核电站主管道自动焊焊缝缺陷的返修研究

吕旭伟 马立民 朱德才 康泽坛

摘 要：核电站主管道自动焊是一种先进技术，是三代核电站主管道焊接的首选技术。中广核工程有限公司在压水堆核电站主管道自动焊技术中开发了窄间隙、单层单道焊接工艺，该工艺较手工焊相比能显著提高焊接质量和效率、降低工人劳动强度。在该工艺开发及现场实施过程中，由于其自身焊接特点，也会产生一系列缺陷。为确保焊缝质量，中广核工程有限公司根据主管道特点、坡口形式以及缺陷特点等，研究和开发了压水堆主管道焊缝返修技术。

关键词：主管道 自动焊 手工焊 缺陷 返修

中图分类号：TG409 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-000-02

The repair of primary coolant pipes automatic welding defect in PWR

LV Xu-wei MA Li-min ZHU De-cai KANG Ze-tan

（China Nuclear Power Engineering Company， Shenzhen of Guangdong Prov.518000， China）

Abstract：The primary pipelines automatic welding of Nuclear power plant is an advanced welding technology ， is the primary choice for the third generation of nuclear power plant for pipelines welding. China Guangdong Nuclear Power Engineering Co.， Ltd（CNPEC） in PWR nuclear power plant primary pipeline automatic welding technology develop narrow gap and single-pass welding process. The process can significantly improve the welding quality and efficiency， reduce the labor intensity， stable welding quality. In the course of process development and implementation， because of its welding characteristics， it will produce a series of defects. In order to improve the welding quality. According to the characteristics of primary pipe， groove form and defect characteristics etc . CNPEC research and develop the PWR primary pipe welding repair technology.

Key words：Primary pipelines automatic welding manual welding welding defect repair；

2007年10月，国家发改委能源局出台的《核电中长期发展规划2005—2020》中提出：到2020年，核电运行装机容量争取达到4000万kw，核电年发电量达到2600～2800亿kwh。目前，我国已开工建设的核电机组数量达到了27台，在建机组数量居全世界第一。这意味着，我国核电建设工程已面临大量的安装任务。但是2011年福岛核电站事故对在建核电敲响警钟，国家此时积极出台相关政策，暂缓核电建设，确保在建核电站的安全质量。

核电站主管道是连接核岛主设备的大厚壁承压管道，是核电站的“主动脉”，也是核电站的重要屏障，其材质为牌号Z3CN20-09M的奥氏体铁素体不锈钢，目前我们主要采用的窄间隙自动焊进行主管道的焊接，由于此焊接方法是窄间隙坡口，单层单道焊接，坡口两侧接近垂直状态，在焊接过程中，发生未熔合缺陷的风险略有提高。主管道自动焊焊接质量直接影响电站的安全运行。通过PT、RT、UT等无损检测方法进行焊缝缺陷的检测，然后根据RCC-M标准对于主管道按一级焊缝的标准进行验收，如果缺陷超标，必须采取相应的返修方案进行修补，确保现场质量。

手工焊宽坡口能够让焊条充分深入坡口内，便于焊工摆动焊条，易于操作。宽坡口由于坡口角度较大，坡口两侧有一定的倾斜状态，因此在焊接过程中，坡口侧壁能够较好的熔合；但增加了焊缝金属的填充量、成本、焊接时间，使得生产效率降低。手工焊的坡口宽，每一层的焊道数根据坡口的宽度来决定。

自动焊采用窄间隙坡口具有减小焊接的残余应力和变形，提高焊接质量，减少填充量，降低生产成本。但是窄间隙坡口由于坡口角度较小，坡口两侧基本处于垂直状态，因此在焊接过程中，焊缝搭接处不平整容易出现未熔合、气孔等缺陷。

1 主管道自动焊常见缺陷分析

核电站主管道自动焊焊接的管子是大厚壁、大直径的，且采用的是窄间隙的坡口，单层单道全位置进行焊接，相比普通手工焊坡口具有无可比拟的优越性。如：明显减少焊缝填充量；提高焊缝力学性能等。然而全位置焊接对焊接的要求很高，且在很窄的坡口中实现无缺陷的焊接，难度是很大的。因此主管道自动焊也会出现一些缺陷：如夹渣、烧穿、表面成形不良、未熔合等。

