31

3.3.5质量检查、检验....................................................................................... 31

3.4主管道自动焊焊缝返修工艺................................................................................ 32

3.4.1主管道自动焊缺陷分析及工艺选择........................................................... 32

3.4.2自动焊返修方案....................................................................................... 33

3.4.3手工焊返修方案....................................................................................... 34

3.4.5焊缝返修的工程应用................................................................................ 35

第四章：核电站管道窄间隙自动焊机效益性研究............................................................ 35

4.1施工质量评估..................................................................................................... 36

4.1.1施工概况.................................................................................................. 36

4.1.2施工质量分析........................................................................................... 36

4.1.3质量特性技术评估.................................................................................... 37

4.2经济性特征评估................................................................................................. 38

4.2.1焊接材料的消耗量.................................................................................... 38

4.2.2焊接生产率.............................................................................................. 38

4.2.3焊接生产成本........................................................................................... 39

第五章：核电站焊接质量管理标准化控制....................................................................... 39

5.1工程介绍............................................................................................................ 40

5.1.1工程简介.................................................................................................. 40

5.1.2工程质量管理要求.................................................................................... 40

5.2焊接质量管理存在的不足................................................................................... 41

5.2.1物项开工前的技术准备阶段存在不足........................................................ 41

5.2.2设计变更易引起物项安装焊接技术要求遗漏或误用................................... 41

5.2.3人力资源配置对焊接质量管理的影响........................................................ 41

5.2.4工作效率不高........................................................................................... 42

5.2.5 现有的焊接质量管理缺乏科学性和系统性................................................ 42

5.3依托项目焊接质量管理标准化研究..................................................................... 42

5.3.1标准化管理目标....................................................................................... 42

5.3.2标准化管理研究....................................................................................... 42

5.3.3质量管理标准化管理................................................................................ 43

5.4项目焊接质量管理标准化研究成果..................................................................... 44

第六章：结论与展望...................................................................................................... 45

参考文献........................................................................................................................ 45

致谢............................................................................................................................... 50

第一章：绪论

1.1窄间隙焊接的定义及特点

窄间隙焊接技术源于20世纪60年代初,由于该技术自身所具备的巨大优势,引发了国内外焊接领域的高度关注。经过四十几年的研究,此技术在很多国家的工业生产中己经达到一定程度的应用。窄间隙焊接是在母材厚度相同的情况下,采用焊接坡口间隙小于传统坡口间隙的一种焊接技术,是对传统焊接技术的继承与发展。日本压力容器研究委员会施工分会第八专门委员会将窄间隙焊接定义为：窄间隙焊接,是把30mm厚度为以上的钢板,按小于板厚的间隙相对放置开坡口,再进行机械化或自动化弧焊的方法（板厚小于200mm时,间隙小于20mm，板厚大于300mm时,间隙小于30mm）。

与传统焊接技术相比,窄间隙焊接具有以下优点

由于坡口间隙较小,需要较少的填充金属,节约了大量的焊接材料与电能,从而大大降低了焊接生产成本。窄间隙的坡口深而窄,为焊接区的冶金保护条供了有利条件,在一定程度上使得焊缝金属的冶金纯净度得到提高。由于较低的焊接线能量和较高的熔池冷却速度,使得热影响区很窄,工件变形量较小,焊接金属晶粒小,接头的力学性能,尤其是抗裂韧性和抗疲劳强度的性能都有所提高。一一由于窄间隙焊接具有较低的残余应力,较小的熔池体积,使得残余应力区减小。

窄间隙焊接是焊接技术大家族的重要新成员,作为一种特殊的工业技术,具有以下公共技术特征：

1、应用现有的弧焊方法来完成填充方式的熔化焊连接（未见应用的窄间隙焊方法除外）。

2、焊缝横截面积比传统弧焊方法至少减少30%以上。

3、坡口形状多为具有极小坡口面角度（0.5~7度）的V形或U形,或者I形。4、一般采用单道多层和双道多层熔敷方式,且板厚方向上熔敷方式固定。

5、焊接线能量相对较小双道多层方式时最为突出。

6、在深窄坡口内的气、丝、电导入,侧壁熔合控制,气渣联合保护方式的脱渣等方面分别采用了特殊技术。

1.2窄间隙焊的研究现状

1.2.1窄间隙焊接方法

为了增强电弧对两侧壁的加热效果以保证两侧壁的可靠熔合,目前己开发了多种窄间隙MIG和MAG焊接方法,它们分别为：

1、向坡口宽度方向连续送入波浪形弯曲焊丝,使电弧摆动。

2、利用弯曲成形齿轮弯曲焊丝,使电弧摆动。

3、将焊丝弯曲成一定曲率并旋转,使电弧摆动。

4、使焊丝呈螺旋状弯曲,使电弧旋转。

5、利用两根绕在一起的焊丝麻花焊丝使电弧旋转。

6、使焊丝通过焊枪偏心孔,让焊枪高速旋转,电弧也按同一方向旋转。

7、在交流电弧再引燃时刻叠加脉冲的粗丝焊接等。

8、采用双丝分别偏向两侧壁。

上述种8方法中,1-3种是靠电弧摆动实现侧壁熔合,4-6种是靠电弧旋转实现侧壁熔合,7是为了防止指状熔深并消除磁偏吹而改善侧壁熔合,8是为了防止横焊时型坡口内熔融金属往下流淌而实现侧壁熔合。

在1-3的电弧摆动方法中,由于方法2的电弧摆动速度远高于方法1,因而方法2的熔池底部的熔宽比方法1要大,这更有利于保证侧壁熔合方法既能保证被弯曲焊丝在间隙底部的指向,又能使焊丝摆动,而方法3却不能保证焊丝在间隙底部的指向,所以方法3比方法2更易保证侧壁熔合。尽管焊丝摆动法要比焊丝直线移动法易使坡口两侧壁熔合,但是在窄的间隙中使焊枪摆动时,焊枪容易与坡口两侧壁接触,造成施工上的困难。为此,利用弯曲焊丝在焊枪不摆动的条件下,使电弧旋转的方法被提出。

在4-6的电弧旋转方法中,由于方法5利用麻花焊丝的特性使电弧旋转,所以没有必要附加特殊的装置,因而焊枪结构简单,影响产生焊缝缺陷的因素较少,因此方法5比方法4更适宜于实际生产然而,通过强制弯曲焊丝以使电弧摆动或旋转的方法,易受到导电嘴磨损、焊丝的材料特性、焊丝盘卷本身的死弯等影响,从而造成电弧的不规则摆动或旋转,以致引起焊接缺陷。基于这一原因,方法6在焊丝不弯曲的情况下,通过使焊丝偏心并高速旋转的方法实现电弧旋转,从而保证了坡口两侧壁的良好熔合。

窄间隙焊是目前应用最为成功的窄间隙焊接方法,尤其是窄间隙热丝焊接方法,具有熔敷效率高的优点,因此获得了广泛的应用。采用钨极端头在坡口中左右摆动的热丝焊接方法,使坡口两侧壁能够被电弧加热充分,可获得成形良好的接头,该技术己被成功用于厚壁圆管的焊接。

窄间隙埋弧焊具有高效,优质,低成本,低能耗的优点。尤其当采用细焊丝时更具有热输入小的优点,因此在大型炼油设备及压力容器方面获得了广泛的应用。窄间隙埋弧焊焊接时,在窄坡口内具有良好的脱渣性是保证焊接质量的关键。焊接所用坡口一般为U形,也有部分采用形窄坡口焊接角度为2-4,使用直径为1.2-4.8mm的焊丝。利用这些脱渣性良好的焊剂,研制了各种窄间隙施工技术。

例如,利用直径为2mm焊丝双丝埋弧焊焊接压力容器用钢利用直径为1.2-4.8mm的焊丝摆动焊接以上的压力容器超厚板第一,二层使用焊接,其它各层采用直径为的焊丝进行单面埋弧焊接等等。

气电焊简称EG方法是将立焊接头的坡口两侧挡上冷却块,使坡口成为封闭坡口,从焊缝中心线上方,向坡口内送进焊丝,形成覆盖整个坡口的单一熔池,在熔池表面和焊丝之间持续电弧,进行气体保护焊的方法。在本方法中,母材的熔化是以受熔池热而造成的第二次熔化,由于形成大而深的熔池,输入热量多,所以熔深稳定,对间隙变化、错边、气切缺口等坡口加工缺陷的敏感性低。另外若能注意防止杂质的混入及加强保护,则焊接区的内部缺陷极为少见。在气电焊方面,已研制了直径为1.6mm的药芯焊丝,在V形或U形坡口内进行高效焊接的窄坡口焊接方法。采用这种焊接方法时,有的使焊丝在坡口内沿板厚方向做一次分钟的高速晃动有的则在焊厚板时使焊丝摆动。在自保护电弧焊接方面,己研制了采用直径为1.6mm的药芯焊丝的窄坡口横焊方法,焊接时在形坡口内坡口角度为15-20周期性地增减焊接电流,故焊道形状容易控制。

在焊条手工电弧焊方面,在已研制的钢轨强制成形方面,其中有的坡口间隙为17mm左右,采用与钢轨形状相吻合的铜挡板,施焊时连续焊接不必除渣有的为了缩短焊接时间,把坡口间隙减到约12mm,而其它焊接条件都不变。

激光与电子束也能用于窄间隙焊接,它们所具有的高能量密度足以熔化填充进入坡口间隙内的焊丝和药粉。这种技术实际上是把激光或电子束与窄间隙相结合的产物,据报道激光或电子束窄间隙焊接所用间隙宽度可小至2-3mm。

为了能够将窄间隙焊接更好地应用到实际生产中,就必须实现焊接过程自动化,只有这样才能保证获得成形良好的焊缝,同时也能提高生产效率,为此传感与控制技术逐渐被应用到了窄间隙焊接。开发出用于环焊缝焊接的多头传感与控制系统,该系统可完全承担以前由焊工所完成的任务,并已被用于实际焊接生产中。另外还将自适应控制技术及神经网络技术应用于窄间隙焊接,但目前也仅停留在实验阶段,并未应用于实际生产。

1.2.2窄间隙焊接的现有理论研究

对于常规电弧焊接方法而言,良好的电弧稳定性及合理的焊接参数匹配是保证焊缝成形良好的关键,而且焊接参数的匹配范围一般较大。然而试验数据显示,与其它焊接方法相比,对焊接参数的变化更加敏感,这是由于在窄间隙焊接时坡口间隙很窄所致。可见,窄间隙焊接对焊接参数的要求有其自身的特殊性。

