AP1000核电CA20模块焊接及变形质量控制

AP1000核电CA20模块焊接及变形质量控制

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中核工程咨询有限公司北京市100000

摘要：从CA20结构模块的焊接方法、焊接顺序、焊接变形控制、焊接施工过程控制等方面阐述CA20结构模块的焊接施工，提高CA20焊接施工效率和焊接质量，控制CA结构模块的整体尺寸偏差和焊接变形。详细论述并介绍了AP1000核电CA20模块安装焊接施工过程及其要点，对今后其他AP1000核电CA20模块焊接安装具有一定的借鉴作用。

关键词：AP1000；CA20；自动焊；变形控制

1前言

CA20模块呈密封箱体结构，安装于辅助厂房5&6区，为辅助厂房主体结构，具备乏燃料的贮存、传输、热交换及废物收集等功能。模块外形尺寸约21m（长）×14m（宽）×21m（高），由71个子模块组成，其中包括32个墙体模块和39个楼板模块，组装结构总重约762吨。

CA20模块主要由碳钢板、A240-S32101双相不锈钢板、槽钢、角钢、栓钉等构成。CA20模块的墙体面板之间的焊接主要为全焊透对接带垫板焊缝，部分为槽焊和角焊缝；楼板模块安装在墙体间角钢梁支撑上。CA20模块组装焊缝总体工程量约为3500m，其中墙体组装焊缝约1320m，双相不锈钢焊缝长度约650m。

2焊接方法

2.1焊接方法介绍

CA20墙体子模块采用立式组装的方式进行施工，子模块间的焊缝为通长立缝，适合采用自动熔化极气体保护焊（喷射过渡方式）。对于通长立缝采用自动熔化极气体保护焊，其他焊缝优先采用自动熔化极气体保护焊，半自动熔化极气体保护焊不可达部位采用焊条电弧焊，钢筋焊接优先采用埋弧螺柱焊，栓钉采用螺柱焊。

为使自动气保焊在CA模块拼装过程中得到更好的应用，根据CA结构形式和施工工况，制作CA模块模拟件在现场进行焊接试验，验证自动焊的相关工艺参数在现场焊接时是否适宜，试验结果符合要求，自动焊技术在CA20模块拼装工程中得到大量应用。

（1）半自动熔化极气体保护焊：主要用于碳钢焊接，取代原有的焊条焊工艺，效率提高2-3倍，节省劳动力，由于带脉冲减少了焊接飞溅，降低了焊缝热输入。

（2）半自动药芯焊丝电弧焊：主要用于不锈钢焊接，由于AP1000乏燃料水池的不锈钢板较厚，为12.7mm，使用传统的钨极氩弧焊焊接速度会较慢，应用半自动药芯焊丝电弧焊可提高工作效率，保证焊缝外观质量，同时药芯焊丝的抗气孔能力较强，可提高无损合格率。

（3）自动焊：自动焊分为自动熔化极气体保护焊（脉冲焊）和自动药芯焊丝电弧焊，自动焊与半自动的区别在于使用摆动行走小车代替人手摆动焊接。优势在于降低焊工的劳动强度，可实现持续焊接和得到美观的焊缝。

3.焊接顺序

CA20模块焊接量大，焊接施工过程中容易产生变形。控制焊接变形应作为焊接施工的重要任务之一，为把焊接变形控制在合理范围内，除主要采用热输入量少的气保焊以外，还应采取合理的焊接顺序对焊接变形加以控制。

CA20采用立式拼装，墙体的立缝长度约为21m。分为碳钢立缝和不锈钢立缝，碳钢板为14mm板对接，不锈钢板为12.7mm板对接。若采用从下往上进行焊接，模块上口由于应力的作用收缩量会很大，导致整体尺寸上口偏小，为保证上下尺寸一致，有效控制变形，CA20焊接采用分段退焊的方式进行，如图4所示，对于半自动焊平均每0.6m退焊一次，对于自动焊为提高效率及考虑焊枪电缆长度限制的因素，平均每4m退焊一次。

CA20墙体模块中共有28个双层板模块，4个单板模块，对于双层板模块焊接时除采用分段退焊外，还应满足对称焊接，两面同时施焊，尽量保证相同的焊接速度。

由于焊缝收缩应力的影响，为防止相邻焊缝相互拉扯。子模块两端焊缝尽量将一侧焊缝焊接完成后再焊接另一侧焊缝，相邻的焊缝尽量不要同时施焊。

CA20焊缝收缩情况：碳钢为2-3mm，不锈钢为3-4mm。

4.焊接防变形措施

焊接过程中，由于焊接应力的作用，焊接完成后，模块整体会向焊缝处凹陷出现角变形，针对于这种情况，CA20模块采用预留反变形的方式。

双层板焊缝：焊接前根据模块变形经验，碳钢子模块预留6-8mm的反变形。采用千斤顶将焊缝区域顶出6-8mm，再用钢板加楔铁的方式进行固定。不锈钢子模块预留8-10mm的反变形，由于不锈钢背部有检漏槽无法采用钢板进行固定，所以用丝杠将检漏槽焊缝顶出8-10mm。

