黄炳炎 余 平 黄宗仁
（中国核动力研究设计院，四川 成都 610213）
【摘 要】核电站主管道现场安装采用窄间隙TIG自动焊可提高主管道现场安装施工质量、缩短施工周期。介绍了福清、方家山两个核电工程自主研发的主管道窄间隙TIG自动焊工艺的焊接设备、坡口形式、焊接材料、工艺参数等，组对情况、性能试验、无损检测及焊接工期表明窄间隙TIG自动焊技术在核电站主管道现场焊接的工程应用是成功的，但由于窄间隙自动焊技术是国内核电工程首次应用，需加强反馈、积累经验。
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关键词 核电站；主管道；窄间隙；TIG自动焊；焊接未熔合
0 前言
目前国内百万千瓦级核电站采用M310型机组，每台机组反应堆冷却剂系统为三环路布置，每条环路包括反应堆压力容器、蒸汽发生器、主泵三大主设备，通过反应堆冷却剂系统管道（简称主管道）将三大主设备连接起来，构成高温（设计温度343℃）、高压（设计压力17.2MPa，abs）、带放射性的反应堆冷却剂流动的环路。主管道现场焊接是整个核电厂建造的关键环节，直接关系到核电厂建造的质量和进度，国内M310型核电机组主管道现场安装采用了自主研发的窄间隙自动钨极惰性气体保护电弧焊（TIG）技术，相比以往的手工TIG打底加手工电弧焊填充的氩电联合手工焊工艺，该技术可提高主管道现场安装施工质量、缩短施工周期。
1 主管道简介
M310型机组每条环路的主管道由热段、冷段和过渡段组成。单个环路主管道结构示意图见图1，图中C1、C4、F1、F4、U1、U2、U4、U6为需在核电站工程现场安装焊接的8道主管道焊口。8个现场焊口处外径最小Φ832.5mm、最大Φ976mm，壁厚最小67mm、最大95.7mm。
主管道为铸造奥氏体——铁素体双相不锈钢Z3CN20-09M，三大主设备接管嘴材料为锻造控氮奥氏体不锈钢Z2CND18-12N。两种材料的碳含量很低，具有良好的焊接性能。
2 窄间隙TIG自动焊工艺
窄间隙TIG自动焊工艺是一种高效、优质的先进焊接方法。研究及应用表明[1-3]：核电厂主管道现场焊接采用窄间隙TIG自动焊工艺是可行的，焊接质量是可靠的，具有以往采用的氩电联合手工焊工艺无法比拟的优势。
2.1 焊接设备
焊接设备选用加拿大利保帝（LIBUEDI）公司的全位置脉冲TIG自动焊机，该设备包括一个带有数字化控制台的焊接电源、一个管道焊接机头和轨道、一个监视系统，性能稳定、操作简单，可进行焊接过程远程视频监控和钨极位置微调。
2.2 焊接坡口形式
主管道窄间隙坡口为V型和U型组合坡口，如图2所示，坡口底部宽度约7mm左右，坡口单边宽度≤10mm，该坡口形式有利于焊接时形成好的焊缝形状。坡口钝边厚度2.5mm，组对要求为：焊缝根部间隙0mm~1mm（目标值0mm），坡口内错边量≤1.5mm。
2.3 焊接材料
根部焊道焊接材料为RCC-M规范[4]中ER316L不锈钢实心焊丝，填充及盖面焊道为ASME规范[5]中ER316LSi不锈钢实心焊丝，焊丝化学成分见表1。高Si含量的ER316LSi焊丝具有较好的熔敷金属润湿性和流动性，有利于填充焊道侧壁和层间充分熔合。
2.4 保护气体
焊缝背面和熔池的保护采用纯度不低于99.99%的氩气进行保护。相比国外采用氦气+氩气混合保护的焊接工艺，由于保护气体为氩气，适当提高了焊接电流来增加熔深，以降低层间和侧壁未熔合风险，同时通过提高焊接速度控制焊接热输入。
2.5 焊接工艺参数
焊缝焊接按图3所示分为四个工序部分：根部焊道、填充焊道、填充末期焊道、盖面焊道，每个工序采用不同的焊接规范选取方式精确控制焊接参数。各工序焊接数据单见表2。
2.6 无损检测
在焊道熔敷15mm厚度左右和50%厚度左右进行射线照相检测，焊后进行射线照相检测、超声波检测和液体渗透检测。通过射线检测和超声波检测相结合，提高焊接未熔合缺陷的检出率。
3 窄间隙自动焊工程应用
3.1 应用情况
相比氩电联合手工焊，窄间隙TIG自动焊工艺较易出现侧壁和层间未熔合缺陷，但自主研发的窄间隙TIG自动焊技术还是成功应用于福清、方家山等核电站主管道的现场焊接[3，6]。
福清、方家山5台机组共120道焊口组对间隙及内错边量均满足要求，合格率100%；工艺评定和焊接见证件性能试验自动焊接头拉伸强度与手工焊接头强度相当，而且自动焊接头熔敷金属的冲击韧性明显好于手工焊接头，特别是自动焊对热影响区韧性的降低更是远小于手工焊的影响；5台机组共120道焊口和10个焊接见证件均按要求进行了无损检测，检测结果总体良好，特别是最先施焊的2台机组焊缝无损检测合格率100%；采用窄间隙自动焊技术，单道焊口焊接时间为10~15天，相比手工焊约30天/焊口，单道焊口焊接时间缩短将近一半。
3.2 焊接缺陷
福清、方家山5台机组共120道焊口和10个焊接见证件无损检测未发现焊接导致的咬边、裂纹等缺陷，除6道焊口出现个别焊接未熔合及气孔超标，其余都满足RCC-M规范[4]一级焊缝质量要求，无损检测结果总体良好。5台机组主管道窄间隙TIG自动焊接头未熔合和超标气孔缺陷情况见表3。
2.编号1和2的机组最先焊接，编号3、4、5的机组在编号1和2的机组焊接完成后才开始进行焊接.
