姜 煌,李興宇
(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江火電建設(shè)有限公司,杭州 310016)
發(fā)電廠動(dòng)力管道焊接時(shí),常用的焊接方法有2種:手工全氬弧焊接、手工氬弧焊打底加手工電弧焊填充和蓋面。對(duì)于大口徑厚壁管道,通常采用組合坡口型式,GTAW(氬弧焊)+SMAW(手工電弧焊)進(jìn)行多層多道焊,雖然焊接設(shè)備簡(jiǎn)單,但此型式的坡口寬度大,焊接熔敷金屬量大,焊材消耗多,焊接周期長(zhǎng),并且焊接質(zhì)量不穩(wěn)定,受人為因素影響較大,特別是核電站中,基于“先漏后斷”(Leak-Before-Break)安全評(píng)定技術(shù)的管道,規(guī)定了焊接方法為氬弧焊,如果大口徑厚壁管采用手工氬弧焊,則更是耗材、耗時(shí)、耗力。因此窄間隙脈沖自動(dòng)氬弧焊的工藝近年開始從國(guó)外引進(jìn),三門、海陽(yáng)AP1000核電項(xiàng)目,福清、寧德、方家山等CPR1000核電項(xiàng)目的一回路主管道焊接均采用了窄間隙自動(dòng)焊氬弧焊,取得較好的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。
NG-GTAW(窄間隙焊接技術(shù))是在應(yīng)用傳統(tǒng)氬弧焊焊接方法和工藝基礎(chǔ)上,加上特殊焊絲、保護(hù)氣、電極向狹窄坡口的導(dǎo)入技術(shù)以及焊縫自動(dòng)跟蹤等特殊技術(shù)而形成的一種專門技術(shù);機(jī)頭沿焊縫環(huán)繞管壁運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)全位置自動(dòng)焊接;自下而上的各層焊道數(shù)目通常為1或2道;采用小或中等熱輸入進(jìn)行焊接;易維持恒定的電弧長(zhǎng)度,焊接過程穩(wěn)定,容易獲得較高的焊縫質(zhì)量。相對(duì)于常規(guī)坡口手工焊,NG-GTAW有如下特點(diǎn):
(1)焊縫坡口小,焊縫金屬?zèng)]有更換焊條或焊絲的接頭,在很大程度上減少了焊接材料。
(2)焊接熱輸入率小,焊后殘余應(yīng)力和殘余變形小。
(3)電弧自動(dòng)跟蹤,自動(dòng)化程度高,減少了人為因素,便于控制焊接質(zhì)量。
目前,在核電設(shè)備制造或安裝中使用的窄間隙自動(dòng)氬弧焊機(jī)主要來(lái)自加拿大和法國(guó)的兩家公司,文中選用加拿大利寶地公司的GT-Ⅵ型焊接電源和H型機(jī)頭作為試驗(yàn)機(jī)型。該焊機(jī)焊接電源穩(wěn)定性好,具有多功能特性,綜合性價(jià)比較高。
窄間隙自動(dòng)焊機(jī)主要由焊接電源、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、焊接機(jī)頭和送絲(較直)機(jī)構(gòu)組成,另外可配一個(gè)遠(yuǎn)程控制手盒,采用與管道規(guī)格適配的軌道,機(jī)頭在軌道上行走進(jìn)行焊接。
為保證焊機(jī)機(jī)頭的順利行走及焊接,GT-Ⅵ型焊機(jī)H機(jī)頭的徑向外部最小需求空間約為240 mm,軸向最小需求空間約為375 mm。
文中主要針對(duì)AP1000一回路主管道的材料(不銹鋼SA376 TP316LN)進(jìn)行窄間隙自動(dòng)氬弧焊工藝的研究。
利寶地H機(jī)頭焊接過程中的氣體保護(hù)主要通過大氣罩實(shí)現(xiàn),焊接時(shí),坡口內(nèi)僅鎢棒和送絲管伸入,因此窄間隙坡口可以加工小角度單面U型加膛孔或正面U型、背面V型等型式,如圖1、圖2所示。
