窄间隙焊技术在核电建设中的应用

林金平，吴崇志

(国核工程有限公司 海阳SPMO，山东 海阳 265116)

窄间隙焊技术在核电建设中的应用

林金平，吴崇志

(国核工程有限公司 海阳SPMO，山东 海阳 265116)

窄间隙焊接是将常规的焊接工艺与窄间隙坡口结合在一起，通过专门的装置和控制技术而集成的一种新型焊接技术。介绍了常用的窄间隙焊接技术的优劣和应用现状，重点介绍了窄间隙焊接技术在核电站焊接上的应用，主要包括压力容器、核电站主设备和核电站主管道的焊接。展望了窄间隙焊技术在核电站建设中应用的前景和发展趋势，尤其是窄间隙焊机的国产化方案。

窄间隙焊接；核电站；主设备；主管道；焊机

0 前言

自1963年12月美国巴特莱研究所首次研究出窄间隙焊接方法以来，研究人员对该技术产生了很大的兴趣，并进行了大量的研究工作[1]。1983年，VY马林整理出了窄间隙焊接的主要特征，窄间隙焊接是利用现有的弧焊方法，采用I形或 U形坡口，进行每层1～2道的多层焊接方法。日本压力容器研究委员会施工分会第八专门委员会曾审议了窄间隙焊接的定义，并做出了如下规定：窄间隙焊接是将厚度30 mm以上的钢板，按小于板厚间隙的相对位置开坡口，再进行机械化或自动化弧焊的方法(板厚小于200 mm，间隙小于20 mm；板厚超过200 mm，间隙小于30 mm)。窄间隙焊接与传统的焊接方法相比，其主要优点是：(1)焊接截面积大幅度减少(减少50%～80%)，焊接效率提高，节省焊材；(2)热输入相对减少，冷却速度较快，接头残余应力、残余变形明显减少，热影响区小，接头力学性能提高。

因此，窄间隙焊接广泛应用于厚板焊接，日本焊接界甚至将窄间隙焊和激光焊并称为21世纪最适合厚板焊接的方法[2]。但窄间隙焊也有缺点，如图1a所示，其最主要的是未焊透，因此采用各种方法来使两侧壁完全熔化(见图1b)。

图1 焊道断面简图

1 窄间隙焊接技术的分类和原理

窄间隙焊接技术按其工艺可分为：窄间隙埋弧焊(NG-SAW)、窄间隙钨极氩弧焊(NG-GTAW)、窄间隙熔化极气体保护焊(NG-GMAW)、窄间隙焊条电弧焊、窄间隙电渣焊、窄间隙激光焊[3]。每种焊接方法都有各自的特点和范围，根据各自特点又可分为若干小类。

1.1 窄间隙埋弧焊(NG-SAW)

NG-SAW焊丝导电长度短，电流密度高，电弧的熔深能力和熔敷效率都将提高；同时，由于焊剂和熔渣的隔热作用，电弧的热辐射散失少，热效率高，焊缝质量优良，主要应用于低合金钢厚壁容器和其他重型焊接结构。窄间隙埋弧焊接头具有较高的抗延迟冷裂能力，强度性能和冲击韧性优于传统宽坡口埋弧焊接头。与传统埋弧焊相比，效率提高50%～80%，节约焊丝38%～50%，焊剂56%～64.7%。由于窄间隙埋弧焊是依靠颗粒状焊剂堆积形成的保护条件，所以主要用于水平面焊缝的焊接。加之窄间隙焊接的焊缝坡口窄，尤其是在厚板的底层焊接时，焊渣不易脱落，需要焊剂具有良好的脱渣性。

随着填充金属、焊剂等取得的发展，在焊接碳钢+低合金钢和高合金钢时采用的焊丝直径为2～5 mm，很少使用直径小于2 mm的焊丝。最佳焊丝直径为φ 3mm，直径φ 4mm焊丝主要用于厚度大于140mm的钢板，直径φ 5mm焊丝主要用于厚度大于670mm的钢板。