焊接电压对窄间隙焊接的影响非常大,这是因为窄间隙焊接不象在平板及斜面上的窄间隙焊接,对电弧熔透的要求不是限于一个方向熔池底部,而是三个方向熔池底部及间隙两侧壁。增加电压将使熔合区的宽度增加,但是电压如果增加得过大将会导致两侧壁上形成咬边,因而会增加在咬边处形成夹渣的倾向。另外一个问题是尽管喷射过渡模式下的电弧具有比较高的稳定性及低飞溅率,但此时的焊接电压仍然偏高,这是由于喷射过渡模式下的电弧极易沿间隙侧壁发生攀升,导致焊嘴烧坏及焊接过程无法进行。

电流也是非常重要的焊接参数,这基于以下三个因素熔敷率,电弧稳定性及焊缝几何形状。降低焊接电流将减小熔敷率,因为送丝速率与焊接电流成正比。在中,有时候使用低电流以减小焊接热输入,从而解决冶金特性,机械特性及工件的变形问题。增加电流将使电弧对底部的熔透能力大于对间隙侧壁的熔透能力,因此会减小成形因素及焊缝的宽深比。

保护气体也是非常重要的,因为保护气体的选择将影响到焊接过程的很多方面。保护气体的选择通常基于电弧的稳定性,焊缝的几何形状及接头性能。

熔滴过渡也是影响焊缝成形的重要因素,只有良好的熔滴过渡形态才能保证电弧的稳定性并尽量减少焊接过程中产生的飞溅一。对于窄间隙焊接而言,不合理的熔滴过渡所形成的飞溅易附着在焊嘴和间隙两侧壁,以致焊嘴被卡在坡口间隙内而烧损焊枪,因而有必要找到适合于窄间隙焊接的熔滴过渡形态以避免焊枪被烧损。

窄间隙焊接过程中因焊接参数匹配不合适而极易产生梨形形状的焊缝裂纹。梨形焊缝裂纹是在焊缝凝固过程中形成的,这种裂纹一般为两种类型一种能够到达焊缝表面,另一种则不能到达焊缝表面。梨形焊缝裂纹的产生原因很多,文献的研究表明,当热输入较大、焊速较高、深宽比大于、间隙宽度较小时,梨形焊缝的形成趋势明显增强反之裂纹的形成趋势则会较小。为了防止梨形焊缝的产生,可采用正极性焊接或者采用热处理的方法防止出现再热裂纹。

1.3窄间隙焊接技术的分类和原理

窄间隙焊接技术按其工艺可分为：窄间隙埋弧焊(NG－SAW)、窄间隙钨极氩弧焊(NG－GTAW)、窄间隙熔化极气体保护焊(NG－GMAW)、窄间隙焊条电弧焊、窄间隙电渣焊、窄间隙激光焊。每种焊接方法都有各自的特点和范围，根据各自特点又可分为若干小类。

1.3.1窄间隙埋弧焊(NG－SAW)

NG－SAW焊丝导电长度短，电流密度高，电弧的熔深能力和熔敷效率都将提高；同时，由于焊剂和熔渣的隔热作用，电弧的热辐射散失少，热效率高，焊缝质量优良，主要应用于低合金钢厚壁容器和其他重型焊接结构。窄间隙埋弧焊接头具有较高的抗延迟冷裂能力，强度性能和冲击韧性优于传统宽坡口埋弧焊接头。与传统埋弧焊相比，效率提高50％～80％，节约焊丝38％～50％，焊剂56％～64．7％。由于窄间隙埋弧焊是依靠颗粒状焊剂堆积形成的保护条件，所以主要用于水平面焊缝的焊接。加之窄间隙焊接的焊缝坡口窄，尤其是在厚板的底层焊接时，焊渣不易脱落，需要焊剂具有良好的脱渣性。

随着填充金属、焊剂等取得的发展，在焊接碳钢＋低合金钢和高合金钢时采用的焊丝直径为2～5mm，很少使用直径小于2mm的焊丝。最佳焊丝直径为φ3mm，直径φ4mm焊丝主要用于厚度大于140mm的钢板，直径φ5mm焊丝主要用于厚度大于670mm的钢板。

现阶段各种窄间隙施工技术：(1)采用直径φ1．2～1．6mm的细焊丝摆动焊接厚400mm以上的压力容器，第一、第二层使用TIG焊接，其他各层采用直径1．6mm细丝进行单面埋弧焊接。(2)采用直径3．2mm焊丝双丝埋弧焊焊接压力容器。(3)林尚扬院士研制的HSS－2500型双丝窄间隙埋弧焊机(焊丝直径3mm)已成功地焊接了大型高压容器(如锅炉、化工容器、核反应堆、热交换器、水压机、储热器、水轮机、采油平台桩腿、厚板结构等)，该设备既可焊接环缝，又可焊接纵缝。目前，太原重机厂和哈尔滨锅炉厂都成功地应用了该技术，并取得了可观的经济效益。(4)也有采用埋弧焊与气体保护焊联合焊接桥梁桁架弦材不完全焊透接头(J形坡口)的窄间隙焊接技术应用实例[4]。在工业生产中比较成熟的窄间隙埋弧焊技术有以下几种：(1)NSA技术。由日本川崎制钢公司为碳钢和低碳钢压力容器、海上钻井平台和机器制造而开发的NG－SAW。(2)Subnap技术。由日本钢铁焊接产品工程公司为碳钢和低合金钢开发。(3)ESAB技术。由瑞典NG－SAW设备和焊接材料制造厂家ESAB为压力容器和大型结构件的碳钢和低合金钢焊接而开发。(4)Ansaldo技术。由意大利米兰AnsaldoTPABred锅炉厂为NG－SAW设备制造商和用户开发。采用固定弯曲单焊丝，每层熔敷多焊道。(5)MAN－GHH技术。由德国MAN－GHHSterkrade为核反应堆室内部件制造而开发，采用单焊丝双焊道。

1.3.2窄间隙钨极氩弧焊(NG－GTAW)

NG－GTAW基本不产生飞溅和熔渣，克服了普通GTAW焊接效率低的问题，同时电弧稳定，很少产生焊接缺陷。NG－GTAW可以实现薄板焊接、压力水管的全位置焊接，接头质量好，焊道成形美观。NG－GTAW方法中，既在送进的焊丝中通入直流电，产生的磁场偏向焊接前进方向的焊接方法，也有采用低频脉冲电流窄间隙热丝TIG焊或横焊的焊接方法。为了防止引起磁偏吹，研制了周期性增减电弧电流，在电弧电流减少之瞬间填丝通电的焊接方法。超高强钢的使用促进了NG－GTAW焊接技术的应用，通常NG－GTAW焊是焊接质量较可靠的焊接工艺之一。有氩气的保护作用，NG－GTAW焊可用于焊接易氧化的非铁金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金以及难熔的活性金属(如钼、铌、锆)等，其接头韧性好，焊缝金属含氢量低，但钨极的载流能力低，熔敷速度不高，应用领域狭窄，一般用于打底焊和重要的结构焊接。

1.4.3窄间隙熔化极气体保护焊NG－GMAW

NG－GMAW是采用特殊的弯曲结构使焊丝保持弯曲，从而解决坡口侧壁的熔透问题，是利用电弧摆动来达到焊接钢板两侧壁的一种方法。在平焊方法中，为了使I形坡口的两边充分焊透，使电弧指向坡口两侧壁，采用了各种方法：(1)焊丝进入坡口前，使焊丝弯曲；(2)使焊丝在垂直于焊接方向上摆动；(3)采用麻花状绞丝方法；(4)药芯焊丝的交流弧焊方法；(5)采用大直径实心焊丝的交流弧焊方法；(6)采用φ(Ar)30％＋φ(CO2)70％作为保护气体与直径φ1．6mm实心焊丝相配合的气体保护焊方法，用于焊接特殊形状复杂的接头。在横焊方法中，为了防止I形坡口内熔融金属下淌，以便得到均匀的焊道，提出了如下焊接方法：a．利用焊接电流周期性变化，使焊丝摆动或将坡口分成上下层的焊接方法；b．将各种方式组合起来的焊接方法。在立焊窄间隙MAG焊接方法中，为了保证坡口两侧焊透，研制了摆动焊丝的焊接方法以及焊接电流与焊丝摆动同步变化的焊接方法。为解决侧壁熔合，改善焊缝成形，开发了许多窄间隙GMAW应用形式。窄间隙GMAW按照焊丝数量可分为单丝、双丝和多丝焊，其中双丝焊应用最多；单丝焊按照电弧形式可以分为摆动电弧、旋转电弧和不摆动焊弧三种。近年来，又开发出了间隙5mm以下的超窄间隙焊。目前应用较为成熟的NG－GMAW技术是由美国林肯公司研制出的表面张力过渡技术，具有飞溅率低、熔滴呈轴向过渡、焊接烟尘少、作业环境舒适、低热输入条件下熔合优良、良好的打底焊道全位置单面焊双面成形能力、操作容易、效率高等优势。

1.4研究内容

本文首先对窄间隙焊接的定义及特点、窄间隙焊的研究现状、窄间隙焊接技术的分类和原理进行了相关的研究。

其次对核电站管道窄间隙自动焊机技术性措施解析，主要介绍了主管道窄间隙全位置焊接机头的改造、TIG-激光电弧复合焊工艺、管道窄间隙自动焊焊缝超声检测技术这三种技术性措施。

其次核电站管道窄间隙自动焊机质量控制进行了研究，窄间隙自动焊焊接方法、主管道焊接中的常见问题、焊接工艺及变形控制措施、主管道自动焊焊缝返修工艺等进行了研究，为其应用进行了铺垫。

然后通过建宁德核电站主管道焊接这样项目对核电站管道窄间隙自动焊的施工质量评估与经济性特征评估，来评价其的优势所在。

最后通过浙江三门核电是全球首座AP1000核电站这样实际的工程应用，通过对焊接质量管理存在的不足进行研究，依托项目焊接质量管理标准化研究，为其进一步的应用打下基础。

第二章：核电站管道窄间隙自动焊机技术性措施解析

2.1主管道窄间隙全位置焊接机头的改造[WU1]

