核电站ASP水箱制作防变形控制措施*

周天启，王 康，王 雄，郭公斌

(中国建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概况

核电站ASP水箱主要由箱体、连通管嘴(上、下部)、顶部包边和肋板(纵肋、横肋)组成。模块箱体尺寸约为8 250mm(外弧长)×7 350mm(内弧长)×2 850mm(宽度)×6 900mm(高度)×6mm(厚度)，箱体四周侧壁焊接的纵、横肋为└75×50×6，底部焊接的径向肋为[75×50×6(见图1)。单模块重约11t，材质为022Cr19Ni10不锈钢。

图1 ASP水箱模块结构示意

该水箱箱体呈弧形，尺寸大、壁薄、单条焊缝长、焊接收缩量大，且箱体上还有大量加强筋需焊接，易导致不可预见的收缩。水箱边角采用包边、包角设计，部分包边为弧形，在弧形包边及弧形角钢成型过程中易产生加工误差，导致箱体整体尺寸发生变化。制造厂按常规技术方案制造ASP水箱时，出现极严重的焊接变形和结构变形问题。

2 焊接变形的影响因素

2.1 热输入量对焊接变形的影响

焊接过程中，受局部高温热源影响，焊缝区被急剧加热，出现局部熔化。该区域材料被加热，使焊接区扩展，而周围温度相对于较低区域对焊接区产生约束，从而产生弹性热应力，材料屈服应力极限在温度升高后急剧下降，导致热弹性应力超过屈服极限，形成热压缩。冷却过程中，焊缝区域收缩受不均匀温度场影响，产生不均匀收缩变形，焊接区承受拉伸残余应力，相邻区域承受压缩残余应力。

焊件冷却后，由于温度场分布不均匀导致在焊缝及其附近形成拉应力，远离焊缝区域形成压应力，由于薄板材料本身承受的临界失稳应力较小，因此极易产生变形(见图2)。

图2 焊接变形示意

2.2 焊缝尺寸对焊接变形的影响

焊缝尺寸与焊件挠曲变形具有密不可分的关系，薄板纵向上的挠曲变形和整体纵向收缩应力存在一定函数关系。ASP水箱对接单条焊缝最长为8.5m，采用合适的焊接工艺控制焊接变形至关重要。

2.3 焊件装配对焊接变形的影响

焊接装配时应选择合适的装配顺序和装配间隙，避免在总构件内引起多余的装配应力。由于在不同装配阶段，装配体总刚度和重心位置发生改变，导致装配后焊件内存在不该有的应力。

3 控制焊接变形的工艺措施

3.1 优化焊接工艺

箱体由6mm厚不锈钢板制作而成，全熔透焊缝长约170m，若全部使用常规焊接方式，焊接变形量较大。为减小箱体变形，采用以下焊接工艺：①pwps-075 将6mm厚022Cr19Ni10不锈钢板V形坡口对接TIG自动焊PF位置(手工焊打底+自动焊填充盖面)；②pwps-076 将6mm厚022Cr19Ni10不锈钢板V形坡口拼板机对接TIG自动焊PA位置。热丝TIG自动焊机、拼板机对接自动焊机的应用，对控制水箱焊接变形起重要作用(见图3)。

图3 自动焊机

热丝TIG自动焊机主要由激光视觉检测系统、智能控制系统、数据通信及控制系统、焊接小车、焊接电源和摆动送丝机构组成。

热丝TIG自动焊机拥有15 000Hz的超级脉冲，使电弧更精密、更聚弧、功率强度更密集，能加大均匀熔深，减少热影响区域，加大电弧压力。摆动焊接技术拥有配合机械传动的摆动参数，能均匀融合焊缝两侧母材。热丝技术在不提高热输入的条件下，可提高焊接熔敷速度，增加焊丝熔化速度。相比于手工焊，能减小热影响区，减少焊接热输入量。

拼板对接自动焊机由焊接主机和控制系统组成，焊接主机和控制系统间通过线缆连接成整体。焊接主机主要由主机架、琴键式液压夹具、铜衬垫部件、焊接小车、焊枪调整机构、上下料平台、气动对中机构、工件输送装置、气路系统等组成。