现阶段各种窄间隙施工技术：(1)采用直径φ 1.2～1.6 mm的细焊丝摆动焊接厚400 mm以上的压力容器，第一、第二层使用TIG焊接，其他各层采用直径1.6mm细丝进行单面埋弧焊接。(2)采用直径3.2 mm焊丝双丝埋弧焊焊接压力容器。(3)林尚扬院士研制的HSS-2500型双丝窄间隙埋弧焊机(焊丝直径3mm)已成功地焊接了大型高压容器(如锅炉、化工容器、核反应堆、热交换器、水压机、储热器、水轮机、采油平台桩腿、厚板结构等)，该设备既可焊接环缝，又可焊接纵缝。目前，太原重机厂和哈尔滨锅炉厂都成功地应用了该技术，并取得了可观的经济效益。(4)也有采用埋弧焊与气体保护焊联合焊接桥梁桁架弦材不完全焊透接头(J形坡口)的窄间隙焊接技术应用实例[4]。

在工业生产中比较成熟的窄间隙埋弧焊技术有以下几种：(1)NSA技术。由日本川崎制钢公司为碳钢和低碳钢压力容器、海上钻井平台和机器制造而开发的NG-SAW。(2)Subnap技术。由日本钢铁焊接产品工程公司为碳钢和低合金钢开发。(3)ESAB技术。由瑞典NG-SAW设备和焊接材料制造厂家ESAB为压力容器和大型结构件的碳钢和低合金钢焊接而开发。(4)Ansaldo技术。由意大利米兰Ansaldo T P A Bred锅炉厂为NG-SAW设备制造商和用户开发。采用固定弯曲单焊丝，每层熔敷多焊道。(5)MAN-GHH技术。由德国MAN-GHH Sterkrade为核反应堆室内部件制造而开发，采用单焊丝双焊道[5]。

1.2 窄间隙钨极氩弧焊(NG-GTAW)

NG-GTAW基本不产生飞溅和熔渣，克服了普通GTAW焊接效率低的问题，同时电弧稳定，很少产生焊接缺陷。NG-GTAW可以实现薄板焊接、压力水管的全位置焊接，接头质量好，焊道成形美观。NGGTAW方法中，既在送进的焊丝中通入直流电，产生的磁场偏向焊接前进方向的焊接方法，也有采用低频脉冲电流窄间隙热丝TIG焊或横焊的焊接方法。为了防止引起磁偏吹，研制了周期性增减电弧电流，在电弧电流减少之瞬间填丝通电的焊接方法。

超高强钢的使用促进了NG-GTAW焊接技术的应用，通常NG-GTAW焊是焊接质量较可靠的焊接工艺之一。有氩气的保护作用，NG-GTAW焊可用于焊接易氧化的非铁金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金以及难熔的活性金属(如钼、铌、锆)等，其接头韧性好，焊缝金属含氢量低，但钨极的载流能力低，熔敷速度不高，应用领域狭窄，一般用于打底焊和重要的结构焊接。

1.3 窄间隙熔化极气体保护焊NG-GMAW

NG-GMAW是采用特殊的弯曲结构使焊丝保持弯曲，从而解决坡口侧壁的熔透问题，是利用电弧摆动来达到焊接钢板两侧壁的一种方法。

在平焊方法中，为了使I形坡口的两边充分焊透，使电弧指向坡口两侧壁，采用了各种方法：(1)焊丝进入坡口前，使焊丝弯曲；(2)使焊丝在垂直于焊接方向上摆动；(3)采用麻花状绞丝方法；(4)药芯焊丝的交流弧焊方法；(5)采用大直径实心焊丝的交流弧焊方法；(6)采用φ(Ar)30%+φ(CO2)70%作为保护气体与直径φ 1.6mm实心焊丝相配合的气体保护焊方法，用于焊接特殊形状复杂的接头。在横焊方法中，为了防止I形坡口内熔融金属下淌，以便得到均匀的焊道，提出了如下焊接方法：a.利用焊接电流周期性变化，使焊丝摆动或将坡口分成上下层的焊接方法；b.将各种方式组合起来的焊接方法。在立焊窄间隙MAG焊接方法中，为了保证坡口两侧焊透，研制了摆动焊丝的焊接方法以及焊接电流与焊丝摆动同步变化的焊接方法。