2.1.1问题概述

核电站主管道是核电站施工中最重要也是技术难度最大的一项工程，主要原因在于主管道是核岛内连接核反应堆、蒸发器和主泵的管路，常年处于高温、高压状态下，不能发生任何质量问题，一旦发生泄漏将可能周围环境及人员造成严重危害，并且由于核辐射的问题对主管道进行维修和维护的成本极高。同时，主管道直径大（接近1m），壁厚（接近100mm），再加上施工环境限制，要保证极高的焊接质量十分困难。

在国外，早在20世纪六七十年代，就已在核电站主管道上采用了自动焊，以更好的控制焊接质量，保证主管道高可靠、长寿命的使用要求。而在我国，从2000年以后才开始主管道自动焊技术的研究。随着我国核电站建设项目的不断增加，为确保焊接质量的稳定性和提高主管道施工的生产效率，对主管道实施自动化焊接显得极为迫切。

2.1.2难点分析及解决措施

国内的核电站多为第三代CPR1000核电技术，其具体结构如图2.1所示。主管道分三个环路，每个环路有冷段、热段和过渡段共8条焊缝（见图2.1），三个环路共有24条焊缝。

虽然所引进的全位置窄间隙。

图2.1：主管道一个机组布置图2.2主管道一个环路8个焊口布置

自动焊机在国外核电站主管道焊接上已有许多成功的案例，但由于我国CPR1000的设计是基于手工焊技术，现在要采用自动焊方法施工，主管道的加工精度和现场可操作空间是影响自动焊是否能够成功应用的最为关键环节。为了确保主管道所有焊口都能顺利实施自动焊，在设备交付用户后，我们配合用户将所有从国外引进的焊接机头和轨道在岭澳二期已焊接完成（手工焊）的主管道上进行模拟装配焊接试验，结果发现由于用于U1口焊接机头的轨道无法固定在管道上而造成U1口无法实施自动焊（见图2.3）。

图2.3U1轨道试装图2.4轨道安装

经分析，主要原因是：轨道所要安装的管道段为一个弯头，直管段非常短，比原图样上的理论尺寸还要短，轨道如果安装到直管段上，那么机头沿管道轴向长度将超过焊缝中心很多，焊枪无法在焊缝部位施焊。如果将轨道下移至焊枪能够位于焊缝部位，那么轨道就要固定在弯曲的管段上，其表面不规则，轨道无法固定住。因此，解决U1口自动焊问题，成了整个主管道是否能够完全实施自动焊的最大难点。

U1口是整个主管道自动焊第一条开始焊的焊口，留给我们的时间非常紧。为了尽快解决U1口焊接问题，我们经过仔细研究该部位的结构特点，进行三维模拟，最终决定将轨道固定到焊口上部的蒸发器侧（见图2.4），因为这侧的直线段较长，有利于轨道的固定和保证机头的运行空间。

图2.5标准机头安装尺寸模拟

但由于焊口在焊接完成后，需要进行盖面的堆焊，盖面的宽度至少要50mm，机头安装后，其轴向最短长度虽然能满足焊口的焊接要求，但无法满足盖面的焊接要求，因此，必须要对机头进行改造。（如图2.5）所示，原机头安装到轨道上后，钨极到轨道边缘最小长度为170mm。为了缩短机头轴向长度，同时又不增加机头的径向空间，我们将机头机身和焊接前端之间加了一块Z型的过渡板，目的是将焊接前端移到机头的侧面（见图2.6），改造后钨极到轨道边缘最小长度达到5in（127mm），缩短了约43mm。此外，由于轨道安装非常靠近蒸发器接管的圆弧（见图2.7），机头夹持轨道的部位与圆弧处过近，造成机头安装十分困难，并且极有可能在焊接过程中与圆弧处产生碰撞。为此，我们重新设计了一套轨道，将轨道直径尺寸适当加大，由原来直径40in（1016mm）改为41in（1041.4mm）。为了确保改造能够完全满足U1口自动焊要求，在改造完成后，我们又在核岛内进行了两次模拟装配焊接试验，确认了机头的改造满足U1口自动焊要求。

图2.6改造后机头模拟图2.7机头夹紧部位模拟

2.1.3实施效果与评价

在2011年1月25日，宁德核电站第一条主管道焊缝（U1口），也是中国第一条采用自动焊的主管道焊缝施工开始（见图2.8）。经过大约2周时间第一条U1口焊接完成（见图2.9），焊缝质量均一次检测合格。随着U1口焊接的成功，后续其他所有焊口的自动焊也先后顺利完成，这标志着我国第一个采用自动焊施工的核电站获得圆满成功。

图2.8宁德核电站主管道自动焊启动

图2.9U1口焊缝外观

U1口焊接机头是整个主管道窄间隙全位置自动焊设备中技术难度最大的一部分，在我公司技术人员不懈努力下，并在最短的时间内改造完成，确保了我国第一个采用自动焊施工的核电站主管道得以顺利实施，并为最终取得圆满成功奠定了基础。主管道自动焊的应用使焊接质量及其稳定性有了大幅提高，使我国在此领域达到了世界先进水平，具备了与国际核能巨头相当的技术能力。此外，在工期方面，自动焊技术应用有效地缩短了主管道的焊接工期，单道焊缝的焊接工期由手工焊的35天缩短至15天，单台机组主管道焊接总工期由手工焊最短102天缩短至79天，为核电站提早运行发电创造了条件。

2.2

TIG-激光电弧复合焊工艺[WU2]

2.2.1问题概述

(1)焊接过程的调节需深入研究。由于管道坡口加工、坡口组对、导轨安装等因素的影响，有时焊枪与焊缝中心不在一个平面，需要根据视频进行调节，而调节往往具有滞后性，所以对焊接质量的控制及保障存在一定的不足，需要开展深入研究。

(2)焊接效率有待进一步提高。目前，TIG窄间隙自动焊采用的为冷丝TIG，焊接效率较低(送丝速度约为1600mm／min)。与手工焊相比，主管道窄间隙自动焊技术能有效的提高焊接效率，但是在核电大发展及核电站安装施工周期压缩的大环境下，焊接效率还需要进一步提高。

(3)质量控制体系需要进一步加强。焊接质量问题在窄间隙自动焊中主要是指两壁未熔合，究其原因是焊接过程中焊枪未摆动，而管道的壁厚较大，若施工条件较差或操作不合理，则容易产生未熔合缺陷。TIG－激光电弧复合焊是激光与电弧共同作用于熔池，焊接过程中，激光与电弧之间存在相互作用和能量的耦合，也就是通常所说的激光电弧复合热源焊接———激光与电弧相互作用形成的一种增强适应性的焊接方法，它避免了单一焊接的缺点和不足，具有提高能量、增大熔深、稳定焊接过程、降低装配条件、改善融化金属与母材润湿性、消除焊缝咬边现象、提高焊接生产效率等优点[WU3] 。

2.2.2主管道激光电弧复合焊侧壁熔合机理及工艺优化

在主管道窄间隙焊接时，坡口一般窄而深，焊接电弧几乎与坡口侧面平行，导致侧壁加热不良，焊接填充材料与侧壁母材的均匀熔合不易保证，这一问题在低线能量焊接时尤为突出。采用激光－电弧复合热源焊接，激光作用于工件时将产生金属蒸气，易于电离形成带电粒子，可降低电弧经过该路径时的电阻，使得电弧被吸引到激光与工件的作用点处。利用激光的这种诱导效应，首先将激光投射到待焊坡口间隙的侧壁边缘，使其诱导电弧在侧壁和焊炬电极间燃烧，有望消除常规窄间隙焊接时的侧壁不良熔合问题。

2.2.3激光对电弧的诱导及控制技术

(1)主管道窄间隙焊接的主要问题之一是侧壁熔合不良。为解决这一问题，采用激光诱导电弧，为此，应首先确保激光诱导的有效性，并同时确保其可控性。

(2)为确保激光对电弧诱导的有效性，必须确保激光在电弧气氛中能够激发出足够的易于电离的金属蒸气，以便在电弧电极与激光投射点之间形成新的电弧通路。为此，在研究激光－电弧复合窄间隙焊接机理的基础上，通过优化激光束与电弧电极的距离与角度来实现激光对电弧的有效诱导。

(3)在主管道窄间隙激光－电弧复合焊接中，除了要解决侧壁熔合问题外，还要利用激光与电弧复合的优势提高熔深和焊接效率，这就要求对激光诱导电弧可控调节。通过对焊接路径规划的研究来实现激光诱导电弧的可控调节

2.2.4激光功率与电弧能量的匹配及调控技术

在主管道窄间隙焊接中采用激光－电弧复合技术的目的在于改善侧壁熔合、提高焊接效率、改善热影响区组织和接头性能，这些均依赖于激光功率和电弧能能量的合理匹配。

(1)在熔池形态数值模拟的基础上，确定获得理想焊缝形状的激光功率与电弧能量的匹配比值。

(2)在焊接温度场数值模拟的基础上确定获得力学热影响区组织的激光功率与电弧能量的匹配比值。

(3)根据上述研究，确定获得最优焊缝形状和热影响区组织的激光功率与电弧能量的匹配。

(4)依据不同壁厚、不同坡口形式和尺寸的试件焊接时所确定的最佳激光功率和电弧能量的匹配，实现对激光功率和电弧能量匹配的调控.