1.1 表面缺陷：夹渣、夹钨、烧穿、表面成形不良

夹渣、夹钨：残留在焊缝内的溶渣或非金属夹杂物（氮化物、硅酸盐）。因坡口或焊缝表面不干净，层间清渣不净，焊接电流过小，焊接速度过快，熔池冷却过快，熔渣及夹杂物来不及浮起等原因导致。现场主管道焊接过程中，由于现场环境比较恶劣，浮尘比较多，每道焊接完成后需要进行焊缝表面的清理，如果清理不当，再进行下一道焊接时，就易出现夹渣缺陷，在起弧过程中，如果焊缝表面不平整、选择参数和焊接过程行走不当导致钨极触壁，钨极浸入熔池内，瞬间凝固在焊缝中即出现夹钨缺陷。

成形不良：焊接规范不当或焊接操作不良，选择参数过大或过小，造成焊缝成形不良缺陷，如烧穿、表面成形不良等缺陷。主管道自动焊焊接过程中，烧穿现象的出现往往是由于组对间隙较大，并且起弧时钨极正好在间隙处；或者由于焊机轨道打滑，在进行上坡焊接时，机头无法前行，在原地进行焊接，造成焊缝的烧穿。焊缝表面成形不良，往往是由于现场焊接时，上一道焊缝的表面不平整，或者选取的参数电流电压偏小，而此时的焊缝宽度比较宽，在进行焊接时，两侧熔合不好，造成焊缝成形不良。

1.2 体积缺陷：气孔、未熔合

气孔：熔池冷却凝固之前来不及逸出残留气体（一氧化碳、氢气、氮气）而形成的空穴。就主管道自动焊而言，气孔也是比较常见的缺陷，它的产生往往是有以下因素产生的：

（1）保护气受污染：由于气瓶组之间是由接头进行连接的，管线接头在连接时，外界空气或水汽易进入管线，在焊接时，易产生气孔，为避免上述现象，往往在主管道焊接时，提前进行预气，将不纯的保护气排出，再进行焊接。

（2）防风不利：主管道焊接过程中，

假设

有外界气流的进入，造成电弧偏吹，易产生气孔，另外焊接过程中人员的走动，焊机运转时，自身的排气扇排出的气流离焊接区域较近，也易产生气孔。因此现场焊接时，建立防风控制区，控制人员数量及走动频率，自动焊焊机远离焊接区，都能减少气孔的产生。

（3）湿度影响：主管道焊接要求的湿度为90%，一旦现场湿度过大，导致焊丝受潮，焊接过程中也易产生气孔。

（4）其他因素：焊丝及焊缝表面不干净，存在油污，在焊接时也易产生气孔，因此在现场焊接过程中，加强焊缝表面的清理，能够有效的减少气孔的产生。

现场常见的气孔有单个气孔、密集型气孔、缩孔等。

未熔合：填充金属与母材或填充金属之间未熔合在一起。主管道自动焊焊接过程中，焊缝宽度比较大，此时输入的电流电压等参数比较小；焊接速度过快；导致焊缝两侧熔合不良，易出现未熔合缺陷，另外焊接时钨极角度行走不当（焊偏），未在中间行走，也比较容易造成焊缝的一侧出现未熔合，任何的未熔合均属于不可接受的缺陷，因此现场为避免此类缺陷的出现，根据不同焊缝宽度设置下一道的焊接参数，对于较宽的焊缝，选择输入较大的焊接参数，增加其热输入，使熔池增大，进而使焊缝两侧完全熔合，除此焊接过程中要求焊接人员高度集中，确保焊接在焊缝中间进行，防止由于焊偏造成侧壁未熔合缺陷的出现。

针对自动焊常见缺陷的出现，为确保质量，按照标准要求不可接受的缺陷就需要进行返修，因此一套完善的自动焊返修工艺对提高焊接质量起着至关重要的作用。

2 主管道自动焊焊缝返修工艺研究

由于主管道自动焊工艺自身的焊接特点，对于常见的缺陷判定有一定的标准，根据缺陷的类型及大小是否超标，需要依据RCCM S7714的验收标准，判定缺陷为不可接受的，焊接接头则需要进行返修。焊缝验收标准如下：

主管道壁厚e为66 mm～95 mm的焊缝，以下为不可接受缺陷

任何裂缝、裂纹、未熔合（不完全熔合）、未焊透和咬边；

所有单个气孔在壁厚e>50 mm时，最大尺寸超过4 mm的气孔；

在12 e或150 mm两者中较小的长度上，任何线状（或密集性）气孔的累计直径大于e；

所有单个夹渣在壁厚e>60 mm时，最大尺寸超过20 mm的夹渣；

在12 e的长度内，任何夹杂物累积长度超过e；

主管道自动焊技术为国内首次应用，国内核电建设均没有主管道自动焊补焊经验。由于采用窄间隙坡口及RCC-M特殊要求，自动焊焊缝补焊与传统手工焊焊缝的补焊有较大区别。

对于主管道自动焊而言，国际和我国现行核电建设标准均不明确，对于主管道焊缝的返修要求，仍执行RCCM规定。RCCM-S7600中要求：焊缝返修次数不能超过两次，焊缝返修长度不能超过焊缝全长的1/5，返修厚度不超过焊缝厚度的一半。由于主管道本身的特殊性，单纯采用自动焊返修方案可能不能满足现场施工需求，因此返修工艺研究中采取自动焊及手工焊两种方案。