为解决侧壁熔合，改善焊缝成形，开发了许多窄间隙GMAW应用形式。窄间隙GMAW按照焊丝数量可分为单丝、双丝和多丝焊，其中双丝焊应用最多；单丝焊按照电弧形式可以分为摆动电弧、旋转电弧和不摆动焊弧三种。近年来，又开发出了间隙5 mm以下的超窄间隙焊。

目前应用较为成熟的NG-GMAW技术是由美国林肯公司研制出的表面张力过渡技术，具有飞溅率低、熔滴呈轴向过渡、焊接烟尘少、作业环境舒适、低热输入条件下熔合优良、良好的打底焊道全位置单面焊双面成形能力、操作容易、效率高等优势。

2 窄间隙焊接技术在核电设备中的应用现状

近年来，窄间隙焊已广泛应用于核电建设中。法国法马通公司是一个制造核电站部件的重要企业，主要产品有压水和沸水反应堆、高温反应堆、聚变反应堆和快中子增值反应堆。应用的窄间隙焊接技术有窄间隙GTAW、双金属窄间隙焊接和窄间隙GMAW[6]。

2.1 压力容器的焊接

对于厚壁压力容器的焊接，当壁厚超过100 mm时，很难继续采用常规的U型或V型坡口的焊接方法，同时材料、能源、劳力和工时都比较浪费。1982年，Horst Cerjak、王肃等人研究了650 mm厚的核反应堆压力壳半圆封头与封头凸缘之间的环缝焊接，采用了窄间隙埋弧焊[7]。

我国第一重型机械集团公司焊接了两个当今世界最大最重的加氢反应器，长62 m、外径5.5 m、壁厚337 mm、质量2 050 t，采用我国自行研制的、世界第一个双丝窄间隙埋弧焊技术(发明专利)，由两套双丝窄间隙埋弧焊设备焊接了28条环焊缝，每条焊缝需要连续不停地焊接5天4夜，焊缝一次探伤全部合格[8]。

2.2 核岛一回路主设备焊接

压水堆核电站核岛一回路主设备属于厚壁(120～250 mm)大型设备，焊接质量要求高，采用常规焊接方法很难得到高质量的焊接接头。压水堆核电站一回路主设备制造中广泛采用NG-SAW和NG-GTAW技术。东方锅炉厂和上海锅炉厂在制作压水堆核电站核岛主设备中大量采用了窄间隙焊接技术[9-10]。

上海锅炉厂承担的秦山二期反应堆压力容器RV的主环焊缝，因直径大、壁厚厚(205 mm)，所以采用了焊接效率高、焊接质量稳定的窄间隙埋弧自动焊。主环缝坡口如图2所示。

图2 主环缝坡口形式示意

出入水接管与接管段筒身马鞍形环缝也采用了窄间隙埋弧焊(NG-SAW)。马鞍形出口接管外径1 430mm，筒体内径3740mm，接管采用插入式结构埋弧自动焊，根部采用I形带衬垫的坡口形式，如图3所示。接管-安全端异种金属镍基合金焊接，主要采用了加填充焊丝的窄坡口脉冲钨极氩弧焊，坡口示意如图4所示。

图3 接管马鞍形焊缝坡口形式结构

图4 异种钢窄间隙热丝TIG焊坡口示意

2.3 核岛主管道窄间隙自动化焊接应用

核电站主回路管道是核能转换中的主载热剂管道，被认为是核电站运行的大动脉。主回路管道要承受相当高的温度和压力，且工作介质具有强烈的放射性和一定的腐蚀性。因此，主回路管道一般都设计成铬-镍奥氏体不锈钢(312型或316型)制的大型厚壁管道。

