核电站主管道焊接工艺研究

焊接工程公司2007年11月一、概述我公司民用核承压设备安装资质于2007年8月到期，根据国家核安全局文件（国核安发[2005]41号）等有关文件的规定，申请核承压设备安装资质认证及换证的单位必须进行主管道的模拟活动，而模拟活动前必须完成相应的焊接工艺评定。由于技术要求高，实施难度大，投入成本高，我公司于2006年7月份即正式启动了主管道焊接工艺评定及模拟活动攻关的各项准备工作，收集、分析了各类相关的技术资料，制定了详细的、可操作的实施方案，经公司领导批准后开始实施。二、方案1，材料为完成焊接工艺评定及模拟件焊接工作，我公司计划按1：1的比例采购了材质为Z3CN20－09M、规格为φ685×70mm的核岛主管道不锈钢管材来开展相应的焊接工艺评定及模拟活动。Z3CN20-09M钢属奥氏体不锈钢，通过离心浇铸制作而成，其化学成分如表1所示。元素CMnSiSPWt%≤0.038≤1.50≤1.50≤0.015≤0.035元素CrNiCo其它Wt%19.00~21.008.00~11.00≤0.20，力求≤0.10氮、钼残留含量作为资料而测定二、方案2，技术采用标准：焊接工艺评定执行的标准为《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》（RCC-MS3000）。焊接方法：拟采用的焊接方法为GTAW+SMAW。焊接材料：拟采用的焊接材料为德国伯乐蒂森生产的焊接材料，焊丝牌号为ER308L，焊条为E308L-15。焊接位置：由于模拟活动拟采用的焊接位置为5G，因此拟完成焊接工艺评定的焊接位置也为5G，即吊焊位置。二、方案3，难点分析：主管道焊接工艺评定的主要技术难点有：焊接工艺参数的控制要求严格；焊接变形的监测和控制要求高；焊接的质量要求高；环境的清洁度要求高；过程的质量检验要求严格；破坏性试验难度大。三、准备工作组织机构在主管道焊接工艺评定中，我公司组建了焊接工艺评定工作小组。工作小组将由公司有核电施工经验的焊接工程师、管道工程师、QA工程师、QC工程师、焊工、管道工、检验人员以及辅助人员等组成。焊工培训准备参与主管道焊接工艺评定焊接的焊工必须具有良好的身心素质，具有丰富的焊接实际工作经验和过硬的技能操作水平，经过严格的核电知识培训以及专业理论知识培训，并对核电站主管道的焊接特点进行严格的技能强化培训。在正式焊接之前安排进行必要的适应性练习。三、准备工作主管道工艺评定试件母材的采购和验收对于主管道母材，我公司严格按照质量保证大纲及物项和服务的采购控制程序进行采购和验收，经过合格分供方调查和评审，选择具有主管道生产资质及供货业绩的“江苏标新久保田工业有限公司”作为主管道管材的生产供货厂家。我公司选用了材质为Z3CN20－09M、规格为φ685×70（mm）、长度为200+200（mm）的管件来进行焊接工艺评定。母材的验收采用生产厂家原地验收为主、到货后质量验收为辅的方式。具体实施时，我们派出了工程师到生产厂家完成了拟购管材检验及试验全过程的见证，并在生产厂家的主管道生产质量计划内设置的W、H、R点的相应位置进行签字确认。三、准备工作气体保护装置在进行根部焊层及最先两道填充层焊接时，焊口背面必须用氩气进行保护。充气的方式采用背面制作密闭气室，用氩气管充填的方式。在制作密闭气室时，充气两端的堵板及支撑不得采用普通钢材；充气的同时应预留出气孔，且流量与进气相同，避免产生气压影响焊接质量。管件的对口装配及充气保护装置如图1所示。硬纸板密封胶布密封胶布氩气皮管三、准备工作施焊环境准备为了保证主管道安装达到Ⅱ级工作区的要求，应模拟现场条件，采用三合板和彩条布加以围拦，形成一个相对独立的施工空间，以满足清洁度要求。此外，在主管道外表面，将采用耐温石棉布进行包裹，防止飞溅等对母材表面的污染。焊工进入安装工作地带应穿无纽扣连衣工作服，并穿戴专用白色鞋套，操作时用的手套必须是不起毛的皮制手套。此外，在焊接的现场将设有良好的通风、照明、防火及保持主管道清洁的措施。