中国核工业第五建设有限公司 上海市 201512
摘要：核电站钢制安全壳底封头是国内核电行业首次采用的大尺寸、厚壁、多曲率、高精度花瓣椭球形焊接结构,并在现场组装、焊接。专用设备按不同曲率半径压制成型的钢板自身存在较大的残余应力,四圈钢板数量各不相同,导致各圈焊接收缩变形有所不同,预留焊接收缩间隙等较难控制,增加了组装难度,影响钢制安全壳底封头整体尺寸的控制,因此适宜的组装方式和焊接变形控制成为施工过程中的重要环节。从三种堆型的钢制安全壳底封头的两种拼装方式、焊接顺序以及焊接防变形工装、焊接工艺措施等方面着手进行分析研究,明确了两种拼焊方式均为可行,同时提出了自上而下的拼装方式的改进方向。
关键词：核电站；钢制安全壳底；封头拼装方式；焊接变形；控制
1、引言
安全壳是现代核电厂纵深防御原则的最后一道安全屏障，放射性物质最终控制在安全壳压力边界以内。钢制安全壳是采用非能动安全理念设计的大型压水堆的重要设备之一，同时也是非能动安全壳冷却系统的重要组成部分。钢制安全壳的顶封头是半椭球形封头，钢制安全壳封头采用分片制造的方法并利用拼装支架作为胎具对封头板进行组装，形成整体结构，钢制安全壳顶封头有分片钢板多、总体重量大的特点，钢安全壳顶封头结构见图1所示，自下而上分别包括第一圈封头板、第二圈封头板、第三圈封头板和第四圈封头板。对于安全壳顶封头的拼装工程，顶封头的拼装支架是保证安全壳顶封头顺利拼装并且达到设计质量的基础。CV底封头组装过程中对组对、焊接、形位公差等关键要素的控制，都决定了CV底封头能否按设计要求完成组装任务。因此，对于核电站钢制安全壳底封头拼装方式的选择非常重要，同时做好焊接变形控制。
2、核电站钢制安全壳底封头拼装方式与焊接变形控制
安全壳容器由5个主要结构模块组装建造而成，每个模块都由预先成型的、喷好漆的钢板制成。为了进一步减少安全壳内的组装活动，这些模块包含环形加强筋、吊环梁、设备闸门、人员空气闸门、贯穿件组件和其它附件，其中包括非能动安全壳冷却系统(PCS)空气挡板的支撑和水分配溢流口的固定板。
2.1核电站钢制安全壳底封头拼装
为了进一步减少安全壳内的组装活动，这些模块包含环形加强筋、吊环梁、设备闸门、人员闸门、贯穿件组件和其它附件，其中包括非能动安全壳冷却系统（PCS）空气挡板的支撑和水分配器的固定板。
安全壳模块需要3块组装区，并且要求靠近核电厂核岛区，分别进行1#、2#机组上下封头、1#机组CV筒体及2#机组CV筒体的组装制造工作，多个组装区使得3个模块可以同时进行工作。当模块制成时，采用平板车运输或大吊车带载行走等方式将每个安全壳模块吊装送到它的最终安装位置。
2.2焊接变形产生的原因
在焊接受热过程中，膨胀和收缩作用于焊接金属和基材上，焊缝和基材因局部被加热而形成很大的温度梯度。冷却时，焊接金属试图正常收缩至室温时的体积。但是，熔化的焊接金属因基材而受到约束，焊缝金属和基材之间就会产生应力集中。焊缝附近区域因此产生应力集中而伸展或弯曲或变薄，这些超过焊缝金属屈服应力的集中释放就形成了永久变形。当焊接温度接近室温，整个基材受到约束而无法变形，金属的伸缩应力接近屈服应力。如果约束(夹具固定工件或反收缩力)取消，残余应力释放，基材将发生迁移，焊接工件将产生变形。金属内部结构因焊接不均匀的加热和冷却产生的内应力叫焊接应力，由焊接应力造成的变形叫焊接变形。不同的焊接工艺引起的焊接变形量不同。
2.3核电站钢制安全壳底封头焊接变形控制
2.3.1焊缝外部缺陷
(1)咬边
1)现象
焊缝边缘母材上被电弧或火焰烧熔出凹陷或沟槽。咬边是安全壳钢衬里设备上频繁出现次数最多的一种缺陷之一。
2)原因分析
手工焊造成咬边的主要原因：a）焊工工作不认真；b）作业之前工、班长技术交底不到位;c）焊接电流过大；d）电弧过长；e）坡口两侧停留时间太长或太短；f）焊条角度掌握不当和运条操作不熟练。
3)危害性
咬边是一种危险的缺陷，它不但减小了基本金属的有效工作截面，而且在咬边处还会造成应力集中。咬边又是一种常见的缺陷，应该特别引起注意。
4)防治措施
作业之前工、班长要针对当天实际情况，合理的安排作业任务，进行有针对性的交底；可以实行焊工奖惩制度，来提高对焊工的积极性尽量避免咬边产生；控制电弧长度，尽量采用短弧焊接；掌握合适的焊条角度和熟练的运条手法，在焊条横向摆动时，应在坡口边缘停留稍长时间，使熔化的焊条金属填满边缘，而中间要稍快些。咬边缺陷不超标时，一般采用磨光机打磨的方法，打磨时一定要使焊缝与母材区域圆滑过渡；一旦咬边缺陷超标，尽量采用窄焊道、小电流对其该位置进行补焊。