核电站主回路管道焊接特点：(1)核电站主回路管道的焊接工作量大，施工难度大，需要各个工种的密切配合。(2)核电站主回路管道具有直径大、壁厚厚、拘束度强的特点，焊接接头产生变形的倾向较大，且主设备位置相对固定，对中精度要求高。核电站中主回路管道的测量和组对要求精度很高，尤其要注意调整管段的测量和加工。同时还要考虑焊缝收缩量的影响，必须通过合理的焊接工艺顺序和采用有效的控变形措施，以控制焊接变形，减小焊接应力。

压水堆核电站主回路管道属于超低碳奥氏体不锈钢大厚壁管道，在高温、高辐射的环境下服役，焊接质量要求非常高。目前我国核电站主回路管道焊接采用宽坡口焊条电弧焊工艺，焊接一道焊口需要两名高级焊工焊接一个月，焊接周期长、效率低、劳动强度高。为了缩短焊接时间，提高焊接质量和效率，核工业工程研究设计有限公司通过引进先进的焊接设备，开展了一系列焊接工艺试验，确定了窄间隙坡口型式和与之配套的焊接工艺参数，并按照RCC-M标准进行了焊接工艺评定，评定结果全部符合标准要求。因此，压水堆核电站主回路管道采用窄间隙自动焊工艺是可行的，且具有显著优势[10]。

唐识[12]通过研究主管道窄间隙脉冲TIG自动焊工艺，主管道窄间隙全TIG自动焊与焊条电弧焊的比较如表1所示。通过大量的工艺试验和焊接工艺评定的试验，说明窄间隙脉冲TIG自动焊工艺是成熟的、焊接变形是可控制的，采用该焊接工艺焊接的产品质量是可靠的，该焊接工艺可以应用于核电站主回路管道的焊接。

表1 焊条电弧焊与TIG自动焊对比

刘琼[13]比较了AP1000主管道窄间隙钨极氩弧焊(NG-GTAW)与秦山核电二期传统焊接差别，分析了AP1000主管道窄间隙自动化焊接的可行性和优越性。目前，核电建设部门面临着大量的电站建设和安装任务，但是主冷却剂管道等厚壁管依然采用传统焊接方法，焊接效率低、工作强度大，同时焊缝质量也受到诸多不确定因素的影响。采用窄间隙自动化焊接方法代替传统手工焊工艺，不仅可以减少焊缝填充量、提高效率、缩短工期，还能加强焊缝质量、提高安全裕度。但是窄间隙焊接需要的成本很高，每台Gold Track V型窄间隙焊机需要人民币200多万元，因此需比较两者的优劣，做出合理的选择。

3 窄间隙焊在核电工程的发展前景

根据我国核电产业发展规划，到2020年我国核电总装机容量要达到4 000万kW，在建1 800万kW。这意味着在今后的十多年间，平均每年需开工建设2～3台百万千瓦级的核电机组，全国核电建设部门将面临着大量的安装任务。

窄间隙焊焊缝具有较好的力学性能、较低的残余应力与残余变形、焊接生产率高、生产成本低，使该技术在钢结构焊接领域存在着巨大的应用潜力和广阔的应用范围。从技术上看，该技术诱惑力大，但从经济上看，存在着一个经济板厚范围问题，即享有其技术优越性的同时能获得显著经济效益的板厚范围。通常板厚越大经济效益也越大。如果采用窄间隙自动化焊接方法代替传统手工焊工艺，既可以减少焊缝填充量、提高效率、缩短工期，又可以加强焊缝质量、提高安全裕度。

国内越来越多的关于窄间隙焊接技术的研究开发，但在超低飞溅率控制技术和高可靠性的实时跟踪技术方面还有待提高。要使窄间隙焊接技术更成熟、实用，国内的科研工作者和生产厂家还需努力，开发高抗干扰能力、高可靠性、高精度的自动跟踪技术，以满足焊枪在狭窄坡口内安全可靠的运行。