2.2.5效果评价

将TIG－激光电弧复合焊工艺应用于核电站主管道的焊接，将会取得一系列成果：

(1)为核电站的推广应用打下了基础，使得窄间隙自动焊技术更为成熟、有效。

(2)解决了一定的技术难题，如焊接调节的滞后性对焊接质量的影响。

(3)激光与焊接电弧的作用体系中，双热源的空间配置和焊接工艺规范参数的良好匹配、优化使得复合热源焊缝成形和接头质量很高，从而大幅度提高焊接质量；同时也能有效的预防及消除两壁未融合的缺陷，也使得焊接质量进一步得到保障。

(4)大幅度提高焊接生产效率，主要体现为对缺陷的有效预测、控制及消除，以及焊接层数的减少。

(5)具有一定的经济效益，主要体现为施工周期压缩所带来的间接收益。

2.3管道窄间隙自动焊焊缝超声检测技术[WU4]

2.3.1管道窄间隙自动焊焊缝特点

1、母材特点

由奥氏体－铁素体不锈钢材料（Z3CN20.09M）铸造而成，由于铸造不锈钢材料的晶粒组织不均匀，存在粗大的柱状晶，其内部组织的各向异性严重。这种粗大组织对超声波具有强烈的衰减作用，导致采用超声波检测时灵敏度变化大。另外，粗大组织也会引起强烈的散射声波的叠加及波型转换，导致假信号出现，且其各向异性对声波有扭曲作用，严重影响缺陷大小的测量及定位。因此，核电站管道自动焊焊缝超声检验存在很多技术上的难点

2、坡口形式

随着核电站批量化建设和安装质量要求的提高，窄间隙自动焊技术开始应用于核电站主管道安装中。相对传统手工电弧焊，自动焊采用窄间隙坡口，焊缝填充量约为手工焊的十分之一，侧壁产生未熔合的风险较大。考虑超声检测相对射线检测，对面积型缺陷如裂纹、未熔合、夹层等更敏感，因此，主管道焊缝重点针对侧壁未熔合缺陷采用超声方法检测。

3、焊缝组织特性

主管道母材为铸造奥氏体－铁素体不锈钢材料，该材料焊缝在凝固过程中没有相变，且导热性差，焊缝熔池中金属的冷却速度慢，温度梯度小，导致了粗柱状晶的形成。因此，焊缝结晶晶粒始于半熔化的母材晶粒，沿原方向生长，止于焊缝中心。对于采用多道焊的大壁厚管道焊缝，柱状晶生长方向沿着原晶粒方向，能穿过多层焊道持续生长，其长度能达到10mm以上，直径一般在1mm以内。焊道中部相邻晶粒的方向相差微小，形成了有序的成排柱状晶。从焊缝宏观近相（图2.10）中可清晰地看到粗大柱状晶的纤维结构。而且，由于奥氏体不锈钢焊缝没有固态相变，所以也不可能通过热处理的方式使晶粒细化。

图2.10焊缝宏观近相

2.3.2超声波检测实施方法

1、分层检验

由于受检对象检验厚度大，且为粗晶材料，检测时考虑采用不同聚焦深度和不同角度的探头，分区进行检验。检验区域的分层按厚度方向分为三层，分别利用不同的探头进行检验，具体分层见示意图：扫查表面以下0~30mm为第一层；扫查表面以下30~60mm为第二层；表面以下60mm至底面为第三层。此分层并不是绝对的，因为各种探头在实际检测时会存在一定的重叠。实际检验时从被检部件外表面进行检验，检验分层方式示意图如图2.10所示。

图2.10检测分层示意图

2、探头选择

普通纵波直探头很难满足粗晶材料检测要求，故选用了经过特殊设计的高阻尼双晶聚焦探头；探头频率选择1~2MHZ，主要是考虑了大衰减的原因。为保证与主管道焊缝表面的良好耦合，加工了一批与主管道外表面相匹配的超声波探头（探头接触面凹形）。探头主要包括0度，45度，35度，60度和70度双晶纵波聚焦探头。为覆盖整个被检区域（深度方向），采用了不同焦距和不同晶片尺寸的双晶聚焦探头。根据图2.10所示：第一层采用0度，70度，60度探头轴向检测，45度探头周向检测；第二层采用0度，45度探头轴向检测，35度探头周向检测；第三层采用0度，45度探头轴向检测，35度探头周向检测。主管道窄间隙焊缝扫查探头均为双晶纵波探头。为确定每个探头的基本参数，采用Tomosan-Ⅲ自动超声仪在相应的探头性能测试试块上，针对每个探头进行探头角度、探头频率、探头RF波、探头带宽测试。

3、试块设计

为验证超声检验方法对主管道窄间隙自动焊焊缝的检测能力，并确定最佳超声波检测方法及记录准则和验收准则，采用与产品同材质同规格的主管道材料，设计和制作一批检验对象的探头性能测试试块、对比试块（参考试块）及验证试块。

（1）探头性能测试试块　主要用于测试超声波探头的主要性能参数，如探头角度、频率、前沿等。试块包括轴向检验和周向检验探头性能试块，试块上人工反射体包括长横孔和圆弧面。

（2）对比试块／参考试块　主要用于建立超声DAC曲线和检验灵敏度，其为带焊缝的试块，包括轴向和周向对比试块。试块上加工有人工反射体和矩型槽；试块上的人工反射体包括长横孔（直径3.2mm）、平底孔和线切割槽（10%的试块厚度）。

（3）验证试块　主要用于验证检验方法的检测能力。该试块为带焊缝的试块，其尺寸规格与检验对象相近，试件内包含预埋的面状缺陷（未熔合）及加工的内、外表面槽。

4、检测系统

根据受检主管道焊缝尺寸规格及焊缝位置尺寸，采用自动超声检测装置，包括管道扫查小车、扫查自动控制系统、探头固定装置等。检查系统包括：Tomosan-Ⅲ多通道超声仪、Tomview采集分析软件、超声探头、探头性能测试试块、对比试块、计算机、扫查装置、控制器及软件、耦合剂供给与回收系统、各种连接电缆。

5、扫查准备

（1）探头参数测定和时基校准

每次检验之前需进行探头参数测定和时基校准。在探头性能测试试块上测量包括探头的前沿、角度、频率和焦距等信息，试块包括周向和轴向外表面探头性能测试两种类型试块；探头的时基校准需在相应对比试块上进行调节，具体操作为根据相应对比试块上的2个不同深度的横通孔，调节超声仪－探头检验系统的延迟和声速。

（2）灵敏度调节

不同扫查方向探头的灵敏度设置需在相应的周向或轴向对比试块上进行，每次检测开始之前调节灵敏度，灵敏度调节采用底面回波或用对比试块中人工反射体的相应位置进行调节。

（3）扫查灵敏度、速度及覆盖率

焊缝扫查灵敏度至少在基准灵敏度基础上增益6dB；探头扫查速度不大于100m/s；当探头垂直于声束方向移动时，每个歩距至少有20%探头晶片尺寸的重叠。

（4）扫查方法

扫查采用外侧自动扫查为主，内部可达时也可进行内部辅助扫查。扫查方法分为轴向扫查（声束垂直于焊缝扫查）和周向扫查（声束平行于焊缝扫查）。轴向扫查时，周向步进；周向扫查时，轴向步进。

2.3.3 检测效果评价

该检测方法采用多种角度双晶聚焦探头、多通道超声检测分析系统、与主管道同材质的试块及分层扫查方法可很好地适用于厚壁铸造不锈钢焊缝的超声检测。在主管道焊缝检测中增加超声检测，不但提高了对未熔合缺陷的检出率和定位精度，而且可与射线检测方法形成良好互补，确保了核电站主管道焊接质量。

第三章：核电站管道窄间隙自动焊机质量控制

3.1窄间隙自动焊焊接方法

3.1.1窄间隙自动焊焊接的优势[WU5]

在核电站的建造过程中，关键点和难点之一为主管道的现场焊接。传统的主管道焊接工艺为焊条电弧焊接，其焊接质量会受到焊工的专业技术水平、身体状况和情绪等因素的影响，且因该工作的劳动强度过高，常导致焊工的焊接效率较低，最终造成工期延长。窄间隙自动焊焊接工艺与传统的焊条电弧焊工艺相比，具有以下5个优点：①焊接效率高，可以不间断地作业。②熔敷金属填充量少，可降低填充材料成本。③焊接过程简单，对工人的要求相对较低。④焊接接头质量高。自动焊焊接过程均由自动焊设备根据标准的焊接参数进行的，整体焊缝的焊接热输入稳定、合理，焊缝的晶间组织均匀、晶粒小。⑤整个焊接过程具有可追溯性、可视性。窄间隙自动焊焊接工艺在焊接的整体过程中会进行视频监控和记录。

窄间隙自动焊比传统宽坡口焊接不仅大幅度减少了坡口横截面积，使焊接金属的填充量减少了约84%，而且可以在不太大的焊接热输入下，实现高效焊接，既提高了焊缝质量和安全裕度，又提高了工程安装效率，缩短了工期。作为一种先进、成熟、经济的焊接方法，窄间隙自动焊已被广泛应用于锅炉、化工机械、重型机械等领域的各种厚壁钢管或钢板的焊接。在岭澳二期核电站建设之前，受核岛现场条件及焊接技术等因素的制约，自动焊工艺国内仅限于设备制造厂应用，核电站现场安装一直采用传统的手工焊工艺。随着焊接技术的发展，自动焊工艺逐渐应用于核电机组。同等工程量，主管道如采用手工电弧焊需要105天，而采用窄间隙自动焊只需79天，大大缩短了安装工期。

3.1.2窄间隙自动焊焊接流程

主管道焊接开始前需从人员、工机具、焊接材料、相关适用文件与焊接工艺和施焊环境5个环节进行严密、细致的准备，保证现场施工顺利进行

1、焊工培训和考试

参加主管道窄间隙自动焊的操作工必须具有高度的责任心，丰富的焊接理论知识和过硬的焊接操作技能，能在焊接过程中观察判断焊缝成形情况并及时进行调整，保证焊缝总体质量。焊工经过严格的焊接理论和实际操作培训后，将按照HAF603的规定进行理论和操作考试。考试信息如表3.1所示

表3.1主管道窄间隙自动化焊接操作工考试信息

2、焊接工机具准备

实际应用的自动焊工艺是在法国成熟的主管道窄间隙自动焊工艺基础上开发而来的。为了保证焊缝质量，采用与法国工艺相同厂家、相同型号的焊机(LiburdiGOLDTRACKVI)，并经过相关计量部门标定。焊接工机具与其他施工机具严格区分，禁止互换使用。打磨、清理时必须使用不锈钢专用砂轮和经过改装的不锈钢丝刷。

3、焊接材料

用于主管道窄间隙自动焊的焊丝必须按相关采购技术规格书采购，并按相应上游文件验收。储存时必须与其他焊材分离，单独放置。储存区温度控制在20℃以上，相对湿度≤60%。焊材清单见表3.2.