三、准备工作焊接与检验等工机具的准备主管道工艺评定试件焊接所用的焊机标定将进行认真检查，并在质量计划相应位置进行签证。焊机表计的两次标定间隔不得大于三个月，确保焊接工艺参数的正确性，保证焊接质量。工艺评定试件焊接时，只允许焊工携带必备的工具进入工作地带，并严禁普通钢材制造的工具裸露在外与设备或管道接触。砂轮片必须使用不含铁素体成分的全新砂轮片，刷子必须使用不锈钢丝刷。温度测量仪校验合格，并标定清晰，在有效期内。无损检验用的物品和机具准备齐全，机具在检定合格期内。电焊机二次回路的设置在活动过程中，工艺评定试件表面不得有任何损伤，特别不允许有电弧损伤，如果发现有该种缺陷则应将其清除，并要在该部位用渗透法进行仔细检验，以确保没有裂纹。在本次活动中，我们对电焊机的地线设置规定如下：首先不能将二次回路直接搭设在设备或管道上；其次应设计一个通电状态良好的装置，以确保连接部位无电弧现象发生。三、准备工作焊接材料准备我公司选用了德国伯乐蒂森生产的焊接材料：焊丝牌号为ER308L，焊条为E308L-15来进行焊接工艺评定及模拟活动。焊接材料应按照RCCMS2000的要求进行验收，包括：外观和尺寸检验；试件制备、取样；性能检验（化学成分、力学性能等）。焊接材料的入库、存放和使用应符合RCCMS7200的要求。所有焊条在焊接前需经350℃高温烘干并恒温1小时，重复烘焙不得超过两次。焊丝使用前应清除锈垢和油污，至露出金属光泽。焊条使用时将装入专用保温筒内，并通电保温在80～120℃，随用随取。三、准备工作工艺评定安全技术交底在正式开展工艺评定之前，工作小组将对参与活动的各成员进行相应的安全技术及注意事项交底，并完成相应的签证。四、工艺实施1）焊接方法、焊接材料及坡口型式主管道工艺评定试件焊接采用传统的手工焊接方法，即氩弧焊打底+手工电弧焊填充盖面。根部焊接时，至少应充氩气10~15分钟，并确认背面已充氩气达到保护要求后方可施焊。打底层焊丝牌号为ER308L、直径为2.4mm的焊丝；填充及盖面选用牌号为E308L-15、直径为2.5、3.2mm的焊条。主管道工艺评定试件焊缝的坡口型式及尺寸如图2所示：1.5±0.135±3mm10°+2°30'20°+2°30'1~4mm内径D四、工艺实施2）对口尺寸要求主管道工艺评定试件对口组装时，内径错边量不得大于0.5mm，尽量做到内壁齐平。四、工艺实施3）定位焊定位焊采用外加不锈钢锲形块焊接的定位焊方式，分0°、60°、120°、180°、240°、300°共6个位置进行定位焊，定位焊锲形块两边与母材连接的焊缝长度应达到30mm以上。定位焊的设置详见图3。60°定位焊时应注意：进行定位焊时，质检员（QC）人员应进行对口质量检查；确认坡口的清洁度达到质量要求，待焊表面检查已合格；焊接设备已全部就绪，处于正常状态。此外，定位焊由担任该焊口焊接的焊工完成。四、工艺实施4）焊接工艺参数焊接工艺参数如下表所示：焊层道号焊接方法焊条（丝）电流范围电压范围(V)焊接速度范围(mm/min)牌号规格(mm)极性电流(A)1/1GTAWERφ2.4正接60~9011~1350—702/2-3，3/4-5，4/6-8GTAWERφ2.4正接90~11011~1350—705/9-11，6/12-14，7/15-18，8/19-22SMAWEφ2.5反接60~9018~2070—1009/23-26，10/27-31，11/32-36，12~20/37-84SMAWEφ3.2反接90~12018~2070—10021/85-91，22/92-98，23/99-105，24/106-114SMAWEφ3.2反接90~12018~2070—100四、工艺实施5）变形控制措施采取双人对称焊接，使焊缝收缩变形保持一致；控制焊层（道）的厚度、焊道长度和焊接层间温度；采用多层多道焊接和小的焊接线能量，短弧操作，按照主管道焊接工艺方案拟定的焊接工艺参数进行焊接，以减少焊接变形、控制铁素体含量、提高焊缝抗热裂纹能力。