主管道窄間隙全位置焊接機頭的改造

劉堯

1. 概述

核電站主管道是核電站施工中最重要也是技術(shù)難度最大的一項工程，主要原因在于主管道是核島內(nèi)連接核反應(yīng)堆、蒸發(fā)器和主泵的管路，常年處于高溫、高壓狀態(tài)下，不能發(fā)生任何質(zhì)量問題，一旦發(fā)生泄漏將可能對周圍環(huán)境及人員造成嚴重危害，并且由于核輻射的問題對主管道進行維修和維護的成本極高。同時，主管道直徑大（接近1 m），壁厚（接近100mm），再加上施工環(huán)境限制，要保證極高的焊接質(zhì)量十分困難。

在國外，早在20世紀六七十年代，就已在核電站主管道上采用了自動焊，以更好的控制焊接質(zhì)量，保證主管道高可靠、長壽命的使用要求。而在我國，從2000年以后才開始主管道自動焊技術(shù)的研究。隨著我國核電站建設(shè)項目的不斷增加，為確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和提高主管道施工的生產(chǎn)效率，對主管道實施自動化焊接顯得極為迫切。

我公司作為從事航天制造領(lǐng)域的重要企業(yè)，從2007年起，通過與國外先進自動化焊接裝備公司的合作，并結(jié)合自身所積累的航天焊接制造技術(shù)，在國內(nèi)核電領(lǐng)域大力推廣全位置窄間隙自動焊技術(shù)和設(shè)備，并于2009年與中廣核工程有限公司達成了合作項目，為其所承建的核電站主管道提供窄間隙全位置自動焊接系統(tǒng)及相關(guān)的技術(shù)服務(wù)。

圖1 主管道一個機組布置

圖2 主管道一個環(huán)路8個焊口布置

圖3 U1軌道試裝

圖4 軌道安裝

2. 難點分析及解決措施

目前國內(nèi)的核電站多為第三代CPR1000核電技術(shù)，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主管道分三個環(huán)路，每個環(huán)路有冷段、熱段和過渡段共8條焊縫（見圖2），三個環(huán)路共有24條焊縫。

雖然所引進的全位置窄間隙自動焊機在國外核電站主管道焊接上已有許多成功的案例，但由于我國CPR1000的設(shè)計是基于手工焊技術(shù)，現(xiàn)在要采用自動焊方法施工，主管道的加工精度和現(xiàn)場可操作空間是影響自動焊是否能夠成功應(yīng)用的最為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為了確保主管道所有焊口都能順利實施自動焊，在設(shè)備交付用戶后，我們配合用戶將所有從國外引進的焊接機頭和軌道在嶺澳二期已焊接完成（手工焊）的主管道上進行模擬裝配焊接試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于用于U1口焊接機頭的軌道無法固定在管道上而造成U1口無法實施自動焊（見圖3）。

經(jīng)分析，主要原因是： 軌道所要安裝的管道段為一個彎頭，直管段非常短，比原圖樣上的理論尺寸還要短，軌道如果安裝到直管段上，那么機頭沿管道軸向長度將超過焊縫中心很多，焊槍無法在焊縫部位施焊。如果將軌道下移至焊槍能夠位于焊縫部位，那么軌道就要固定在彎曲的管段上，其表面不規(guī)則，軌道無法固定住。因此，解決U1口自動焊問題，成了整個主管道是否能夠完全實施自動焊的最大難點。

U1口是整個主管道自動焊第一條開始焊的焊口，留給我們的時間非常緊。為了盡快解決U1口焊接問題，我們經(jīng)過仔細研究該部位的結(jié)構(gòu)特點，進行三維模擬，最終決定將軌道固定到焊口上部的蒸發(fā)器側(cè)（見圖4），因為這側(cè)的直線段較長，有利于軌道的固定和保證機頭的運行空間。

但由于焊口在焊接完成后，需要進行蓋面的堆焊，蓋面的寬度至少要50mm，機頭安裝后，其軸向最短長度雖然能滿足焊口的焊接要求，但無法滿足蓋面的焊接要求，因此，必須要對機頭進行改造。

如圖5所示，原機頭安裝到軌道上后，鎢極到軌道邊緣最小長度為17 0mm。為了縮短機頭軸向長度，同時又不增加機頭的徑向空間，我們將機頭機身和焊接前端之間加了一塊Z型的過渡板，目的是將焊接前端移到機頭的側(cè)面（見圖6），改造后鎢極到軌道邊緣最小長度達到5i n（127mm），縮短了約43mm。

此外，由于軌道安裝非?？拷舭l(fā)器接管的圓?。ㄒ妶D7），機頭夾持軌道的部位與圓弧處過近，造成機頭安裝十分困難，并且極有可能在焊接過程中與圓弧處產(chǎn)生碰撞。為此，我們重新設(shè)計了一套軌道，將軌道直徑尺寸適當加大，由原來直徑40i n（1016mm）改為41i n（1041.4mm）。

為了確保改造能夠完全滿足U1口自動焊要求，在改造完成后，我們又在核島內(nèi)進行了兩次模擬裝配焊接試驗，確認了機頭的改造滿足U1口自動焊要求。

圖5 標準機頭安裝尺寸模擬

圖6 改造后機頭模擬

圖7 機頭夾緊部位模擬

圖8 寧德核電站主管道自動焊啟動

圖9 U1口焊縫外觀

3. 實施效果

在2011年1月25日，寧 德核電站第一條主管道焊縫（U1口），也是中國第一條采用自動焊的主管道焊縫施工開始（見圖8）。經(jīng)過大約2周時間第一條U1口焊接完成（見圖9），焊縫質(zhì)量均一次檢測合格。隨著U1口焊接的成功，后續(xù)其他所有焊口的自動焊也先后順利完成，這標志著我國第一個采用自動焊施工的核電站獲得圓滿成功。

4. 結(jié)語

U1口焊接機頭是整個主管道窄間隙全位置自動焊設(shè)備中技術(shù)難度最大的一部分，在我公司技術(shù)人員不懈努力下，并在最短的時間內(nèi)改造完成，確保了我國第一個采用自動焊施工的核電站主管道得以順利實施，并為最終取得圓滿成功奠定了基礎(chǔ)。

主管道自動焊的應(yīng)用使焊接質(zhì)量及其穩(wěn)定性有了大幅提高，使我國在此領(lǐng)域達到了世界先進水平，具備了與國際核能巨頭相當?shù)募夹g(shù)能力。此外，在工期方面，自動焊技術(shù)應(yīng)用有效地縮短了主管道的焊接工期，單道焊縫的焊接工期由手工焊的35天縮短至15天，單臺機組主管道焊接總工期由手工焊最短102天縮短至79天，為核電站提早運行發(fā)電創(chuàng)造了條件。