核电CA01 结构模块焊接变形控制

2020-02-15王了一孙国庆

设备管理与维修 2020年11期

王了一，孙国庆

（中核检修有限公司，上海 201100）

0 引言

在引进的第三代先进核电AP1000 非能动技术的基础上，我国通过再创新开发出具有我国自主知识产权、功率更大的非能动大型先进的CAP1400 型压水堆核电机组。CAP1400 堆型的建造全面采用模块法施工，模块化施工就是将核电机组的整体系统结构，包括部分土建结构，根据其组成特点，分解成若干个可以在工厂加工制造的分体结构，在现场进行组装、运输、吊装。其最大优点是可以通过减少在现场施工的工程量而缩短建造工期，同时由于模块在车间制造完成，可以更好地保证施工质量。

其中，CA01、CA20 模块是CAP1400 堆型中最重要且大型结构模块，安装位于核岛反应堆厂房和辅助厂房6 区。在该类大型结构模块现场拼装施工中，焊接工程量大，容易在焊接过程中造成模块变形，最终影响模块的整体外形尺寸，其组装质量的优劣对后续设备安装、调试存在直接影响。因此，分析焊接变形产生的原因并制定相应的焊接变形控制措施尤为重要。

1 结构模块介绍

结构模块作为厂房结构的一部分，包括墙、楼板等组合，主要分为CA、CB 等类。在现场主要参与的主要是CA 结构模块，CA 结构模块由钢板、各类型钢构成以及混凝土内灌形成电站结构的一个完整部分。

现场拼装的CA 结构模块有CA01～CA05，CA20，CA22 等，各结构模块都是使用子模块进行拼装，其中以CA01 和CA20子模块最多、重量最重。CA01 模块结构复杂，整体呈T 形，外形尺寸为长33.86 m、宽30.85 m、高26.10 m，总重约1117 t。CA01 模块安装就位于核岛反应堆厂房内，主要由Q345B、A240-S32101 两种材料构成，CA01 共有子模块47 个。

现场拼装将CA01 模块划分为8 个组合件，分别如下:

（1）1#组合件由6 个子模块拼装而成，整体尺寸7000×9480×26 000 mm，总重量共计280 486.9 kg。

（2）2#组合件由8 个子模块拼装而成，整体尺寸7000×9480×26 000 mm，总重量共计284 279.4 kg。

（3）3#组合件由8 个子模块拼装而成，整体尺寸12 688×7750×23 000 mm，总重量共计136 651.3 kg。

（4）4#组合件由5 个子模块拼装而成，整体尺寸13 940×2642×23 000 mm，总重量共计101 112.4 kg。

（5）5#组合件由4 个子模块拼装而成，整体尺寸13 940×2639×23 000 mm，总重量共计90 052.24 kg。

（6）6#组合件由6 个子模块拼装而成，整体尺寸10 400×3500×15 150 mm，总重量共计80 257.42 kg。

（7）7#组合件由5 个子模块拼装而成，整体尺寸11 960×7000×25 500 mm，总重量共计124 682.9 kg。

（8）8#组合件由3 个子模块拼装而成，整体尺寸8000×1000×14 300 mm，总重量共计23 452.1 kg。

CA01 模块焊缝焊接存在大量异种钢焊接，其母材厚度最小14 mm，单焊缝最长20 750 mm，设计总说明要求的平面度公差要求为当组装后的子模块单元支撑完毕且水平对齐后，检查墙模块外表面和楼板模块的平整度，其偏差应不大于13 mm。当直模板跨越焊缝时，平整度偏差应不大于19 mm。

2 CA01 结构模块施工难点分析

CA01 结构模块是一个多部件组合体，外形尺寸大，结构复杂，而且在现场露天组装成一个整体，施工过程中涉及运输、翻转、吊装、拼装、焊接等多个环节，施工难度较大，且主要集中在以下4 个方面:

（1）由于各大型结构模块的子模块从设备厂内预制、运输、吊装、翻转的过程中较容易出现板材局部变形（较薄仅14 mm）、产生累积误差，造成组装过程中错边量超出较薄板厚10%且不大于3 mm 的公差要求，进一步使板平整度存在偏差不满足≤13 mm、跨焊缝≤19 mm 要求的情况，导致其整体外形尺寸控制难度比较大，在子模块竖立后，组对边错口较大，不便于后续焊接进行。

（2）CA01 结构模块组装过程中涉及仰焊工艺/立焊工艺，此两种工艺焊工操作难度大。

（3）模块具有外形尺寸大，各组合件的结构复杂，整体焊接量大，且存在大量的异种钢焊接（在同一条焊缝包含3 种材料:碳钢与碳钢焊接、碳钢与双相不锈钢焊接、双相不锈钢与双相不锈钢焊接），各种钢材的焊接收缩量不同，其焊接变形控制难度较大，主要依据美国钢结构焊接规范AWS D1.1 和AWS D1.6焊接方法采用手工电弧焊（SMAW/HD）和螺柱焊（SW/HS），由于制造结构模块的钢材的种类、型号复杂，导致焊接工艺方式较多，模块组对焊接前技术人员要根据材料、规格和坡口形状制定相应的焊接工艺。