施焊时，焊接接头应相互错开，注意接头和收弧的质量，收弧时应将弧坑填满。在每层焊道焊接完毕后，应将焊缝表面清理干净并打磨平整，符合规定要求后方可继续施焊。四、工艺实施6）焊接操作顺序A、打底焊至第4层氩弧焊，注意左右交替变换焊接顺序：打底~4层氩弧焊焊接顺序示意图④④③②①③②①四、工艺实施6）焊接操作顺序B、第5~8层焊接顺序：①④②③①③④②5~8层电焊焊接顺序示意图①②③①②③④④四、工艺实施6）焊接操作顺序C、9层及以上填充盖面层焊接顺序：②①④④②①③③④④③②①③②①9层及以上焊接顺序示意图四、工艺实施7）焊接变形的监测在对口点焊前，在两侧坡口外表面距坡口端面100mm处的0°、90°、180°、270°的位置，各做a、b两点永久标记，作为测量基准点，a、b间距即为测量长度；工艺评定试样焊接过程中，共分七个阶段对焊接变形进行监测，即：焊口对口定位焊后；根部打底完成后；第一层填充层焊接完成后；焊层厚度达到20mm后；焊层厚度达到35mm后；焊层厚度达到50mm后；焊接全部完成后。监测点设置如图4所示：a4、b4a2、b2a1、b1a3、b3b3b1a3a2b2a1L1100mm四、工艺实施8）焊接过程的质量控制坡口表面应清洗干净，无水、油脂、氧化物和其他可能影响焊接质量的杂质；环境相对湿度应少于90%、打底焊时风速少于2m/s、手弧焊时风速少于10m/s；焊接过程控制层间温度＜173℃；采用窄焊道焊接方法，并注意及时调整施焊顺序以控制焊接变形；禁止在管子表面起弧，TIG焊焊机应带高频引弧装置；严禁主管道工艺评定试件表面与铁素体材料等接触。四、工艺实施9）焊接过程检查焊接区域湿度检查：湿度≤90%；焊接参数检查：控制在焊接工艺卡规定的范围内；焊层（道）间温度检查：应在173℃以下；在焊接过程中应对根部和填充层中的每一条焊道进行检查，焊道表面必须是连续的，厚度要均匀，填充层的每条焊道与临近焊道表面应均匀过渡；对每一条焊道应认真进行打磨，并避免在打磨中出现过热区；必须去除可能影响下一焊道施焊质量的任何缺陷；焊完每一层焊道应将焊道表面打磨直到全部表面露出光泽；清渣和打磨工具必须符合程序规定，工具端头不得附有铁素体含量的钢材；填充层焊条摆动范围应小于焊芯直径的三倍。四、工艺实施10）焊接参数的验证及记录焊接参数：焊接电源极性、电流大小、电弧电压、焊接速度等必须与焊接工艺卡相一致；温度：层间温度等必须与焊接工艺卡相一致；温度测量采用热电偶接触式测量表或红外线测温仪；工艺评定过程应作好工艺参数记录。四、工艺实施11）焊缝最终表面加工焊接完成以后，对焊缝表面进行最终加工，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，表面必须符合设备技术规范规定的无损检验要求。最终焊缝表面应磨平，背面焊缝余高≤3mm；凹坑：仰焊位置应≤0.5mm，其余位置不允许；不允许有焊瘤、未焊透、咬边、焊缝塌陷、缩孔、蜂窝状缺陷、局部隆起、夹杂物等缺陷。加工时所用的砂轮、刀具和其他工具等必须满足规定要求。五、焊缝检验1）外观检查焊缝目视检查：焊缝表面目视检查（VT）应符合技术要求：尺寸检查：焊缝内表面粗糙度Ra≤6.3μm，外表面粗糙度Ra≤12.5μm，壁厚减薄量应满足公差要求。五、焊缝检验2）无损检验表面液体渗透（PT）检查：主管道工艺评定试件焊缝在焊接过程中应经六次着色探伤检查（PT），并应符合技术要求；射线探伤（RT）检查：主管道工艺评定试件焊缝在焊接过程中需进行四次100%射线探伤检查（RT）；主管道工艺评定试件焊接过程中进行的无损检验如下表所示：焊接状态坡口打底完焊厚至20%焊厚至50%焊厚至75%焊厚至100%目视检查（VT）在整个焊接过程中，对每层、每道焊缝都应进行仔细的检查渗透检查（PT）(比例)100%100%100%100%100%100%射线检查（RT）(比例)100%100%100%100%五、焊缝检验3