單面U型加膛孔的焊口采用單面焊雙面成型工藝,對(duì)打底焊接質(zhì)量要求較高,而采用正面U型、背面V型時(shí),須滿足管道內(nèi)部有足夠的空間允許人員進(jìn)入清根,并配備內(nèi)軌道進(jìn)行焊接,對(duì)打底焊質(zhì)量要求可適當(dāng)降低。具體坡口型式可根據(jù)管道規(guī)格、材質(zhì)和焊接要求選擇。
本次焊接焊絲選擇ER316L;鎢極采用規(guī)格為Φ4.0 mm的鑭鎢;保護(hù)氣體選用正面Ar 99.999%,背面99.99%。
4.1 TOFD由于是利用缺陷波的衍射原理和采用一發(fā)一收的至少兩個(gè)探頭進(jìn)行檢測(cè),所以對(duì)于直管對(duì)彎頭處焊縫,就不能采取TOFD技術(shù)。相控陣技術(shù)不受此結(jié)構(gòu)的限制,可以單探頭進(jìn)行檢測(cè)。
焊機(jī)本身可選用Φ0.8 mm,Φ1.0 mm,Φ1.2 mm不同規(guī)格的盤狀焊絲,文中以Φ1.0 mm作為焊接工藝試驗(yàn)的焊絲,由于送絲機(jī)構(gòu)固定在機(jī)頭上,與機(jī)頭一起行走,焊絲盤規(guī)格和重量不宜過大,一般選用4 in標(biāo)準(zhǔn)盤,重量約5 kg。
圖1 單面U型坡口
圖2 正面U型、背面V型
ER316L焊絲化學(xué)成分及理化試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。
采用Φ688.85 mm×65 mm和Φ952.5 mm×82.5 mm規(guī)格、材質(zhì)為SA376 TP316LN型超低碳不銹鋼管進(jìn)行焊接工藝研究,進(jìn)行不同位置(2G,5G,6G)的焊接工藝試驗(yàn),并對(duì)不同的組對(duì)間隙和錯(cuò)邊量進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)。
手工氬弧焊一般采用向上焊,與其不同的是,窄間隙自動(dòng)焊可以采用周向全位置焊接或向上焊2種方式,采用向上焊的方式與手工焊類似,從6點(diǎn)位置分別向上焊至12點(diǎn)位置,熔池控制相對(duì)簡(jiǎn)單,但效率降低;采用周向全位置焊接時(shí),可配備正反2個(gè)焊絲架,更換導(dǎo)絲桿方向依次反向焊接或通過改變起弧點(diǎn)焊接從而控制撓曲變形,可以提高焊接效率,減少接頭數(shù)量。
表1 ER316L焊絲化學(xué)成分
表2 焊絲復(fù)驗(yàn)理化試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)焊機(jī)本身的性能,為保證焊接質(zhì)量,應(yīng)嚴(yán)格控制焊口組對(duì)錯(cuò)邊量和組對(duì)間隙,錯(cuò)邊量盡量保證在0.5 mm以內(nèi),組對(duì)間隙0~1 mm。組對(duì)完成后,在管道內(nèi)壁進(jìn)行點(diǎn)固塊點(diǎn)固。
在管道內(nèi)部設(shè)置充氬堵板或制作氣室,采用99.99%以上的純氬提前充氣30 min~1 h,確保氣室內(nèi)氧氣含量不大于1%。
打底焊起弧一般選擇上45°位置并向上焊接,具體焊接方向根據(jù)機(jī)頭配置及焊絲盤布置方向而定,以利于對(duì)熔池質(zhì)量的控制,采取周向焊接方式,中間不?;?,一次性完成打底焊接,如圖3所示。
圖3 打底焊起弧位置示意
打底焊完成后,應(yīng)立即進(jìn)行熱焊,以防止根部焊縫受到破壞。
