核电站主管道焊接质量控制

核电站主管道焊接质量控制!要：本文针对核电站主管道焊接施工的特点及难点，从前期施工文件准备、施工组织机构设置及人员培训、焊接工艺评定，到现场焊接施工活动的质量控 制，焊接变形的趋势及控制措施等方面进行阐述，为同类工程焊接质量控制及 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（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，规格为巾990x70mm，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N9蒸发器端N6过 渡 段 所 在 的 位N5冷段所在位置图1热段所在位置N1主泵端材质各不相同，因此核电站主管道焊接及热处理工艺的复杂性和特殊性为其所独有。I一置I、aES型核电站主管道焊接施工特点及难点N8（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“I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、N5、N8，简称“II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“III型”)。各类型焊接接头基层材质为：I型：压力容器接管为15 X 2 HMOA ( 15Cr2NiMoVA ),主管道10H 2 MOA( 10MnNi2MoVA)；II型：蒸汽发生器集流管及主管道均为10H2M6A( 10MnNi2MoVA );III型：主泵接管为06X12H3口( 06Cr12Ni3Cu )，主管道侧为10H2M6A预堆边(堆焊 坡口门-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04X20H102B( 04Cr20Ni10Mn2Nb )，复层厚度约为4-6mm。各种接管材料 形式参见图24。(二) 、坡口型式主管道焊接接头的三种坡口型式参见下图 2、 3、 4。 .二讣匚.-H - 压力容器接管主管道 .H -2Z：&-OXPDHlDrP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主管道（蒸发器集流管）卩玮主管道I6.3 亠 1.5 + 0.5-10 + 1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主泵壳体接管岬.土丄二.主管道图 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）焊接结构及工艺复杂，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及填充层焊缝，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，选用的热处理设备及工装也各不相同，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。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，及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。L焊接热处理工程师工程师-3人丿 3人技 术 组检查 无损检人员 测人员组测量工起重工施工 焊工记录员热处理工钳工打磨工焊条烘干员维修电工管工14人丿13-4人丿14人丿17人丿13人丿118人丿112人丿（15人丿1.14人丿12人丿16人丿（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、焊工及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及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、热处理设备维护及保养制度、主管道热处理施工作业指导书等 施工管理程序、工作程序及作业指导书，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：1Cb_082C碳钢焊丝（俄）43A-898/21B不锈钢焊条（俄）2口30碳钢焊条（俄）5CB-01X12H2-BW不锈钢焊丝（俄）3I4D-25/1异种钢焊条（俄）614门-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、领用及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及检查人员签字确认，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， 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，完成对焊接变形量及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。主管道焊接工艺及热处理工艺见表1.主管道焊接工艺及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及层 间温度C后热C心中间 回火 C心焊后 热处理Cxh牌号规格90 根部CBT08T2Cg&j)2.0140/620 620 基80 g.0/660660层填充n匸30140150x3x790 2501型：主管4.018070 5G1道与g.0130T压力过渡层14门-25/1/80 容器g015070 g.0130复层3A-898/21B/g080 150II型：基根部CB-08r2Cg&j)2.090 /150/620 5G1主管层140250660T道与主管道填充n匸30g.080 140120 250x12x66.5g 090 18070 g.0130过渡层14门-25/1/80 go15070 g.0130复层3A-898/21B/4.080 15090 根部CB-O1X12H2BMg&j)2.0140/150610基70 g.0250630山型：层填充14门-51140120 x12x4.55主管g090 250625 道与1706505G1主泵70 Tg.0x8壳体130过渡层14门-25/1/接管g080 15070 复层3A-898/21Bg. 0/130go8o15o9o根部CB-08r2Cg&j)2.014o/15o62o基8og.o25o66oII型：层填充n匸3014o12ox12x89o25o主管go18o道与7o2GT-11-和、蒸发器集g.o13o过渡层14门-25/1/8o流管go15og.o7o13o复层3A-898/21B/go8o15o9o根部CbO1X12H2BMg&j)2.o14o/15o6io山型：基7og.o25o63o主管层填充14门-5114o12ox12x4.5-5625 道与9o25ogo65o2GT主泵17ox8壳体g.o7o接管13o过渡层14门-25/1/8ogo15o复层3A-898/21Bg.O70 130/g 080 150备注5G1T试件轴线水平固定；2GT试件轴向垂直固定；（一）、主管道施工工艺流程及操作要点由于主管道的焊接接头型式多样，每种接头的焊接及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1型：焊口II型：焊口III型：焊口1先决条件检杳先决条件检杳先决条件检杳2组对、点焊及检验组对、点焊及检验组对、点焊及检验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、UT10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、UT12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、UT17焊口质量计划关闭焊口质量计划关闭最终回火18无损检验VT、PT、RT、UT19焊口质量计划关闭1、先决条件检查1.1、人员资格1) 焊工经过专项理论及技能考试合格，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及加热设备的操 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、定位焊及检验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) 点焊后尺寸检查及测量，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1、11型的焊接接头，焊丝选用C扌082C;对于III型的 焊接接头，焊丝选用C&01X12H2-BS,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 型电阻加热设备进行预热、后热和热处理。5、基层填充及盖面焊接基层填充及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、后热及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（主管道焊接工艺及热处理工艺一览表）。7、复合层焊接复合层焊接包括过渡层（也称“隔离层”）及复层（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。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、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