对表3中无损检测结果进一步分析，存在如下现象：
1）后焊机组焊接缺陷比先焊机组焊接缺陷多。根据表3最先焊接的编号1和2两台机组共48道焊口无损检测未发现不满足设计要求的焊接缺陷，焊缝质量良好；在编号1和2两台机组焊接完成后进行的其它机组主管道的焊接，都出现了不满足设计要求的焊接缺陷。
2）采用自动焊工艺返修处易出现缺陷。在编号5的机组主管道焊接过程中，1U4和1U6焊口缺陷去除后采用窄间隙自动焊返修时再次出现不满足设计要求的焊接缺陷。
4 焊接缺陷原因分析及反馈
4.1 后焊机组焊接缺陷较多
在焊接缺陷出现后，经过询问焊接操作工、调阅焊接记录及焊接视频、检查焊接设备，缺陷主要由以下原因造成：
1）焊道表面与坡口侧壁边缘熔合区存在轻微的高低不均匀现象，在进行下一道焊接时，焊接操作工未对轻微不平处修整清理，导致后续焊道焊接时该处焊缝熔合不良。
2）焊接时焊丝出现轻微抖动等异常后未及时停止焊接，导致后续焊接出现熔合不良。
3）焊机轨道接头处些微不平整、导丝嘴孔径磨损增大等设备异常导致焊缝熔合不良。
4）出现焊丝尖偏离、铁水前涌等异常时，焊接操作工视频监控时观察重点为焊缝表面成型及侧壁熔合情况，未关注焊缝中心熔合情况，没有及时进行焊接过程中的微调，导致焊缝中心未熔合。
由于主管道窄间隙TIG自动焊技术是国内核电工程首次应用，结合上述缺陷原因分析，出现后焊机组焊缝缺陷比先焊机组缺陷多的现象：一是先焊接的机组因为是窄间隙TIG自动焊的首次应用，技术人员及焊接操作工等各方人员高度重视，严格按相关操作规程执行，在前两台机组焊接零缺陷后，其它机组焊接时人员思想上出现松懈，焊接参数及钨极位置微调不及时，道间焊缝成形观察、修整不到位，都易导致出现焊缝缺陷；二是首次应用，自动焊工程经验不足，对自动焊机保养、易损件磨损情况及其对焊接操作的影响把握不到位，导致出现焊缝缺陷。
4.2 采用自动焊工艺返修处易出现缺陷
查阅焊接记录，自动焊返修处焊道宽度基本靠近工艺覆盖下限，且焊接缺陷人工打磨去除，打磨后坡口面不如机加平整，再根据焊接视频中熔池流动情况，分析认为自动焊工艺返修处易出现缺陷主要是打磨去除缺陷过程中因顾忌伤及母材，影响窄间隙焊道坡口状况，缺陷打磨后的焊道很窄，且打磨坡口面的修整不够，导致返修过程中出现气孔、侧壁未熔合等新缺陷。
4.3 反馈
无损检测结果表明，主管道窄间隙TIG自动焊技术能有效降低焊接未熔合风险，所进行的无损检测也能有效发现焊接未熔合缺陷，确保主管道焊接质量。但后焊的几台机组出现的缺陷处理情况表明：
1）窄间隙TIG自动焊对坡口状况要求极高，焊道间目视检查应观察到位，对成形不好的焊道应及时修整；
2）窄间隙TIG自动焊对焊接操作工要求极高，焊接过程中要观察到位，应能根据异常情况及时对钨极位置和送丝进行微调；
3）进一步把握自动焊接设备保养要点，对焊机易磨损也应加强监控，及时更换。
5 结论
1）主管道现场焊接采用窄间隙TIG自动焊焊接过程稳定，焊缝质量高，接头性能特别是冲击韧性优于手工焊接头，且相比以往的氩电联合手工焊工艺有效缩短焊接工期，窄间隙TIG自动焊技术在核电站主管道现场焊接的工程应用是成功的。
2）无损检测结果表明主管道窄间隙TIG自动焊技术对坡口形状、焊接设备状况及焊接操作工要求极高，由于窄间隙自动焊技术是国内核电工程首次应用，需加强反馈、积累经验，进一步提高焊缝质量。
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参考文献
［1］唐识.核电站主管道窄间隙脉冲TIG自动焊工艺[J].焊接技术，2010，39（8）:27-32.
［2］王海东，任伟，裴月梅，等.压水堆核电站主回路管道窄间隙自动焊工艺研究[J]. 电焊机，2010，40（8）:21-27.
［3］黄炳炎，张意翼，黄宗仁，等.核电站主管道窄间隙TIG自动焊应用研究[J].中国核电，2014，7（增刊1）:139-144.
［4］RCC-M 压水堆核岛机械设备设计和建造规则[S].2000.
［5］ASME 锅炉及压力容器规范[S].2004.
［6］黄宗仁，李桓，黄炳炎，等.窄间隙自动焊在核电厂主管道焊接中的应用[J].焊接技术，2015，44（1）:36-39.
［责任编辑：刘展］