(2)焊瘤
1)现象
熔化金属流淌到焊缝以外未熔化的母材上形成金属瘤。该处常伴有局部未熔合，有时也称满溢。习惯上，还常将焊缝金属的多余疙瘩部分称为焊瘤。
2)原因分析:a) 坡口边缘污物未清理干净；b) 焊接电流过大，焊条金属熔化时母材还未充分熔化；c) 焊接速度太慢以及装配间隙太大等。
3)危害性
焊瘤处应力集中，还易伴生裂缝等缺陷；焊瘤也破坏了焊缝平整光滑的外形。
4)防治措施
焊接前应彻底清理坡口及其附近的脏物，组对间隙要合适；
合理选择焊接电流；控制电弧长度；操作要熟练，严格掌握熔池温度，采用相应的运条手法；当出现焊瘤时，若伴有未熔合、裂缝等缺陷时，应使用磨光机打磨的方法彻底清除缺陷，然后进行补焊。对于焊缝金属的多余部分，可采用砂轮机打磨的方法修整焊缝外形。
2.3.2焊接内部缺陷
在对某核电厂一台机组的底板、截锥体、筒壁板、筒体贯穿件射线合格率进行了统计，共有34张返修片，其中气孔27张、条渣6张、未焊透1张，因此解决气孔和夹渣的问题是目前我们攻克的重点和难点。
(1)气孔
1)现象。焊接过程中，熔池金属高温时吸收的气体在冷却过程中未能充分逸出，而残留在焊缝金属中形成孔穴。根据孔穴产生的部位，可分为外部气孔和内部气孔，其中外部气孔可以通过肉眼或者借助于放大镜看到；内部气孔则需通过无损检测试验得以显示；根据分布情况，气孔又可分为单个气孔、连续气孔和密集气孔等。
2)原因分析。导致焊接过程中产生大量气体的因素较多，根据实际施工的经验，具体来讲，主要有以下几个方面：a）环境因素：风速、湿度较大，被焊母材温度较低等；b）保温桶效果不好，导致焊条受潮；c）焊丝和母材上的油污、水分、锈斑等脏物未清理干净；d）焊条未按要求存放以及未按规定要求烘干；焊条药皮变质或剥落；焊芯锈蚀；焊丝清理不干净；气体保护焊时保护气体纯度低，杂质含量高；e）坡口两侧未清理干净；f）焊接接头处未处理到位；g）焊缝背面清根不到位，打磨不干净；h）手工电弧焊焊接电流过大，造成焊条发红而降低保护效果；电弧长度过长；电源电压波动过大，造成电弧不稳定燃烧；i）气体保护焊时喷嘴结构不合理，保护气体流量过小，挺度不够或受环境气流干扰，影响保护效果。
3)危害性。存在于焊缝内的气孔，减小了金属的有效截面，从而使焊接接头的强度降低；气孔的边缘可能发生应力集中，密集气孔使焊缝组织疏松，使接头的塑性降低；穿透性气孔破坏了焊缝的致密性，造成渗漏。焊缝中的氢气孔还有可能导致裂缝的产生和扩展。
4)防治措施。不得使用药皮开裂、剥落、变质、偏心或焊芯严重锈蚀的焊条；焊接前，应对焊丝、母材的坡口及其两侧进行清理，彻底除去油污、水份、锈蚀等脏物；选用合适的焊接电流和焊接速度，采用短弧焊接；室温或现场温度较低时，应采取对被焊母材区域进行预热；预热可减慢熔池的冷却速度，有利于气体的充分逸出，避免产生气孔缺陷；焊接时应避免风吹、雨淋等恶劣环境的影响；室外焊接时风速超标时必须设置挡风装置；焊前必须将坡口两侧打磨干净方可进行焊接；焊接接头部位以及背面清根部位一定要清理干净，背面清根部位必须要做渗透（PT）试验检测；气体保护焊时，要注意气体的纯度和含水量必须符合有关标准规定。焊条使用前，应按规定要求进行烘烤。经无损检测出现气孔后，应进行返修，返修补焊工艺应满足与产品焊缝相同的各项要求，首先根据无损探伤室提供的返修通知单以及无损检测人员现场射线检验时作的缺陷位置标记来确定缺陷的位置；其次采用磨光机对缺陷位置进行打磨，直到发现缺陷并将缺陷打磨至看不见为止，进行目视和渗透检验；然后采用补焊工艺进行焊接，焊接时焊接参数采用产品焊接参数下限值。
3、结束语
钢制安全壳是核电站重要的核级模块，是非能动功能实现的主要途径。钢制安全壳包容着反应堆、蒸汽发生器等主工艺系统设备，在事故工况下能有效防止放射性物质外泄。文章介绍了核电站大型复杂焊接壳体结构——钢制安全壳底封头的制造、组装、焊接工艺,提出了组装焊接过程中质量控制的具体措施,确保产品质量的最终合格。
参考文献：
[1]王士林;刘中仁;赵秀运;核电站钢制安全壳底封头拼装方式与焊接变形控制[J];电焊机;2019年04期
[2]晏桂珍;汤传乐;阳作勇;杨中伟;高伟;钢制安全壳封头瓣片成形[J];装备制造技术;2016年04期