表3.2主回路管道窄间隙自动焊填充材料清单

4、适用文件和焊接工艺

完整的文件体系和严谨的焊接工艺是保证核电站焊接质量的基础。适用文件包括焊接作业指导书、质量控制文件、焊接过程监控记录、焊接检验操作程序、焊接填充材料管理程序等。焊接工艺规定了焊接方法、焊接位置、坡口形式以及焊接工序。此工程采用窄间隙钨极氩弧焊(N-TIG)。保护气体为:正面氩氦(Ar30%+He70%)混合气体，纯度≥99.99%;背面纯氩，纯度≥99.99%。焊接位置为5GT(管道水平放置)，焊接方向为立向下和立向上。主管道窄间隙坡口为窄U型，如图3.1所示。

图3.1主管道窄间隙坡口

每道焊缝分4个工序:根部焊道工序、填充焊道工序、填充末期焊道工序和盖面焊道工序。根部焊道包括钝边熔透焊道、侧向熔合焊道和支撑焊道。焊丝牌号为ER316L，规格为Φ0.8mm。为了避免焊缝出现氧化或过烧现象，管道内部充氩气保护，氩气流量控制值为12～15L/min。侧向熔合焊道为根部焊道工序的难点，是避免发生侧向母材未熔合缺陷的关键点。填充焊道工序和填充末期焊道工序所用焊丝的牌号为ER316LSi，规格为Φ1.0mm。焊接电流、焊接速度、焊丝填充速度、峰值电压、占空比等焊接参数应根据焊缝宽度，对照焊接指导书选择。保证各阶段热输入量在工艺评定范围之内。层间温度是此工序控制重点之一，为避免因层间温度过高而改变不锈钢晶相组织，降低焊缝机械性能，层间温度应≤80℃。盖面焊道分为摆动焊道和线性焊道。焊丝牌号为ER316LSi，规格为Φ1.0mm。填充焊道工序将坡口两侧母材部分熔化，而RCC-M—2000规程对焊缝外观有严格要求，不允许出现焊缝未填满和有凹坑的缺陷，故盖面焊道工序采用摆动焊道和线性焊道相结合的工艺，覆盖坡口两侧约15mm母材和全部焊缝，使两者平滑过渡，最终焊缝成形美观，满足标准要求。焊接完成后焊缝截面如图3.2所示。

图3.2焊接完成后焊缝截面

5、施焊环境

为了满足主管道焊接符合Ⅱ级工作区要求，避免因粉尘、气流等外部原因产生焊缝缺陷，在主管道焊接区域用木板和防火布等建立隔离区。设置门卫管理制度，严控进入施工区域的人和物。所有操作人员必须戴白色不起毛的手套。按RCC-M—2000规程要求，焊接作业时环境温度应≥－10℃，工件温度≥5℃。在施工过程中，当环境温度和工件温度低于要求值时，需采取相应措施提高温度，避免焊口产生冷裂纹。

6、焊接过程检查

在焊接过程中为保证焊接质量，质检人员必须对下述内容进行全程检查。

(1)坡口组对前，检查坡口外观及尺寸。

(2)坡口组对后，检查组对间隙(应≤1mm)、坡口错边量(应≤1.5mm)。

(3)焊接作业前，检查区域环境温、湿度和工件温度。空气温度应≥－10℃，空气相对湿度应≤90%，工件温度应≥5℃。

(4)焊接作业前检查自动焊机、氩气流量计、打磨工机具等是否符合要求，仪表是否在标定的使用有效期内。

(5)焊接作业前对照焊接数据单，检查各项焊接参数是否输入正确。

(6)确认钨极完好，且拧紧压帽。

(7)焊接过程中检测层间温度是否满足工艺要求。

(8)焊接工序交替时，测量焊缝宽度，确认焊接参数选择正确。

7、质量检验

检查人员必须有丰富的工作经验，且通过HAF602规定的相关资格考试，取得VT-II级以上资格证。

(1)焊缝外观检查应符合RCCM-MC篇要求，外观尺寸应符合RCCM-F篇要求。

(2)表面液体渗透检查(PT)应符合RCCM标准Ⅰ级要求。

(3)射线探伤检查(RT)应符合RCCM标准Ⅰ级要求。

(4)超声波检查(UT)应符合RCCM标准Ⅰ级要求。

(5)依据相关核安全法规和上游设计文件，需制作焊接产品见证件，验证产品焊缝质量及质量稳定性，保证产品焊缝实施条件符合焊接工艺评定确定的有效范围。产品见证件应使用与现场产品母材同一炉批号的母材;应使用与现场产品焊材同一炉批号的

焊材;采用与现场产品焊接相同的焊接工艺和同类型焊接设备;应由曾经焊接过相应现场产品的操作工完成焊接。

此核电机组制作了多项窄间隙自动焊产品见证件，在规定期限内完成与工艺评定相同的检验(包括无损检验和破坏性试验)，结果全部满足设计要求，证明此焊接工艺是稳定的，按此工艺制作的产品是可靠的。

3.2主管道焊接中的常见问题

3.2.1侧壁熔合不良

6GT位置180°～270°焊缝根部下侧和5GT位置180°～270°焊缝根部两侧易出现侧壁熔合不良的问题。造成上述问题的主要原因有以下2点：①电弧张开角度不足。电弧张开角度的影响因素主要有钨极的锥度、电流的大小、钨极的类型等。在焊接前，应注意钨极的选择，确保钨极尖无开花现象；根据焊缝的实际情况选择弯钨极或直钨极。②热输入量不足。主管道现场焊接使用的焊接工艺均经过了工艺评定的验证，即焊接所使用的参数已经过验证。因此，热输入量不足是侧壁熔合不良的原因之一，可通过在可调范围内增加峰值电流、降低行走速度、减小基值电流来缓解此情况。

3.2.2粘钨

粘钨通常是指在焊接或起弧的过程中，钨极部分在接触到熔池后造成短路，导致焊接过程无法正常顺利进行的情况。出现该问题的主要原因有以下3点：

①钨极偏转。由于在窄间隙焊接工艺中规定了钨极的纵向偏转角度，如果在90°和270°两个位置出现粘钨，则可考虑调整钨极的纵向偏转角度。

②冷却水循环不顺畅。由于电源主机与机头间的线缆（内有水管）较长，且在焊接过程中线缆常出现被绊、被压等现象，导致冷却水循环不畅，进而导致粘钨。因此，在焊接过程中应注意整理线缆，将维护冷却水管加入日常工作中，并定期更换冷却水。

③层间温度较高。在连续焊接数道后，易在270°附近发生因熔池过大而引起的粘钨。因此，在焊接过程中应随时观察熔池，在保证熔合良好的情况下，降低基值电流和弧压，尽可能地减少热输入量。

3.2.3烧穿

烧穿是指在焊接过程中，电弧将坡口钝边或焊缝击穿，熔化的金属自坡口的背面流出，进而形成孔洞的现象。引发该问题的原因为间隙或错边量过大、焊接中电流异常增大、机头卡涩等。因此，焊缝组应尽量做到零间隙和零错边，从而有效避免该问题的发生。此外，在根部打底焊接时，应尽量在间隙最小的区域起弧，且不要靠近间隙处，等送丝后再向焊缝中心移动。

3.2.4成形不良

焊接规范不当或焊接操作不良，选择参数过大或过小，造成焊缝成形不良缺陷，如烧穿、表面成形不良等缺陷。主管道自动焊焊接过程中，烧穿现象的出现往往是由于组对间隙较大，并且起弧时钨极正好在间隙处；或者由于焊机轨道打滑，在进行上坡焊接时，机头无法前行，在原地进行焊接，造成焊缝的烧穿。焊缝表面成形不良，往往是由于现场焊接时，上一道焊缝的表面不平整，或者选取的参数电流电压偏小，而此时的焊缝宽度比较宽，在进行焊接时，两侧熔合不好，造成焊缝成形不良。

3.2.5体积缺陷：气孔、未熔合

气孔：熔池冷却凝固之前来不及逸出残留气体（一氧化碳、氢气、氮气）而形成的空穴。就主管道自动焊而言，气孔也是比较常见的缺陷，它的产生往往是有以下因素产生的：

（1）保护气受污染：由于气瓶组之间是由接头进行连接的，管线接头在连接时，外界空气或水汽易进入管线，在焊接时，易产生气孔，为避免上述现象，往往在主管道焊接时，提前进行预气，将不纯的保护气排出，再进行焊接。

（2）防风不利：主管道焊接过程中，假设有外界气流的进入，造成电弧偏吹，易产生气孔，另外焊接过程中人员的走动，焊机运转时，自身的排气扇排出的气流离焊接区域较近，也易产生气孔。因此现场焊接时，建立防风控制区，控制人员数量及走动频率，自动焊焊机远离焊接区，都能减少气孔的产生。

（3）湿度影响：主管道焊接要求的湿度为90%，一旦现场湿度过大，导致焊丝受潮，焊接过程中也易产生气孔。

（4）其他因素：焊丝及焊缝表面不干净，存在油污，在焊接时也易产生气孔，因此在现场焊接过程中，加强焊缝表面的清理，能够有效的减少气孔的产生现场常见的气孔有单个气孔、密集型气孔、缩孔等。未熔合：填充金属与母材或填充金属之间未熔合在一起。主管道自动焊焊接过程中，焊缝宽度比较大，此时输入的电流电压等参数比较小；焊接速度过快；导致焊缝两侧熔合不良，易出现未熔合缺陷，另外焊接时钨极角度行走不当（焊偏），未在中间行走，也比较容易造成焊缝的一侧出现未熔合，任何的未熔合均属于不可接受的缺陷，因此现场为避免此类缺陷的出现，根据不同焊缝宽度设置下一道的焊接参数，对于较宽的焊缝，选择输入较大的焊接参数，增加其热输入，使熔池增大，进而使焊缝两侧完全熔合，除此焊接过程中要求焊接人员高度集中，确保焊接在焊缝中间进行，防止由于焊偏造成侧壁未熔合缺陷的出现。

3.3焊接工艺及变形控制措施

3.3.1焊接方法

主管道焊接采用传统的手工焊接方法，即：氩弧焊打底＋焊条电弧焊填充、盖面。根部焊接时，用Ar在根部背面进行保护。焊接材料，打底焊时选用牌号为OK16．30Φ1．6mm的焊丝，填充及盖面焊时选用牌号为OK63．25NΦ2．5、3．15、4．0mm的焊条。管道焊缝的坡口形式及尺寸如图3.3所示。