—对称焊缝

当墙板两侧焊缝对称时（如CA20-01与CA20-02对接焊缝），可直接用型钢进行防变形（为防止加固型钢坠落造成危险，需将型钢与墙板电焊固定）。

—不对称焊缝

当墙板两侧焊缝不对称时（如CA20-18与CA20-23），需在子模块内部角钢上焊接辅助支撑型钢，一侧利用型钢支撑焊缝，辅助支撑接近子模块钢板一侧利用楔铁进行加固。

—单板焊缝

当墙板仅为单块钢板时（如：CA20-71与CA20-72），需在子模块背部角钢上焊接辅助支撑型钢，再通过楔铁进行变型控制。同时为防止单板焊缝出现波浪变形，在焊缝边缘附近放置通长槽钢。

5.焊接施工过程控制

5.1组对要求

焊缝组对对于焊缝的焊接质量起着至关重要的作用。焊缝组对间隙均匀，焊工在焊接过程摆动均匀，焊缝成型美观，焊接速度基本相同，热输入基本相同，变形稳定。焊缝衬垫与母材紧密贴合，有利于根部熔合，减少未熔合和气孔的产生。

临时固定与调节采用龙门卡具，卡具及工装材质均为碳钢，与不锈钢接触位置增加不锈钢垫板进行隔离。组对间隙和错边满足要求后，进行定位焊，定位焊缝的长度为30～50mm，钢衬垫的定位焊宜在接头坡口内焊接，定位焊焊缝厚度不宜超过母材板厚的2/3，间距300～400mm。可根据现场实际情况，增加或减少定位焊长度、间距，定位焊的要求与正式焊缝相同。定位焊焊接完成后，将定位焊两端打磨成有坡度圆滑过渡。

5.2焊前组对及定位焊检查

CA20模块常出现的缺陷为错边，造成错边的原因基本上都是由于预留反变形时，两侧的母材顶出来的大小不一样，由于不锈钢是顶的背部检漏槽，所以不锈钢的反变形造成的错边要比碳钢的多。在焊前检查时，重点检查焊缝错边，尤其是在反变形受力的部位。

由于CA20立缝对于组对间隙有要求，间隙6～12mm，小于6mm，焊枪无法摆动不能进行焊接。大于12mm超出设计要求，需进行补焊。所以焊前应对间隙进行检查，对于小于6mm的情况，采用磨光机进行打磨扩缝，对于超过12mm的情况，采用堆焊的方式，堆焊时不可只进行一侧堆焊，这样会导致一侧应力集中焊缝变形，两侧都应进行堆焊，堆焊完成后打磨堆焊表面满足焊接要求后再正式焊接。

CA20的反变形是在组对完成之后进行，在用千斤顶预留反变形时可能会导致有些定位焊薄弱的区域裂开，所以在焊前需进行定位焊的检查，检查应逐个进行，若发现定位焊有开裂的情况，先离100mm左右补焊一个定位焊，再将原定位焊点去除。

5.3焊接施工

焊接过程中要严格执行工艺要求，重点是焊接热输入不要超过工艺范围。

焊接过程中焊工要加强自检，层间清理要彻底，若发现可控错边采用坡度圆滑过渡进行处理。

焊接过程中要注意焊丝的保护，防止受潮或者灰尘覆盖，以免影响焊接质量。

对于双道焊第二道焊缝焊接时要充分覆盖着第一道焊缝，至少覆盖住1/2，防止出现夹沟。

盖面时摆动速度不要太快，以防止焊缝中间低两边高，中间低于母材的情况发生。

5.4焊缝外观检查

焊工焊接完成后，务必对于本人焊接的焊缝进行自检，角焊缝检查焊脚是否满足要求，坡口焊缝检查焊缝错边，表面气孔，表面夹沟，咬边等缺陷。焊工检查完成后再有焊接班长和QC人员进行检查，最后再通知质检人员进行验收，现场应进行多次检查以保证焊接质量。

6结论

采用自动焊提高了模块整体的焊接速度和焊接质量，同时合理的焊接顺序和焊接变形控制措施可以有效控制CA20结构模块的焊接质量和整体尺寸。通过半自动焊和自动焊焊缝效果图的直观对比，可以明显看出自动焊焊缝纹路及成型效果比半自动焊好多了，建议在后续CA模块拼装过程中得到大量应用。

参考文献：

[1]《AP1000结构模块总说明》LDX-CA00-S9X-100A版

[2]《辅助厂房5、6区CA20模块总说明》1116XCA20JGS01G01