為保證坡口兩側(cè)熔合良好,熱焊采用分道焊,通過調(diào)整機(jī)頭傾斜角度,分2道進(jìn)行焊接。
打底焊、熱焊及填充焊均采用脈沖弧工作模式。焊接時(shí),鎢棒不擺動(dòng),利用脈沖峰值電流的沖擊力擴(kuò)張熔池,使熔池與側(cè)壁良好地熔合,同時(shí),過程中采用基值小電流焊接,可以有效控制焊接熱輸入。
填充焊時(shí),為保證坡口兩側(cè)熔合良好,根據(jù)坡口寬度與所選擇的焊接工藝參數(shù)綜合比較,當(dāng)坡口寬度達(dá)到8 mm時(shí),宜采用分道焊接,否則單道焊接。
填充焊每層焊縫接頭錯(cuò)開,而且根據(jù)焊縫收縮產(chǎn)生的撓曲變形,可以改變起弧點(diǎn)來(lái)調(diào)整撓曲變形方向和變形量。
為防止背面根部焊縫重復(fù)受熱二次氧化,在焊縫焊至15 mm后,再停止背面充氬保護(hù),拆除充氬保護(hù)裝置。
打底焊、熱焊及填充焊的焊道分布見圖4。
圖4 焊道分布示意
蓋面焊時(shí),根據(jù)焊口位置的不同,選擇不同的蓋面方式。
5G位置和6G位置焊口蓋面采用同步脈沖模式,鎢棒隨機(jī)頭進(jìn)行擺動(dòng),峰值電流出現(xiàn)在左右停留時(shí)間段,蓋面單道成型,兩側(cè)與母材熔合良好。2G位置仍采用脈沖弧工作模式,從下往上分道焊接。同步脈沖電流如圖5所示。
圖5 同步脈沖電流示意
當(dāng)蓋面完成后,由于管道表面焊口附近受焊縫縱向收縮影響,局部有低于母材的縮頸現(xiàn)象,因此,從坡口兩側(cè)分別往外側(cè)進(jìn)行填充,最終與管道表面平滑過渡。蓋面焊及縮頸填充示意如圖6所示。
圖6 蓋面焊及縮頸填充示意
經(jīng)過多個(gè)焊口不同位置的焊接工藝試驗(yàn)后,最后對(duì)Φ688.85 mm×65 mm單面U型坡口型式焊口進(jìn)行6G位置焊接工藝評(píng)定,焊接工藝參數(shù)設(shè)置見表3。
焊縫經(jīng)過15 mm,50%壁厚及100%壁厚3次RT(射線檢測(cè))檢驗(yàn)結(jié)果均合格,焊接工藝評(píng)定力學(xué)性能及理化性能結(jié)果見表4、表5及表6。
宏觀及微觀金相照片如圖7所示。
從SA376 TP316LN不銹鋼管焊接工藝試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看,窄間隙自動(dòng)氬弧焊完全可以焊出質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊接接頭,并且通過測(cè)算,1只Φ688.85 mm×65 mm的焊口焊絲用量?jī)H約7.5 kg,而常規(guī)坡口手工焊(GTAW+SMAW)的焊材用量約60~70 kg。窄間隙自動(dòng)氬弧焊在大口徑厚壁管道的焊接中具有較大的優(yōu)勢(shì),如果焊接碳鋼管道或合金鋼管道,焊機(jī)還帶有熱絲焊功能,效率是冷絲焊的3~5倍。因此,窄間隙自動(dòng)氬弧焊接技術(shù)不僅僅在核電施工中得到快速發(fā)展,也適合在常規(guī)火電廠的大口徑厚壁管道焊接作業(yè)中進(jìn)行推廣和應(yīng)用。
表3 焊接工藝評(píng)定焊接參數(shù)
表4 焊接工藝評(píng)定焊縫化學(xué)成分與δ鐵素體測(cè)定結(jié)果 %
表5 焊接工藝評(píng)定力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果
表6 焊接工藝評(píng)定金相試驗(yàn)結(jié)果
圖7 宏觀及微觀金相照片
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