拼板对接自动焊机夹具采用铜材质，可避免不锈钢板材与碳钢接触发生渗碳腐蚀，并通过铜压板固定防止变形，能很快传递、带走焊接过程中产生的热量，避免由于焊缝区域温度场过高导致的结构变形。自动焊接设备的焊接速度为人工焊接的3～5倍，能有效减少热输入量。

3.2 固定工装

在自动焊技术应用的前提下，为进一步控制变形，采用刚性约束工装控制焊接过程中产生的变形(见图4)。

图4 支撑工装及配重块

整体组装时，采用箱体内部支撑工装、焊缝区域弧形切合马板及组对工装的方式控制焊接过程中产生的变形。内部支撑及转角防变形工装如图5所示。

图5 内部支撑及转角防变形工装实物

3.3 优化装配顺序

ASP水箱箱体主要由前(后)侧板、左(右)侧板、底板、上(下)部连通管嘴、横(纵)肋、底肋组成。按常规做法，整体箱体(侧板、底板)组装焊接完成后再焊接横(纵)肋及底肋，最后焊接上下连通管嘴。

为保证水箱尺寸、控制变形，应将各分块板组装焊接后再拼装成箱体进行焊接，流程如下：将模块前侧板、模块左右侧板、模块后侧板、模块底侧板进行拼焊→无损检测各分块板→焊接各分块板角钢肋→模块整体拼焊→检查校正→无损检测→对各分块板连接处角钢、底侧板槽钢肋进行拼焊→连通管嘴开孔→连通管嘴与箱体拼焊→尺寸检查→清洁表面→加设模块内部防变形支撑。

4 具体施工工艺

4.1 模块底板制作

拼板机焊接与人工氩弧焊相比，能更好地减少焊接变形，在保证质量的前提下焊接速度比人工快，提高施工效率，6 500mm宽度以下的焊缝都可使用拼板机焊接。根据原材尺寸及转换图，底侧板拼缝全部使用拼板机焊接。底侧板由5块板拼接而成，限于每块分块板两端都有弧形，为保证整体拼装尺寸，每块板各留2～4mm余量，为保证坡口平直，采用坡口机处理坡口。底侧板焊接拼缝时，两侧由拼板机自有液压装置进行压制，防止变形，根据正式焊接前的大量练习得出数据，当焊缝长约3m时，组对间隙调整为前4mm、后6mm，另外设置适用于拼板机的易于拆卸的马板进行点固，防止焊接时间隙过大收缩，马板间隔400～500mm，随着枪头移动逐步拆除马板。各分块板下料及组对尺寸如表1所示。各分块板组对间隙及焊接后收缩量如表2所示。

表1 各分块板下料及组对尺寸(模块底板) mm

表2 各分块板组对间隙及焊接后收缩量(模块底板)

4.2 模块前侧板制作

前侧板弧长8 625mm、高6 850mm，因板材尺寸受限，由8块分块板拼焊而成，共4条竖缝、3条环向长焊缝。8块分块板两边带折弯边，折弯边预留余量10mm，待前侧板拼装后、箱体拼装前进行处理，各分块板长度方向每块板预留余量2～3mm；环向焊缝焊接时无须单独留出各分块板宽度余量，只需在前侧板两边留出余量，待前侧板整体拼焊完成后进行处理。受水平托架焊接空间限制影响，为提高效率，创造有利的焊接环境，在焊接平台架上拼装前侧板。每条焊缝组对后，为减少焊接变形，上下用马板固定，马板间距约700mm，竖向与环向拼接焊缝组对间隙均为4mm。各分块板组对并用马板固定后，在预留出焊接空间的前提下紧靠马板叠放压板及混凝土配重块。前侧板组焊顺序及工装形式如图6所示。各分块板下料及组对尺寸如表3所示。各分块板组对间隙及焊接后的收缩量如表4所示。

图6 前侧板拼板组装焊接顺序

表3 各分块板下料及组对尺寸(前侧板) mm

表4 各分块板组对间隙及焊接后收缩量(前侧板)