据报道，窄间隙自动焊接工艺在福建宁德核电站1号机组主管道焊接中正式应用，这是中国核电站建设中首次采用自动焊接技术。这项技术具有完全自主知识产权，打破了西方发达国家在这一技术领域中的垄断优势。与传统的焊接工艺相比，窄间隙自动焊接技术对提高核电站主回路管道的焊接质量、优化焊接工期、压缩核电站建造成本将起到非常重要的作用。采用自动焊接工艺后，核岛安装工期缩短30～45天，由此单台机组可提前进行商业运营，实现经济价值约2亿元。

随着我国装备制造实力的增强，窄间隙焊接技术必将越来越多的应用到生产中，新工艺、新设备将为窄间隙技术提供支持。在核电事业中，我国自行研制的、具有独立知识产权的设备也越来越多进入核电这个高质量要求的行业中，效率更高，质量更好、成本更低、可靠性更高、实用化强的窄间隙焊接技术将不断涌现，推进我国核电事业的发展。

[1]谭 环.日本窄间隙焊的现状及其发展趋势[J].兵器技术，1983(2)：31-39.

[2]赵 博，范成磊.窄间隙GMAW的研究进展[J].焊接，2008 (2)：11-14.

[3]张富巨，罗传红.窄间隙焊接技术中焊接方法特性的遗传[J].焊接技术，2002，31(4)：8-10.

[4]项 峰，姚 舜.窄间隙焊接的应用现状和前景[J].焊接技术，2001，30(5)：17-18.

[5]周方明，王江超.窄间隙焊接的应用现状和发展趋势[J].焊接技术，2007，36(4)：4-7.

[6]Gabriel Merle A.Narrow-Groove Mechanized Arc Welding-Advanced Welding Techniques[R].Proceedings of International Forum on Welding Technology in Energy Engineering，2005.

[7]Horst Cerjak，王 肃.650 mm厚的核反应堆压力壳窄间隙埋弧焊[J].电焊机，1982(5)：47-48.

[8]林尚扬，于 丹，于静卫.压力容器焊接新技术及其应用[J].压力容器，2009，26(11)：1-5.

[9]上海电气(集团)总公司.上海发电设备焊接技术进展(二)[J].电焊机，2005，35(10)：12-16.

[10]刘自军，潘乾刚.压水堆核电站核岛主设备焊接制造工艺和窄间焊接技术[J].电焊机，2010，40(2)：10-15.

[11]王海东，任 伟.压水堆核电站主回路管道窄间焊接自动焊工艺研究[J].电焊机，2010，40(8)：21-26.

[12]唐识.压水堆主管道窄间脉冲TIG自动焊工艺[J].焊接技术，2010，39(5)：29-32.

[13]刘 琼.AP1000主管道窄间隙自动化焊接方法应用趋势分析[A]，第四届中国核学会省市区“三核”论坛论文集[C].[出版地不详]，2007.

Research on the narrow gap welding in the nuclear power plant construction

LIN Jin-ping，WU Chong-zhi
(State Nuclear Power Engineering Company，Haiyang SPMO，Haiyang 265116，China)

Narrow gap welding is a new welding technology，in which unusual welding technique and narrow gap are integrated with the special equipment and control technology.This paper mainly introduces the narrow interval welding technology used the fit and unfit quality and application situation，focusing on the narrow gap welding technology in nuclear power plant application，mainly including pressure container，nuclear power plant equipment and the main loop welding.Meanwhile，in the paper，we analyzes the prospect and development trend on narrow welding technology in nuclear power plant construction，especially for narrow gap welding machine localization program.

narrow gap welding；nuclear power plant；main equipment；main loop pipe；welding machine

TG441.3

B

1001-2303(2011)09-0016-05

2011-03-30

林金平(1985—)，男，湖北宜昌人，焊接工程师，硕士，主要从事核电站建设中焊接技术研究工作。