核电不锈钢焊接变形预防技术措施

杨建华

摘 要：防止、控制焊接变形是保证焊接质量的一项十分重要的课题，尤其是不锈钢管道焊接接管座，因其壁厚存在一定的超差，內应力较大，导致母管管体在接管座区域凹陷，严重影响整体质量；常规的变形预防措施是控制施焊速度，防止焊接温度过高而变形，但该方法难以控制，且施工效率大打折扣，采用管道内部布设支撑架或者外部夹板固定方法解决了变形预防难题，提高了施工效率。

关键词：不锈钢焊接；变形；支撑架；施工效率

前言

随着社会的发展，安全需求是人们生活中最起码的底线，人们对制造行业的质量要求日益提高，特别是核电领域，施工过程质量控制更是严格执行，不锈钢焊接变形预防用常规的焊接方法已经无法满足人们的基本要求，如何确保焊接质量，又保证施工效率？经过实践，采用管道内部布设支撑架或者外部夹板固定方法攻克了这一难题。

1 核电站不锈钢管道接管座焊接常规方法

水汽运行时因路径改变会带来更强大的冲击力，所以设计院在考虑汽水管道需要旁路分支时，弯头或者三通分支处壁厚均大于母管壁厚，以便系统安全正常运行。如台山核电常规岛除盐水分配系统管道设计为不锈钢，其分支、旁路设计采用了大量的接管座，管道设计为Pipe seamless.ASME B36.19M，DN150 sch-10s A312 TP304L 168.3×3.4，而接管座设计为Sockolet reduced weight type SW.MSS SP97，DN150×20 CL3000 A182 F304L，该接管座壁厚厚度达6mm，与母管管体厚度存在一定的超差。

不锈钢管座焊接均采用全氩焊接方法，要求打底根部焊透，依次逐层填充，填充完坡口后还要填盖出一定角度的加强面；常规管座焊接方法如图1、2。

由于不锈钢升温快，受热容易变软，容易拉伸延展，管座焊接坡口填充金属量较大，连续依次填充会使温度上升极快，角焊缝间冷却收缩变形会更大，因为接管座壁厚大于母管壁厚，导致不锈钢母管强度不如接管座，焊接过程接管座会基本保持不变，强大的冷却收缩力与应力将会使管道呈塌陷状的变形；所以在施工过程中，针对该类型的接管座焊接时，为了控制变形，只能通过控制施焊速度，控制层间温度，尽量多层焊接，减少热量输入，以达到焊接变形预防的目的。但是此焊接方式焊接变形控制难度高，且为了降低温度，控制热量输入，而控制施焊速度，甚至出现等待温度下降的情况，施工效率非常低。

2 不锈钢接管座焊接焊道顺序改变法

不锈钢接管座焊接按照正常施焊层焊道顺序焊接会产生较大的应力，变形较大，主要是因为接管座壁厚大于母管壁厚，应力收缩后，母管的抗拉力无法与接管座的抗拉力匹配而导致的接管座处凹陷变形，如通过改变焊道顺序，使得热量输入偏向于接管座侧，进而改变应力分配，将使得接管座与母管应力平衡，而起到缓解变形的作用。

不锈钢接管座焊接焊道顺序改变具体操作方法是让填充金属尽量先熔敷在节管座一侧，而不按照正常施焊焊道顺序（如图3），这样的好处是让管座与管道暂时不熔敷在一起，收缩应力偏向于接管座侧，应力不会使管道和节管座持续收缩，把填充的金属依附在强度较大的管座上，最后再完善母管侧的施焊，减少了总热量输入量，建立新的应力平衡，起到了控制变形的作用，基本控制方式及要求如下：

（1）不锈钢接管座焊接时改变焊道顺序，先对管座侧进行施焊，再对母管侧进行施焊。

（2）接管座为V型坡口，在尽量满足接管座侧优先施焊的前提下，需要考虑接管座与母管连接处后续的熔敷金属能进焊道层。

（3）严格控制焊道层厚度，焊道层越薄，输入的热量及产生的收缩应力会越小，对变形的控制也越有利。

（4）携带红外测温仪在施焊过程中对层间温度进行实时监控，一旦发现温度超标，适当等待。

（5）安排施工时，考虑单个焊工同时对两个不锈钢接管座进行焊接，错开施焊，控制热量输入。

此方法的弊端在于施焊人员无法正常评判施焊速度是否影响层间温度过高，是否会在冷却后凹陷，而只能焊焊停停，避免温度过高而变形，施工效率大打折扣。DN20的不锈钢接管座一天仅焊接3至4个，还无法保证是否需要重新校正。

3 支撑架法及外部夹板固定法

管道校正分冷校、热校，其原理是冷态或者热态情况下，通过外力对管道进行校正，不锈钢管道接管座焊接变形预防措施也正是在此基础上孕育而生，通过支撑架或者外部夹板固定方式，外力控制施焊过程应力收缩，以达到控制变形的效果。

支撑架法是采用管道内部布设支撑架，在接管座施焊前即布置在管道内部，接管座正下方，类似于千斤顶的作用，外力控制施焊过程应力收缩，防止凹陷，以此控制焊接变形，如图4。

但该方法是在母管管径较大，且接管座距离管口较近的情况下方可执行。

外部夹板固定法，是在上述方法的局限情况下进一步改进产生的，采用外部夹板与接管座点焊固定，夹板另一端顶住不锈钢母管管体，外力防止接管座凹陷，以此控制焊接变形，如图5。

此方法规避了支撑架无法放进管道内部的问题，在任何情况下均可采用此方法。

经过大量实践证明，上述两种方法实施于不锈钢接管座焊接施工中，不锈钢母管及接管座几乎无变形、凹陷的情况，通过外力控制应力收缩，弥补消化焊道层间温度过高引起的应力，从而在不用刻意控制施焊速度的情况下预防焊接变形，提高了施工工效。

该良好实践实施之后，保证了工艺质量要求同时也省去了因严重变形需更换焊件而造成的人员机具材料的浪费，既省时又省力，且制作简单，具有良好的应用推广价值。

4 推广前景及建议

结合改变焊道施焊顺序，采取支撑架法或外部夹板固定法，经过大量的实践证明，该方法解决了不锈钢焊接变形预防的难题，在确保焊接施工工艺及质量要求的前提下，又能省时省力，提高施工效率，具备推广的价值和意义，可广泛地应用于电站、石化等领域的管道施工中。但该装置仅为台山核电施工人员手工制作，暂未批量生产专用工具，如夹板固定法中的夹板与接管座连接处，可以设计为螺纹顶丝，可以随意调整距离，以便在接管座高度不同时使用。

参考文献

[1]DL/T 1117-2009.核电厂常规岛焊接工艺评定规程[S].

[2]DL/T 1118-2009.核电厂常规岛焊接技术规程[S].

[3]DL5031-2012.电力建设施工及验收技术规范（管道篇）[S].

[4]GB/T14976-2012.流体输送用不锈钢无缝钢管[S].