穹顶弧形结构成型及焊接质量控制

冯长源 刘文华

中核工程咨询有限公司 北京 100048

1 简介

穹顶由上部球缺和下部圆环带两部分组成，上部球缺内半径R内径=25000mm，下部圆环带内半径R内径=6000mm，下口内直径Φ内径=38000mm，全高H=11150mm。钢衬里穹顶为双曲面壳体结构，由5mm厚钢板及焊接在其外侧的角钢肋组成。整个穹顶钢衬里板分成五层，其中圆环带部分为最下一层。

2 穹顶制作工艺及质控难点

穹顶在车间分层分块预制成108个分快板，分快板预制完成后在现场1至3层二次拼接成42块，然后整体焊接拼装。穹顶分快板车间预制，分快板首先经过卷板机卷制→上胎膜制作→径向及环向角钢焊接→弧度矫正；车间完成后穹顶开始现场制作，分快板二次拼接→整体拼装焊接→第一层立缝焊接→第一层伸缩缝焊接→第一层连接角钢焊接→第一二层环缝焊接。

穹顶制作过程中，主要有三大质控难点需要重点控制：第一，穹顶是双曲面弧形结构，径向及环向曲率半径相差大，弧度难控制；第二，穹顶所用钢板薄，焊接量大，焊接过程容易变形；第三，穹顶钢结构丁字焊缝多，应力集中，丁字缝区域焊缝容易开裂。

3 穹顶制作过程质量控制

3.1 穹顶弧形结构弧度控制

穹顶共分成5层车间预制，相比第二至第五层，穹顶第一层双曲面结构的径向曲率半径为R=6m，而环向平均曲率半径为R=19m，径向和环向曲率半径相差大，所以穹顶弧形结构的弧度成型成为质控重点。

（1）穹顶弧度控制要求。穹顶球面弧度要求：穹顶球瓣成型后，用弦长3m的样板检查，最大间隙不能超过6mm,局部凹凸不得大于3mm，周边不允许有褶皱。

（2）影响弧度控制的因素。由于穹顶第一层分快板为双曲面结构，为了提高弧度控制精度，首先分快板下料切割后需经过卷板机卷制，卷制完成后分快板上胎膜制作，因此卷板机及胎膜对穹顶分块板的弧度影响最大；第二，分块板背部角钢紧贴穹顶壁板，角钢的弧度尺寸对穹顶分快板的弧度有直接影响。

（3）具体控制措施。

①卷板机工装尺寸决定卷制效果，应先采用模拟试件对卷板机工装不断进行调整，直到卷制的双曲面弧度符合要求，然后再开始正式的分块板的卷制。

②控制胎膜的弧度，分块板最终在胎膜上进行加工，因此应仔细检查胎膜尺寸，用3m的样板分别对胎膜上的径向及环向角钢检查，观察样板与胎膜角钢是否存在间隙，间隙超过6mm时需要对胎膜进行调整。

③最终弧度尺寸检查，监理人员应使用标定的样板尺在分块板上分别对径向和环向弧度进行检查，尽量选取背部纵向和环向角钢交叉的部位多次进行弧度检查，间隙不能大于6mm。

3.2 焊接变形及质量控制

（1）焊接变形产生的原因。

①分块板外侧主要由角钢及加劲肋组成，在交叉部位拘束度过大，平角焊缝与立缝焊缝集中，焊接停留时间过长，受热集中，因此焊接后产生变形，导致内部凸起，产生鼓包变形。

②由于穹顶每个单元板面积较大，现场环缝及立缝较长，组对拼装困难，且穹顶的立缝、纵缝为全熔透焊缝，钢板厚度为5mm，焊接过程易引起角变形。

（2）事前预控。重点关注：焊接工艺评定已经完成；焊工应按HAF603的相关规定取得相应资格；无损检验人员应按HAF602规定取得检测资质；焊机、检验器具、圆弧靠板的使用应在标定有效期内。

（3）事中控制。穹顶焊接采用焊条电弧焊焊接，从合理安排焊接顺序、选用合适的焊接工艺、工装固定方面控制焊接变形，具体包括以下几方面：

①先焊接径向角钢，再焊接环向角钢，焊接采用从角钢肋十字交叉处往两边分布跳焊，角钢肋在组对时增加十字交叉区域焊缝的组对点，从而减少正式焊接时该区域的受热时间。

②在立缝焊接前，可采取增设防变形圆弧靠板的刚性固定法进行控制，沿分块板拼接缝长度方向每间隔700-800mm设置一块厚度t≥5mm的圆弧靠板，靠板的弧度根据分块板的不同而不同。

（4）事后控制。

①采用机械矫正加火焰烘烤对超标变形进行控制。

②穹顶钢衬里对接焊缝真空盒密封检验100%，液体渗透100%，焊缝交叉处射线检验100%，通过实时跟踪焊工一次拍片合格率可及时了解焊工技能水平状态，减少后续焊接缺陷的发生。

3.3 丁字焊缝焊接质量控制

丁字焊缝是整个穹顶焊缝质量的薄弱部位，在该丁字焊缝区域，焊接裂纹倾向增大，从而会增大焊缝开裂的可能性，应重点控制丁字焊缝的焊接质量。

（1）原因分析。

①在丁字焊缝区域，纵向与环向焊缝交接，焊缝承受更大的拉伸和塑性变形，消耗了材料的塑形，增大了刚性，焊接裂纹倾向增大，导致焊缝开裂可能性增大。

②丁字焊缝接头形式导致焊缝区域经历两次焊接热循环，接头热影响区产生脆性组织，冷却过程中产生应力集中，焊缝性能下降。

（2）控制措施。

①选择合理的焊接顺序。丁字口区域焊接顺序应先焊接立向焊缝然后分段焊接环缝，在丁字口区域外侧焊接完成后，再进行环缝整体焊接。

②焊接过程中，填充层焊接完成后，冷却过程中通过锤击焊道，从而降低接头焊接残余应力，减少变形，间接的提高了焊缝质量。

③焊缝坡口打磨圆滑，保证焊接熔池当中的熔敷金属充分熔合。

4 应用效果及总结

丁字接头焊缝焊接时需控制焊接顺序，按照先立缝再环缝，严格控制组对错边量，并且锤击填充层焊道降低内应力，从而有助于提高焊接质量。

现场穹顶拼装完成后的下口周长实际测量误差为14mm,低于理论误差50mm要求，说明通过合理的质控方法可以确保穹顶弧形结构质量满足要求。