2.1 自动焊返修方案

（1）自动焊工艺返修：采用自动焊工艺对主管道自动焊焊缝进行补焊，挖除缺陷后加工出特定的坡口形式，再选择原自动焊焊接工艺中焊接参数进行补焊即可。

（2）自动焊补焊实施时机是：在自动焊焊接过程中当在根部焊道以上发现缺陷时的修补和几率很低的在最终焊接结束后根部焊道以上的外部补焊，但实施条件是：补焊长度不超过焊缝长度的1/5和补焊厚度不超过焊缝厚度的一半。

（3）自动焊补焊研究是通过自动焊工艺验证试验来说明自动焊返修的可行性的：

①我们采用自动焊焊接工艺的参数焊接一个工艺评定件，过程中加强控制；在焊缝表面标出缺陷位置。

②在已焊接完成的主管道工艺评定件上采用坡口机进行开槽缺陷位置，要求必须准确找到缺陷区域，架设返修坡口机。开槽形状尺寸需要根据管壁厚度及外径大小进行选择，这也跟主管道各个焊口的坡口相匹配，所以针对现场各个主管道焊口厚度及外径的不同，其开槽的尺寸也不同，具体如图1所示，其中g、h在不同厚度的管的不同深度处均不同。

图1 开槽尺寸示意图

为了能够加工出上述比较精密的数据，我们采用美国进口的返修坡口机设备进行开槽工作，采用其坡口机挖槽；优点是操作简单，精确度高，速度快；能够降低劳动力；缺点是需要精确找到缺陷位置，才能进行开槽，除此之外一旦返修，需要进行整圈的焊缝开槽，不能进行局部焊缝的返修。鉴于坡口机自身的特性，需要根据缺陷大小进行选择此种返修方法。

③进行PT、RT等无损检测确定缺陷已去除

④采用自动焊焊接工艺根据不同厚度采取不同焊接参数进行补焊已经开槽区域，如图2。

图2 自动焊补焊型式

⑤再次通过无损检验（RT、UT）检测补焊焊缝全部合格。然后通过机加取样，进行理化试验，其各个检验项目也全部合格，说明自动焊焊接的可行性。

通过自动焊的补焊工艺验证，说明主管道自动焊焊缝，采用自动焊焊接工艺返修是可行的。

2.2 手工焊返修方案

（1）手工焊返修自动焊焊缝：当采用手工焊工艺对主管道自动焊焊缝进行补焊时，在挖除缺陷后选择手工补焊工艺评定中的焊接参数进行补焊。主管道焊缝手工焊返修工艺主要转移岭澳核电二期（LAII）手工焊返修工艺评定。

（2）手工返修的实施时机是：在根部焊道内存在超标缺陷，在焊缝最终焊接结束后在管道内部进行手工补焊和当选用自动焊工艺补焊将使该焊缝重新进行焊接并重新检验时的补焊。由于此工艺较为成熟，便于局部返修，因此自动焊焊缝如果是局部出现缺陷，采用手工焊返修是一种比较简单易行的方法。

3 主管道焊缝返修的工程应用

在已成功实施自动焊的工艺试验中，检验出的缺陷或显示通过自动焊或手工焊返修工艺返修后，返修焊缝检验结果满足标准要求合格，如：工艺试验的焊口在进行15 mm探伤底片评定时发现一处长度

6 mm未熔合显示，判定不合格，缺陷见图3。根据缺陷位置，决定采用手工焊进行返修，从内部进行挖槽去除缺陷。返修完成进行相关的无损检验，全部合格。

图3 缺陷分部图

4 主管道焊缝返修研究的结论

通过对自动焊焊缝返修的研究及工程应用，得出目前自动焊焊缝的返修有两种方法：自动焊返修和手工焊返修。两种返修方案返修结果均能满足标准要求。自动焊返修能够大大减小劳动人员投入，但是其开槽要求精度高，不能进行局部返修，主要使用于大面积的缺陷的返修以及焊接过程中焊缝表面出现的缺陷的修补。手工焊返修能够进行局部修补，操作简单，但是需要投入大量的劳动力。所以在现场需根据缺陷的大小以及位置，灵活选用其返修方法。

自动焊和手工焊返修填补了国内现场自动焊接头返修的空白，为自动焊在实际工程中的实施应用打下了坚实的基础。