前侧板在焊接平台上整体拼装焊接后，吊运至水平托架上，以调整弧度，保证前侧板与托架胎模弧度一致，调整后在其上均匀压配重，并组对焊接前侧板的角钢肋。

4.3 模块后侧板制作

后侧板弧长7 366mm、高6 850mm，由4块分块板拼接而成。每块分块板两端都有折弯边，下料时，每块板的尺寸偏差尽量保持一致，以保证分块板组对时两边折弯处对齐。折弯时，折弯边预留余量10mm，在宽度方向上，将余量放在最后一块分块板上，预留余量≥10mm，箱体最终组对焊接后切割余量。各分块板组对间隙起点处为3mm，终点处为5mm。为防止焊接每道焊缝时产生热变形和收缩，固定焊缝正面及背面点焊马板，间距约700mm，焊缝两侧各压3块配重块，总重约6t。后侧板拼板焊接由手工氩弧打底，热丝TIG自动焊机进行填充、盖面，焊接各分块板时，中间焊缝作为第1道焊缝，从一端到另一端开始焊接，两边焊缝起始点与第1条焊缝方向相反。后侧板整体焊接后，被吊运至存放架上调整弧度，然后压配重，组对焊接后侧板角钢肋。后侧板拼板焊接顺序及焊接方向如图7所示。后侧板各分块板下料及组对尺寸如表5所示。后侧分块板组对间隙及焊后收缩量如表6所示。

图7 后侧板拼板焊接顺序及焊接方向

表5 各分块板下料及组对尺寸(后侧板) mm

表6 各分块板组对间隙及焊接后收缩量(后侧板)

4.4 模块左、右侧板制作

左、右侧板由尺寸为2 000mm×6 850mm和605mm×6 850mm的分块板拼接而成，焊接采用手工氩弧打底、填充、盖面。每块板在长度方向上各预留10mm余量，分块板605mm宽度方向预留余量≥10mm。组对时调整4mm间隙，固定马板，间距700mm，焊缝两边压配重后开始焊接左、右侧板，组对焊接角钢肋。BB-20，BB-20a构件理论下料尺寸分别为6 850mm×2 000mm，6 850mm×604mm，组对前尺寸分别为6 860mm×2 002mm，6 860mm×664mm。各分块板下料及组对尺寸如表7所示。

表7 各分块板下料及组对尺寸(左、右侧板)

4.5 箱体组装

各分块板焊接后，切割组对边余量，将前侧板、后侧板、底板和左、右侧板根据图纸理论尺寸，预留余量2～5mm进行切割，待清理干净坡口表面，无油脂、磨屑、锈垢等污物后，在没有任何影响焊缝质量的条件下组对，组对时间隙控制在4mm左右，使用工装马板进行点焊固定，组对错边量满足公差要求。组对工装马板如图8所示。

图8 组对工装马板

根据图纸理论尺寸，切割前侧板折弯边并预留3mm余量，与左、右侧板分别进行组装、加工装马板点焊，然后组对底板与前侧板。箱体组装时，左、右侧板及底板需竖立放置，故在3个板内侧点焊槽钢框，以增加侧板刚度、减少焊接变形。固定左、右侧板与底板后，以底板、左右侧板及内部支撑为基础安装后侧板，并点焊工装固定。底板与前、后侧板通过包边进行连接，底板(含包边)共6条焊缝，底板在整个箱体焊接过程中焊接量最大，为防止底板在箱体焊接时变形，在底板两侧加防变形的工装。模块后侧板最后与箱体进行组装、加固。

调校、验证拼装后的整体水箱尺寸，满足要求后焊接箱体。采用手工氩弧焊，优先焊接箱体下部1圈焊缝，自下而上将箱体整体打底焊接，然后填充、盖面。水箱本体对接焊缝焊接并检测合格后，组装焊接底侧板槽钢加劲肋及各侧板连接处角钢肋。

5 结语

通过上述技术措施，箱体整体尺寸变形量偏差控制在0～10mm，小于设计要求的允许尺寸偏差，解决由于水箱制作偏差过大导致的不合格问题(见表8)。

表8 箱体整体尺寸变形量偏差值 mm

核电站ASP水箱制作充分借鉴其他施工经验及技术基础，结合相关国家及行业规范，针对已知问题和可能存在的不足之处，全方面对制作工艺进行探索、改进、优化、固化，形成完善的技术体系，在后续施工中更好地满足建造要求，为相关领域或相同情况下ASP水箱制作提供指导和借鉴。