图3.3管道焊缝的坡口形式

3.3.2组对及焊口焊接顺序

每一个回路的管口组对和焊接应选择正确的顺序。为保证根部打底焊焊接质量，焊口对口时留有2～4mm的间隙。施焊前必须测量变形量，然后采用相应的措施控制变形的大小和方向。一般在热管段和压力容器焊接时考虑热管段和蒸汽发生器的一个反向变形量，冷管段和主泵焊接时考虑冷管段和压力容器的反向变形量，45°弯头焊接时考虑与轴向方向的变形量。组对坡口时，采用不锈钢圆柱点固焊在坡口内，至少6～8件，对称点固焊。采用钨极氩弧焊，点固焊时用的焊丝与正式施焊的焊丝相同，并按照正式施焊的工艺要求进行点固焊。如图3中一回路焊口焊接顺序：应先焊完1F4，1F1，1C1，1C4，1U1，主泵和蒸汽发生器定好位，然后测量主泵和蒸汽发生器的距离。根据测量值并预留焊缝收缩余量（一般为8～10mm），然后对1U4的坡口进行现场机加工。先组对并焊接1U4，焊到收缩量达到预留值为止（一般完成焊缝厚度的50％即可）。最后同时组对并焊接1U2和1U6，焊后再焊接1U4。坡口的加工，除1U4，2U4，3U4这3个焊口是在现场加工外，其余是工厂加工好的。

根部焊接为避免焊缝根部出现过烧，管道内必须充Ar保护。氩气流量一般为15～25L/min。为减小变形，采用2人对称分段焊，即焊100mm，间隔200mm，直到全部焊接完成。最后把固定用的不锈钢圆柱除去，随除随焊。中间层和面层焊接采用2人对称焊接。为保证焊缝内部质量及其各项力学性能指标，宜采用多层多道焊接和小焊接热输入，以及窄焊道焊接方法控制焊道厚度和道间温度。奥氏体不锈钢在450～850℃时会引起晶间腐蚀，故在焊接时应避开此温度区。层、道间应清理干净，使用磨光机打磨时，应防止在打磨时出现过热区。坡口两侧边缘100mm范围内均匀涂抹白垩粉，以防止飞溅，并防止焊接烟尘和熔渣的污染。各层焊缝所引起的横向收缩变形，以第1层的变形量最大，随着焊接层数的增加，结构的刚性也不断增大，所以逐层焊道引起的变形不断减小，其中水平固定和45°固定焊口，施焊时，由下向上焊，焊接电流逐渐增大，热循环的规律是下冷上热。因此，下面的横向收缩量比上面的横向收缩量小，控制焊缝横向变形的技术关键在于控制最初几层焊道的焊接。因此，必须尽可能采用较小的热输入、多层多道焊和线性运焊条法，焊道的厚度小于焊条直径的1．5倍。施焊时

，2名焊工分别同时从A1，B1开始到A2，B2，到A3，B3，最后焊A4，B4，2人在相对应位置尽量采用相同的焊接工艺参数，以减小两边焊缝收缩量之差。

图3.4焊接顺序示意图

3.3.3焊接工艺参数的验证

检查人员根据程序要求用校核的测量仪定时进行焊接工艺参数验证。

①焊接工艺参数：电源极性、焊接电流、电弧电压、焊接速度等必须与焊接工艺评定结果一致。

②温度：道间温度必须与焊接工艺评定一致。温度测量禁止用测温笔，可采用热电偶接触式测量表或红外线测温仪，以防测量时带入低熔点物质。

3.3.4焊缝最终表面加工

①焊接完成以后，对焊缝表面进行最终加工，表面必须符合设备技术规范规定的无损检验要求。

②如果焊缝余高超过图样上的公差，应将其加工修磨在公差范围之内；在任何情况下，余高不得超过规定的数值。

③除掉粘附在接头表面上所有熔化飞溅物、焊渣、氧化皮和油脂等可能妨碍检查和无损检验的物质。

3.3.5质量检查、检验

（1）焊缝外观检查焊缝目视检查：焊缝表面目视检查（VT）应符合RCCM－MC篇要求。尺寸检查：焊缝外形尺寸应符合设计图样及RCCM－F篇的要求。

（2）焊缝无损检验表面液体渗透：表面着色探伤检验（PT）应符合RCCM－MC篇的要求。射线探伤：应进行100％射线探伤（RT），合格级别为RCCM－MC篇中规定的Ⅰ级标准。在整个焊接过程中，根据技术要求，主管道焊接应进行表4所列的质量检验。

（3）经焊缝外观检查和无损探伤及管线最终尺寸检查，焊缝外形尺寸符合设计图样及RCCM－F篇的要求；表面着色探伤检验（PT）一次合格率达100％；最终射线探伤（RT）一次合格率达100％。

表3.3主管道焊缝的质量检验

（4）焊接见证件：根据核安全法规和技术规格书的要求，为了验证主管道焊缝的质量和保证现场焊接实施条件与焊接工艺评定试验所确定的焊接工艺相一致，每个反应堆冷却剂系统都应分别在水平固定位置、垂直固定位置、45°角固定位置制备3个焊接见证件接头。见证件所用的母材及规格与主管道相同，每管段长>150mm，与现场实际产品同规格、同牌号、同一炉批号，并由曾经焊接过相应产品焊缝的焊工完成，采用与产品焊缝相同的焊接工艺参数和相同类型的焊接设备。现场焊完的3个焊接见证件，都在规定的2个月内完成对其进行的各项检验（包括无损检验和破坏性试验）和评定，结果满足设计要求，证明了该焊接工艺是合理、稳定和可靠的。

3.4主管道自动焊焊缝返修工艺[WU6]

3.4.1主管道自动焊缺陷分析及工艺选择

核电站主管道自动焊焊接的管子是大厚壁、大直径的，且采用的是窄间隙的坡口，单层单道全位置进行焊接，相比普通手工焊坡口具有无可比拟的优越性。如：明显减少焊缝填充量；提高焊缝力学性能等。然而全位置焊接对焊接的要求很高，且在很窄的坡口中实现无缺陷的焊接，难度是很大的。因此主管道自动焊也会出现一些缺陷：如夹渣、烧穿、表面成形不良、未熔合等。由于主管道自动焊工艺自身的焊接特点，对于常见的缺陷判定有一定的标准，根据缺陷的类型及大小是否超标，需要依据RCCMS7714的验收标准，判定缺陷为不可接受的，焊接接头则需要进行返修。焊缝验收标准如下：主管道壁厚e为66mm～95mm的焊缝，以下为不可接受缺陷任何裂缝、裂纹、未熔合（不完全熔合）、未焊透和咬边；所有单个气孔在壁厚e>50mm时，最大尺寸超过4mm的气孔；在12e或150mm两者中较小的长度上，任何线状（或密集性）气孔的累计直径大于e；所有单个夹渣在壁厚e>60mm时，最大尺寸超过20mm的夹渣；在12e的长度内，任何夹杂物累积长度超过e；主管道自动焊技术为国内首次应用，国内核电建设均没有主管道自动焊补焊经验。由于采用窄间隙坡口及RCC-M特殊要求，自动焊焊缝补焊与传统手工焊焊缝的补焊有较大区别。对于主管道自动焊而言，国际和我国现行核电建设标准均不明确，对于主管道焊缝的返修要求，仍执行RCCM规定。RCCM-S7600中要求：焊缝返修次数不能超过两次，焊缝返修长度不能超过焊缝全长的1/5，返修厚度不超过焊缝厚度的一半。由于主管道本身的特殊性，单纯采用自动焊返修方案可能不能满足现场施工需求，因此返修工艺研究中采取自动焊及手工焊两种方案。

3.4.2自动焊返修方案

（1）自动焊工艺返修：采用自动焊工艺对主管道自动焊焊缝进行补焊，挖除缺陷后加工出特定的坡口形式，再选择原自动焊焊接工艺中焊接参数进行补焊即可。

（2）自动焊补焊实施时机是：在自动焊焊接过程中当在根部焊道以上发现缺陷时的修补和几率很低的在最终焊接结束后根部焊道以上的外部补焊，但实施条件是：补焊长度不超过焊缝长度的1/5和补焊厚度不超过焊缝厚度的一半。

（3）自动焊补焊研究是通过自动焊工艺验证试验来说明自动焊返修的可行性的。

①我们采用自动焊焊接工艺的参数焊接一个工艺评定件，过程中加强控制；在焊缝表面标出缺陷位置。

②在已焊接完成的主管道工艺评定件上采用坡口机进行开槽缺陷位置，要求必须准确找到缺陷区域，架设返修坡口机。开槽形状尺寸需要根据管壁厚度及外径大小进行选择，这也跟主管道各个焊口的坡口相匹配，所以针对现场各个主管道焊口厚度及外径的不同，其开槽的尺寸也不同，具体如图3.5所示，其中g、h在不同厚度的管的不同深度处均不同。

图3.4开槽尺寸示意图图3.5自动焊补焊型式

③为了能够加工出上述比较精密的数据，我们采用美国进口的返修坡口机设备进行开槽工作，采用其坡口机挖槽；优点是操作简单，精确度高，速度快；能够降低劳动力；缺点是需要精确找到缺陷位置，才能进行开槽，除此之外一旦返修，需要进行整圈的焊缝开槽，不能进行局部焊缝的返修。鉴于坡口机自身的特性，需要根据缺陷大小进行选择此种返修方法。

③进行PT、RT等无损检测确定缺陷已去除。

④采用自动焊焊接工艺根据不同厚度采取不同焊接参数进行补焊已经开槽区域，如图3.5。

⑤再次通过无损检验（RT、UT）检测补焊焊缝全部合格。然后通过机加取样，进行理化试验，其各个检验项目也全部合格，说明自动焊焊接的可行性。通过自动焊的补焊工艺验证，说明主管道自动焊焊缝，采用自动焊焊接工艺返修是可行的。

3.4.3手工焊返修方案

（1）手工焊返修自动焊焊缝：当采用手工焊工艺对主管道自动焊焊缝进行补焊时，在挖除缺陷后选择手工补焊工艺评定中的焊接参数进行补焊。主管道焊缝手工焊返修工艺主要转移岭澳核电二期（LAII）手工焊返修工艺评定。

（2）手工返修的实施时机是：在根部焊道内存在超标缺陷，在焊缝最终焊接结束后在管道内部进行手工补焊和当选用自动焊工艺补焊将使该焊缝重新进行焊接并重新检验时的补焊。由于此工艺较为成熟，便于局部返修，因此自动焊焊缝如果是局部出现缺陷，采用手工焊返修是一种比较简单易行的方法。

