呂 琛,吳 佯,王 勁

(1.福建福清核電有限公司,福建 福清 350318;2.環(huán)境保護(hù)部華東核與輻射安全監(jiān)督站,上海 200233)

反應(yīng)堆冷卻劑管道 (簡稱主管道)是核電廠最重要的設(shè)備之一，是壓力容器、蒸汽發(fā)生器和反應(yīng)堆冷卻劑泵 (簡稱主泵)之間連接管道，是一回路壓力邊界的一部分。在壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵泵殼吊裝就位后，將主管道管段引入預(yù)定位置，通過焊接的方式將主管道管段與上述三大主設(shè)備連接成為一個整體，構(gòu)成反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主體。因此，主管道焊接是核電廠建設(shè)階段最重要的工作之一。

“華龍一號”示范工程福清核電站5號機(jī)組主管道焊接采用窄間隙氬弧脈沖自動焊焊接工藝，該工藝具有焊接效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)。由于是首堆示范工程，主管道焊接的相關(guān)準(zhǔn)備工作提前主管道焊接開始節(jié)點(diǎn)前一年啟動，在充分吸收福清核電1～4號機(jī)組主管道焊接經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從 “人、機(jī)、料、法、環(huán)”五個方面進(jìn)行了充分準(zhǔn)備，保證了 “華龍一號”示范工程主管道焊接開始節(jié)點(diǎn)順利實(shí)現(xiàn)。

1 “華龍一號”主管道簡介

“華龍一號”每臺機(jī)組共有三個環(huán)路，每個環(huán)路的反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵泵殼通過主管道熱段、主管道冷段和主管道過渡段連接，形成閉合環(huán)路。每個環(huán)路的主管道的冷段有2個焊口，熱段有2個焊口，過渡段有4個焊口，即每個環(huán)路共有8個焊口，三個環(huán)路共有24個焊口，焊口分布示意圖見圖1。

圖1 “華龍一號”主管道焊口分布示意圖Fig.1 Schematic of welded junctions of HPR1000 primary piping

“華龍一號”采用X2Cr NiMo18.12控氮不銹鋼材料整體鍛造制造主管道，彎頭和直管部分采用整體彎制，取消環(huán)焊縫，大的接管嘴采用整體鍛造方式，減少了焊縫數(shù)量，采用破前漏(Leakage Before Break，LBB)技術(shù)，防止發(fā)生雙端剪切斷裂事故，提高了安全性，將設(shè)計(jì)壽命延長到60年。[1]

2 “華龍一號”主管道焊接準(zhǔn)備

2.1 主管道焊機(jī)準(zhǔn)備

“華龍一號”示范工程主管道焊接使用的是加拿大Liburdi公司的GOLD TRACK-VI型的自動焊機(jī)。自動焊機(jī)分為機(jī)柜和機(jī)頭兩部分，圖2為 “華龍一號”主管道自動焊機(jī)。

圖2 “華龍一號”主管道自動焊機(jī)Fig.2 Automatic welding machine of HPR1000 primary piping

在主管道焊接開始前，焊接操作工依據(jù)焊接數(shù)據(jù)包，將焊接參數(shù)輸入焊機(jī)。在自動焊機(jī)的參數(shù)設(shè)置中，焊接前送氬氣時(shí)間、起弧時(shí)間、熄弧時(shí)間、滯后送氣時(shí)間、機(jī)頭連續(xù)行走速度、AVC模式、脈沖電流的類型等參數(shù)為焊接過程中的不變參數(shù)，焊接操作工設(shè)置好后在焊接過程中保持不變，無需再調(diào)整。焊接電流、焊接線性速度、焊絲速度、峰值電壓為焊接中的變參數(shù)，隨著焊縫深度和焊縫寬度的不同，焊接操作工按照焊接數(shù)據(jù)包中對應(yīng)的參數(shù)值輸入自動焊機(jī)，因此，每道焊縫焊接完成后，必須將焊縫收縮量、焊縫根部寬度、焊縫剩余深度進(jìn)行測量并記錄，為焊接操作工選擇下道焊縫焊接的參數(shù)提供依據(jù)。

在自動焊機(jī)機(jī)頭焊槍的前、后位置各有1個攝像頭，可以全程監(jiān)控鎢極位置及焊縫熔池的成形過程，焊接操作工通過控制系統(tǒng)精確調(diào)整鎢極在焊縫中的位置。焊接前準(zhǔn)備工作完成后，啟動焊接程序，充氬、起弧、焊接、熄弧、停止充氬等步驟均按照設(shè)定的程序自動進(jìn)行。在焊接過程中，一名焊接操作工位于焊機(jī)機(jī)柜位置，負(fù)責(zé)焊接參數(shù)輸入及對焊接過程進(jìn)行監(jiān)控，另一名焊接操作工位于焊機(jī)機(jī)頭位置，負(fù)責(zé)操縱機(jī)頭、觀察焊縫成型等工作。另外，為確保焊接氬氣供應(yīng)正常，再安排1名培訓(xùn)合格的氬氣流量監(jiān)控人員對高純氬氣瓶的氬氣流量進(jìn)行全程監(jiān)控。