（4）CA01 结构模块的现场组装场地靠近海边，且是露天作业，风大而且空气潮湿，对焊接质量有着很大的影响。

3 CA01 结构模块焊接变形的形式及原因

CA01 结构模块焊接变形的原因是在焊接过程中的工件的局部受热和冷却受到周边冷金属的拘束，自由膨胀和收缩不规则，焊接残余应力残留在工件上，产生了变形。

CA01 结构模块现场焊接的主要特点为:存在不同材质异种钢（双相不锈钢与碳钢）焊接；不同板厚之间的焊接（δ=14 mm、δ=30 mm、δ=40 mm）；大量薄板（δ=14 mm）对接焊接；子模块、组合件质量及体积大焊前组对困难，在焊接过程中比较容易产生角变形和弯曲变形。

（1）角变形:不同材料之间的焊接，由于不同类型钢板之间力学性能的差异，焊缝收缩率会引起；不同厚度钢板之间的焊接，由于焊接截面形状上下不对称、焊缝的横向收缩分布不均匀引起。

（2）弯曲变形:由于待焊接钢板的焊缝布置不对称或不规则，造成焊缝端面形状的不对称，导致焊后发生弯曲。在结构模块焊接时因焊缝的纵向收缩不一致发生弯曲变形。

4 影响结构模块焊接变形的因素

导致结构模块焊接变形有很多因素，不同的因素对变形影响也不一样，必须采取有效的变形控制手短掌握其影响规律，否则未能达到预期的效果。

根据现场实际施工情况，主要影响因素有以下6 个:

（1）焊接热输入。一般情况下，焊接热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，将会增大接头塑性变形区，易产生角变形。

（2）焊接参数。参数涉及焊接电流、电弧电压及焊接速度等。线能量愈大，焊接变形愈大；焊接电流和电弧电压的增大导致会变形的增大，但随着焊接速度增大将会减小。

（3）焊缝截面积。焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积，焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大。

（4）工件的预热、层间温度。预热温度和层间温度越高，相当于热输入增大，使冷却速度减慢，收缩变形增大。

（5）结构的刚性。结构的刚性大小，主要在于结构的截面大小和其形状，刚性较小的结构，焊接变形大；刚性大的结构，焊后变形较小。

（6）装配和焊接顺序。由于焊接装配方式比较多，不同的装配方法会出现不用程度的变形，所以合理的装配顺序可以减小焊接变形。

5 CA01 结构模块焊接变形控制措施

在焊接前制定CA01 结构模块焊接的有效防变形措施，可以减少或降低焊接变形的发生，能节约焊接变形处理的时间成本和经济成本。

下面介绍国核示范工程项目部现场在进行CA01 大型结构模块拼接的焊接过程中针对两种变形形式（角变形、弯曲变形）所采取的焊接变形控制措施。

5.1 角变形控制方法

角变形是因焊缝横向收缩导致的，要对焊件进行反变形控制应采用合理的反变形工装及刚性固定等方法，使得焊接完成后的工件形量与反变形量大致抵消，以达到模块尺寸满足设计要求的目的。

（1）针对对称焊缝制作防变形工装。该工装结合防变形措施和刚性固定措施而制作。该工装应用先是在对称焊缝底端加焊垫铁，使用简易式螺旋支撑工装，将墙体两侧焊缝底部垫铁支撑，可根据现场实际情况调节。

（2）针对不对称防变形工装。该工装也是结合防变形措施和刚性固定措施而制作。该工装应用先是在对称焊缝底端加焊垫铁，使用槽钢制作成的龙门架和千斤顶，将焊缝底部垫铁支撑，可根据现场实际情况调节。

通过上述两种工装在反变形措施和刚性固定措施中的应用，可有效控制因焊接可能导致的角变形。

5.2 弯曲变形控制方法

CA01 结构模块是一个多部件组合体，存在长短不一的焊缝，最长焊缝达20 750 mm，易因焊缝纵向收缩造成弯曲变形，所以针对长短不一的焊缝也许需通过不同的措施来控制。

（1）针对长焊缝的变形，采取合理规划焊接工位及焊接顺序，每条纵缝按不同材料和规格分为若干个工位，每个工位由1 名焊工进行焊接，对于打底焊和后续的填充焊道采用分段退焊的方法，具体情况可以根据现场进行调整。

（2）针对短焊缝的变形，在焊接安排上不专门进行工位的划分和布设，但在实际施焊过程中根据焊缝长度均分若干段，安排多名焊工对称分段跳焊的方法。

通过上述对不同长度焊缝在焊接顺序上的控制，可有效的控制因焊接可能导致的弯曲变形。

5.3 其他控制方法

从影响焊接变形因素来考虑的话，以及现场施工实际情况，技术人员提供合适的焊接工艺和焊工注意焊接技巧和方法，也能起到控制好各类焊接变形的作用。

（1）在焊接前技术人员应将合适的焊接工艺数据单及技术要求向焊工及焊接记录员进行详细的技术交底。

（2）焊工根据自己的技能掌握情况，依据焊接工艺数据单合理选择焊接参数，并过程中控制好焊接速度；在焊接过程中，焊工应注意焊接技巧和方法，对于手工焊条电弧焊，焊工应采取窄焊道（摆动幅度不超过3 倍焊条直径），且尽量采用快速直线焊的方式进行焊接，热输入量低，导致各类变形也小。

（3）焊接记录员在焊接前检测焊缝预热温度，并在焊接过程中记录焊接参数、层间温度等，计算焊接热输入是否满足焊接工艺数据单。

6 数据收集

CA01 结构模块拼装完成后，使用全站仪对CA01 结构模块各个子模块垂直偏差进行测量，整个CA01 结构模块共47 个子模块，产生47 组数据，测量点的选择是以每个子模块底部约100 mm 为第一个测量点，然后约2.5 m 一个测量点。通过收集数据显示，CA01 结构模块各组合件拼装完成后的垂直偏差均满足要求。