3.4.5焊缝返修的工程应用

在已成功实施自动焊的工艺试验中，检验出的缺陷或显示通过自动焊或手工焊返修工艺返修后，返修焊缝检验结果满足标准要求合格，如：工艺试验的焊口在进行15mm探伤底片评定时发现一处长度6mm未熔合显示，判定不合格，缺陷见图3.6。根据缺陷位置，决定采用手工焊进行返修，从内部进行挖槽去除缺陷。返修完成进行相关的无损检验，全部合格。

图3.6缺陷分部图

第四章：核电站管道窄间隙自动焊机效益性研究

4.1施工质量评估

4.1.1施工概况[WU7]

2011年1月20日，国家核安全局发函批准中广核在建宁德核电站主管道焊接，采用中广核工程有限公司开发的窄间隙自动焊工艺，目前宁德核电站1、2机组主管道焊接、红沿河1、2机组主管道焊接以及阳江1机组主管道自动焊接已经顺利完成，这也标志着我国后续在建核电机组已经全面进入主管道自动焊工艺时代。主管道窄间隙自动焊工艺的开发，及以此为基础进行的岛安装关键路径和施工逻辑研究，适用于我国的核电站建造及维修各个阶段，其主要应用领域包括：在建CPR1000核电厂主回路管道焊接；在役核电技术蒸汽发生器更换过程中主管道焊接；三代AP1000及EPR堆型核电站主管道焊接。中国改进型百万千瓦级核电站主管道自动焊工艺的成功开发，及在宁德核电站、阳江核电站等项目建设中的应用，填补了我国核电建设领域的一项空白，标志着占我国通过自主创新，掌握了主管道窄间隙自动焊工艺。主管道窄间隙自动焊工艺的开发，及以此为基础进行的核岛安装关键路径和施工逻辑研究，将为我国在建改进型百万千瓦级核电站主管道焊接质量的进一步提高，焊接工期的进一步优化，以及核电建造成本的进一步降低起到积极贡献。同时，也将为我国自主开展三代AP1000及EPR堆型核电站主管道焊接提供强力技术基础。

4.1.2施工质量分析

该工艺通过采用窄间隙坡口型式，减少了焊接填充量；通过采用多层单道焊接，实现焊接过程的精密控制；针对焊缝根部、填充和盖面等区域制订了详细的、对应明确的和有合理调整范围的工艺参数；通过采用氩氦混合气体保护方式，提高电弧稳定性和穿透性，降低了未熔合缺陷产生的概率。通过示范工程和推广应用证明：该工艺满足主管道焊缝的焊接，焊接一次合格率高、质量稳定。首次将超声检测技术（UT）应用于核电站厚壁不锈钢管道焊缝检测。采用多种角度双晶聚焦探头、多通道超声检测分析系统、与主管道同材质的试块及分层扫查方法以适用厚壁铸造不锈钢焊缝的超声检测技术。该技术提高了对未熔合缺陷的检出率和定位精度，与射线检测（RT）形成良好互补，确保了焊接质量。由于自动焊坡口尺寸较小，焊接填充量将大幅减少，自动焊焊焊接工期相对传统手工焊将有效缩短。根据实践经验，采用自动焊工艺，单焊缝焊接工期将相对手工焊缩短15～20d，核岛安装关键路径工期缩短30～45d，由于核电工程建设工期优化，提前发电将会带来巨大的经济效益，以单台100万kW机组为例，每提前一天发电可创产值1000万元人民币，则自动焊实施带来商运提前直接经济效益近2亿元（考虑自动焊实施导致商运提前权重为60%。

4.1.3质量特性技术评估

（1）工艺特性

窄间隙焊接与传统的焊条电弧焊、TIG焊、埋弧焊、药芯焊丝电弧焊相比，其主要特征是应用近似I形坡口，采用多层多道或单道熔敷方式，直流反接和自由成形。

（2）焊接接头的力学性能

窄间隙焊具有的坡口面积小、填充量小，从而带来的更优良诸如塑性和韧性等综合力学性能。特别是对低合金高强钢，窄间隙焊工艺的窄的热影响区使接头具有优良的塑性和韧性。窄间隙焊接头的各种力学与母材相比较，接头的力学性能还要好于母材。主要原因：

①采用窄间隙焊的热输入小，板越厚，冷却速度越快，且热影响区的宽度窄，接头塑韧性损伤较小；

②多层多道较薄的焊接工艺，焊道正火热处理的作用使焊缝熔敷金属的晶粒更小，致使窄间隙焊接头力学性能更好。

（3）窄间隙焊接头的残余变形和残余应力

窄间隙焊接具有较小的残余变形与应力的技术优势。窄间隙焊的残余变形对平板对接焊缝收缩量的大小主要取决于板材的尺寸、形状和质量，然而对圆筒形纵缝对接焊，保持一定的坡口角度（一般为2°～3°），并在焊接过程中坡口间隙保持在允许的范围内，对接接头的角变形量β计算公式：

式4.1

式中：p为焊缝深度；b为焊缝宽度；α为线膨胀系数；tm为材料熔点；I为截面惯性矩；y为截面形心与板厚中心线的距离。

在焊缝深度p保持不变时，大的坡口角度会致使焊缝宽度和角变形变大；截面形心与板厚中心线的距离y和角变形成正比。通过焊接板厚为80mm时横向收缩和角变形在采用窄间隙CO2焊与普通CO2焊的情况对比。结果显示，与采用传统焊接方法的接头相比，窄间隙焊接头角变形和横向收缩值分别小23％和45％。

4.2经济性特征评估

4.2.1焊接材料的消耗量

窄间隙焊由于坡口小，填充体积小，焊材填充量相比传统的手工大坡口焊会有大幅度的减少。填充量的减少带动了焊材填充量和工人工时的减少，使生产成本更低和生产效率有了较大幅度的提高。窄间隙钨极氩弧自动焊和大坡口埋弧焊方法采用的坡口尺寸如图1所示，与坡口形式相对应的焊缝横截面积以及准830mm×65mm核电站主回路管道对接环缝的焊缝金属量、焊接材料消耗量（均为计算值）列于表4。表4给出了直径为830mm，壁厚65mm的反应堆主回路管道环缝接头采用焊条电弧焊、窄间隙焊时焊接材料使用量的比较。数据表明，窄I形坡口的自动TIG焊消耗的焊接材料比普通焊条电弧焊减少40％以上。

4.2.2焊接生产率

图4.1中横轴代表焊接板材的厚度，纵轴代表熔敷速度，曲线上的点表示一定厚度的板材单位时间内焊材填充量的数值。在板厚低于35mm时，由于窄间焊熔敷速度小，与传统的大电流埋弧焊相比，焊接生产率不具优势；在板厚区间为35～80mm时，埋弧焊随着板厚的增加，坡口面积增加较大，焊接填充量大，熔敷效率相应地显著降低，但窄间隙焊坡口大小基本不变，熔敷效率具备一定程度上的优势；在板厚为80～150mm时，窄间隙焊的生产效率优势逐渐显现；在板厚大于150mm时，窄间隙焊具有更为显著的优势，可以充分替代传统的埋弧焊。

图4.1：各种焊接方法生成效率的比较

4.2.3焊接生产成本

焊接生产成本主要有设备的维修和折旧费、耗电费、焊材费、工时费等。窄间隙焊坡口简单，机加工成本低；同时，窄坡口的焊材填充量少，节约焊材费用；焊材填充量减少，节约了焊接时间，因此节约了耗电费和工人工时。从图4.2可以看出，在焊接板厚达30mm时，生产成本可降低42％左右。通常焊接的厚度越厚，降低的生产成本越显著。

图4.2窄间隙焊比埋弧焊接节约成本百分比

第五章：核电站焊接质量管理标准化控制

5.1工程介绍

5.1.1工程简介

浙江三门核电是全球首座AP1000核电站，一期工程正在建设两台容量125万千瓦机组，是我国第三代核电引进消化吸收再创新的依托项目。三门现场管理机构（SPMO）始终坚持制度创新、管理创新的理念，着力打造我国未来核电建设的样板工程。2012年，工程建设于进入核岛安装高峰期，大量的核级设备、重要结构需要安装焊接，现有焊接质量管理模式已无法满足现场要求，SPMO焊接专业质量管理小组决定成立专项小组，对焊接质量管理模式进行探索和创新。

5.1.2工程质量管理要求

1、工程建设需要

随着三门核电一期工程建设进入安装工程的高峰期，大量的核级设备、重要结构和大宗材料需要安装焊接，现有的焊接质量管理模式无法满足现场要求。

2、公司发展目标

三门核电是全球首座三代核电技术AP1000堆型电站，肩负着我国引进消化吸收第三代核电技术的历史使命。三门项目始终坚持制度创新、科技创新、管理创新，力求成为我国未来核电发展的样板工程。

3、新技术现状

AP1000核电站的设计采用美国标准体系，其中规范和标准种类众多，数量巨大。而焊接作为电厂建造过程中最重要的施工方法之一，涵盖土建、结构、模块、管道、设备等各个专业，涉及的美标规范和标准较多。同时，美标规范与国标之间存在明显差异，无论是管理人员，还是具体施工人员都需要重新了解和熟悉。

4、管理模式优化和创新

焊接质量管理是AP1000核电技术实践过程中重要的管理板块，需要探索符合规范化、标准化、程序化、专业化要求的管理方法和模式。对焊接技术而言，虽然规范和设计要求，依据专业和物项质量等级，内容广，差异大，但从焊接相关的工序和控制要素的分类来看，基本一致，能够开展标准化管理工作，提高管理质量与效率。

5.2焊接质量管理存在的不足

5.2.1物项开工前的技术准备阶段存在不足

在 AP1000 设计文件中，对焊接技术要求，没有统一和独立的技术规格书；所有焊接和无损检测要求分布在设备、管道、钢结构、模块、通风等专业的规格书和图纸中，有的规格书或图纸间接引用到美标规范条款；因此 AP1000 设计文件焊接技术要求具有分散性以及频繁间接引用美标规范的特点。在施工物项开工前的技术准备阶段，由于设计文件的焊接技术要求零散，各单位焊接工程师对美标规范的熟悉程度有限，以及可能对规范条款的理解存在偏差，在编制专项施工方案、特措或工作程序时，出现施工技术文件不满足设计文件或规范要求的情况，导致后续现场物项安装焊接施工完成后，焊接或 NDE 质量不满足设计或规范要求，产生不符合项，并且返工或返修的难度十分大，可能对工程进度或成本造成巨大影响。

5.2.2设计变更易引起物项安装焊接技术要求遗漏或误用

由于 AP1000 三代核电技术是从美国西屋公司引进，首堆工程施工建设中不断的消化、吸收过程中，设计没有固化，设计变更频繁，造成焊接技术质量管理工作量大、难度大，易发生设计要求遗漏或误解。

5.2.3人力资源配置对焊接质量管理的影响

AP1000 现 场项目管理机构 （SPMO）及承包商焊接专业共配置了20~30 名 工程师 ，SPMO QC 部 配置了 7~9 名 专业工程师 ，以初次参加工作的应届毕业生为主，部分有工作经验的工程师也是接触美标规范较少，应届毕业生缺乏工作经验，有经验的工程师需要在实践中加深对美标的理解。 如果没有标准化的焊接质量管理模式，仅依靠工程师个人能力和经验工作，会直接影响工程焊接管理质量。

5.2.4工作效率不高

处理技术问题时，对于同一专业或部件的焊接要求，不同工程师往往需要各自搜索一遍，浪费大量时间和精力，工作效率不高。

5.2.5 现有的焊接质量管理缺乏科学性和系统性

现有焊接质量管理方法属于 分散式管理， 缺乏科学性和系统性，往往出现问题后才反过来研究焊接技术要求的细节，导致日常工作常常处于被动状态，不利于及时发现设计信息缺失或错误，在焊接技术质量管理和现场技术支持过程中，存在质量风险和隐患。

5.3依托项目焊接质量管理标准化研究

5.3.1标准化管理目标

探索系统化、标准化的焊接技术质量管理方法，解决现有焊接质量管理存在的不足，提高工程公司现场项目管理机构的焊接质量管理水平，增强专业工程师管理能力，从源头上消除质量风险和隐患。

5.3.2标准化管理研究

1、工作思路及方法的改进

（1）主动解决问题

为使三门 AP1000 依托项目核电工程焊接质量管理具有科学性和系统性，应摈弃前期走一步看一步的工作方法，特别应重视物项开工前的技术准备，编制或审核专项施工方案、特措或工作程序时，应具有前瞻性，充分考虑现场应如何满足设计规格书、图纸及规范的要求的同时，主动分析可能出现的质量风险，并在技术准备文件中考虑相应的预防及控制措施， 避免出现由于设计原因或现场空间结构受限，而导致施工完成后产品质量无法满足设计要求的情况。

（2）建立技术要求网络

针对不同专业、不同物项，分类整理焊接技术要求，形成通用和专用相结合的技术要求网络，同时有预见性地在技术要求网络中发现设计不当、设计错误或信息不明确之处，提前发出技术澄清单或现场沟通解决。 建立技术要求网络需要以下步骤：

①明确焊接技术管理范围 ；

②建立标准化的技术管理步骤 ；

③建立标准化的文件处理和记录制度 ；

④建立标准化的技术准备制度 。

（3）系统化整理和跟踪设计信息

在技术准备的基础上，与其他专业工程师密切合作，全面跟踪设计信息；在文件处理方面，小组成员在执行部门相关程序的基础上，制定了跟踪和记录制度，方便每个组员进行实时更新。

2、梳理设计文件，形成标准化管理手册

在前述工作的基础上，三门项目现场管理机构（SPMO）焊接专业质量管理标准化研究专项小组向公司申请科研项目 《AP1000 核岛焊接质量管理手册》立项，编制了《科研项目申请书》《科研项目任务书》及《编制大纲》，按照任务书和编制大纲的要求开展设计文件梳理并逐步形成技术成果。

3、通过标准化管理保障专业工程师的能力 ，杜绝焊接技术要求遗漏或误解的质量事件。

5.3.3质量管理标准化管理

核电焊接工程焊接质量管理要素标准化管理分析核电焊接工程建设中必须遵循的基本管理性要求，以管理要素为重点，以各管理要素的流程为导向，编制标准化管理手册，实现焊接质量管理要素标准化管理。 管理要素共分八要素，内容包括：焊接材料、设备和器具、持证焊工、焊接工艺评定、焊接过程、焊后热处理、焊接返修焊接数据库的标准化管理。4.2 技术要求梳理和技术准备标准化管理在技术要求的梳理和技术准备方面，以标准化为目的，小组成员依次完成了以下工作：1）焊 接通用关键施工步骤的确定 ，明确了施工过程中 ，哪些是步骤会影响最终焊接质量，需要明确设计要求，并进行重点跟踪；2）研 究多个常用的美标规范 ，对每一个关键施工步骤 ，将不同规范中的具体要求，按统一格式进行汇总和整理，形成了标准化的规范技术要求成果。3）查阅了各个专业通用技术规格书 ，对焊接及检验相关的每一个关键施工步骤，将其中的设计技术要求，特别是除了规范要求之外的特殊要求，也按统一格式进行汇总和整理，形成了标准化的设计技术要求成果；4）对 于重要的物项 ，如主设备支撑 、主管道 、重要核级管线等 ，技术准备有必要详细到具体的焊缝，力求精确。4.3 核岛安装物项的焊接质量管理要点总结和经验反馈 ， 为后续项目标准化管理提供实践范例：涉及焊接质量管理的核岛安装物项大致包括 16 类： 主管道及波动管安装焊接、管道预制安装焊接、主设备及支撑安装焊接、钢制安全壳拼装焊接、钢穹顶拼装焊接、结构模块拼装焊接、机械模块安装焊接、箱罐拼装焊接、钢结构预制安装焊接、风管预制安装焊接、乏燃料池系统闸门 MY06 安装焊接、燃料运输通道安装焊接、鼓泡器安装焊接、MY30 反应堆永久腔室密封环安装焊接、 电气导管及支架预制安装焊接、仪表管安装焊接。标准化研究小组针对具体的核岛安装物项， 专题介绍了大量新的焊接技术的应用及其质量管控，对其逐一进行了技术质量管理总结和经验反馈。

5.4项目焊接质量管理标准化研究成果

AP1000 核电站的施工特点是 模 块化建造 。 模块 是指由若干型材和/或机械部件组合制造而成的整体单元，。 采用了模块化建造技术，其主要过程是将便于运输的子组件在预制厂加工制造，然后运输到施工现场，进行整体组装，最后吊装就位。 由于整个模块的预制、拼装以及就位，与核岛其他施工平行开展，优化了施工逻辑，实行土建和安装并行施工大大缩短了工期；同时，大量复杂结构件和物项，如内部设备、管道、风管等，在制造过程中已同步安装，吊装就位时以整体形式一次完成，大大减少了核岛内部，特别是受限空间的施工量，降低了施工难度，进一步缩短了工期和整体成本，同时，在预制厂的工作，改善了施工环境，提高了工程质量。三代核电自主化依托项目 AP1000 示范工程中大型的结构模块主要有 CA01、CA02、CA03、CA04、CA20、CB20 等。 本指南主要对三代核电的三门 AP1000 核电建设现场大型结构模块的整个焊接过程进行总结，为后续 AP1000 核电堆型的标准化焊接管理提供参考和借鉴。

第六章：结论

1、窄间隙焊接金属晶粒小,接头的力学性能,尤其是抗裂韧性和抗疲劳强度的性能都有所提高。由于窄间隙焊接具有较低的残余应力,较小的熔池体积,使得残余应力区减小。

2、对焊接机头改造，使焊接质量及其稳定性有了大幅提高。将 TIG－激光电弧复合焊工艺应用于核电站主管道的焊接，激光与焊接电弧的作用体系中，双热源的空间配置和焊接工艺规范参数的良好匹配、优化使得复合热源焊缝成形和接头质量很高，从而大幅度提高焊接质量；大幅度提高焊接生产效率，主要体现为对缺陷的有效预测、控制及消除，以及焊接层数的减少。为施工周期压缩所带来的间接收益。在主管道焊缝检测中增加超声检测，不但提高了对未熔合缺陷的检出率和定位精度，而且可与射线检测方法形成良好互补，确保了核电站主管道焊接质量。

3、通过焊接工艺的产品质量检验表明主管道采用窄间隙自动焊接技术是可行的，内在的质量以及所生产的产品外观也都是满足相应的设计要求。

4、窄间隙自动焊的焊接生产成本比传统焊接工艺的降低 40％左右， 并且随着板材厚度的增大，成本降低越显著。对核电站主管道 、 压力容器等厚壁结构采用高效率、 先进的窄间隙自动焊进行对接， 能加快工程进度， 提高焊接质量。

5、从焊接质量管理要素标准化管理、焊接技术准备标准化管理、核岛安装物项焊接质量管理等形成了焊接质量管理标准化技术成果，标准化施工为核电站的建设质量提供了支撑。

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致谢

本论文是在XX教授的精心指导下完成的。

X老师以其渊博的知识,严谨的治学态度,和蔼、谦逊、平易近人的性格使我深受感动。在此,谨向朱老师致以最诚挚的谢意和敬意祝他们全家合家欢乐、身体健康、万事如意XX教授不仅在工作与实验中对我严格要求、悉心指导,而且还在生活中给我以关心与支持。X老师学识渊博,视野雄阔,治学严谨,思想深邃,为我营造了一种良好的精神氛围。

在这短短的三年里,我不仅接受了全新的思想观念,领会了全新的思考方式,掌握了创新的研究方法,而且还明白了许多为人处世的道理。朱老师认真踏实的工作作风,宽厚待人,严谨治学,独树一帜的育人风格都给我留下深刻的印象,让我受益匪浅。

衷心感谢在百忙之中抽出时间来审阅本论文的各位专家,感谢答辩委员会的各位老师和专家们对我的论文提出的宝贵建议,这些宝贵意见为我今后的学习和研究开拓了新的思路。同时也感谢我的亲人,他们永远快乐是我最大的心愿。近三年的研究生生活接近尾声,我的学生时代也将告一段落。一路走来,在我的学习、生活中,出于有心或无意而给予我帮助的人很多。有认识的,也有不识的。有些我已淡忘,有些我铭记心中,但这些都是我人生历程中的宝贵财富。同时我也要感谢我们学院里面的所有人员,在学习、实验及生活中,他们或多或少都给予我一定的帮助。

感谢所有参加论文答辩的各位老师和同学对本人工作提出的宝贵建议和意见。

[WU1]本章节全文抄自

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