主管道自動焊機(jī)的應(yīng)用，相比較傳統(tǒng)手工焊焊接工藝大幅減少了焊工技能水平、人員疲勞等因素對焊接質(zhì)量的影響，減少了焊工的工作量，縮短了焊接工期，焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

2.2 主管道焊接人員準(zhǔn)備

主管道焊工及焊接操作工的人員資質(zhì)應(yīng)滿足《HAF603民用核安全設(shè)備焊工焊接操作工資格管理規(guī)定》的相關(guān)要求，在焊接前必須經(jīng)過焊工考試，取得國家核安全局頒發(fā)的焊接操作工授權(quán)證書。考慮到主管道焊工考試報(bào)名、參加理論考試、實(shí)操考試、公示等流程需要較長時(shí)間，相關(guān)工作應(yīng)提前規(guī)劃和準(zhǔn)備。

根據(jù)自動焊機(jī)操作需求，并考慮到施工高峰期焊接操作工人力資源緊張，應(yīng)合理安排主管道焊接人員，“華龍一號”示范工程主管道焊接每個焊口安排2名焊接操作工，其中1人位于焊機(jī)機(jī)柜位置，另1人位于焊機(jī)機(jī)頭位置。通過對主管道焊接施工邏輯順序進(jìn)行分析，在主管道焊接高峰期，最多可能出現(xiàn)冷、熱段12道焊口同時(shí)具備焊接工作面的情況，此時(shí)應(yīng)需要24名焊接操作工。為保證主管道焊接施工進(jìn)度，且考慮到焊工休假、生病等各種情況，現(xiàn)場應(yīng)配備足夠數(shù)量的焊接操作工，建議不少于24人。此外，還需要配備若干名起重工、鉗工配合進(jìn)行主管道就位和組對，若干名無損檢測人員實(shí)施液體滲透檢測、射線檢測、超聲檢測等無損檢測工作，以保證主管道安裝、焊接的順利進(jìn)行。

2.3 主管道焊接工藝準(zhǔn)備

“華龍一號”主管道焊接采用窄間隙氬弧脈沖自動焊焊接工藝 (簡稱TOCE)[2]，該焊接工藝使用Liburdi GOLD TRACK-VI型自動焊機(jī)進(jìn)行焊接。在 “華龍一號”主管道焊接工藝評定規(guī)劃階段，充分考慮了現(xiàn)場施工過程中可能出現(xiàn)的各種情況，共制作了7項(xiàng)焊接工藝評定[3]，詳見表1所示。

表1 “華龍一號”主管道焊接工藝評定Table 1 Welding procedure qualification of HPR1000 primary piping

在主管道安裝階段，通過調(diào)整主管道位置，初步對焊口進(jìn)行組對，適當(dāng)移動主泵泵殼或蒸汽發(fā)生器位置 (此時(shí)主泵泵殼和蒸汽發(fā)生器未最終固定)，精確組對焊口，使主管道坡口組對間隙和內(nèi)徑內(nèi)錯邊量滿足TOCE工藝的要求，即坡口組對間隙0～1 mm(目標(biāo)值是0 mm)[4]，內(nèi)錯邊量≤1.5 mm，詳見圖3所示，此時(shí)使用TOCE工藝進(jìn)行主管道焊接[5]。

考慮到主設(shè)備管嘴制造精度公差和現(xiàn)場主設(shè)備安裝精度公差，主管道坡口組對間隙可能出現(xiàn)超出1 mm的情況，將無法使用TOCE工藝進(jìn)行主管道根部焊道的焊接。但是如果能夠控制組對間隙在1～4 mm范圍，就可以由焊工使用手工鎢極氬弧焊工藝 (TIG)先從焊縫背面進(jìn)行根部打底焊道的焊接，然后再由自動焊機(jī)使用TOCE工藝從焊縫正面進(jìn)行根部支撐焊道、填充焊道、填充末期焊道和蓋面焊道的焊接，即TIG+TOCE焊接工藝。

圖3 TOCE工藝坡口形式Fig.3 Welding groove of TOCE procedure

在主管道焊接時(shí)有可能出現(xiàn)焊接缺陷，因此必須考慮出現(xiàn)焊接缺陷后進(jìn)行返修的焊接工藝，主管道返修焊接工藝考慮了兩種情況:局部返修的焊接工藝評定和整圈返修的焊接工藝評定。

當(dāng)主管道整圈焊縫只有局部區(qū)域出現(xiàn)焊接缺陷時(shí)，例如主管道最終RT檢驗(yàn)結(jié)果顯示10張底片中有2張底片存在焊接缺陷，缺陷深度在50%厚度至100%厚度之間，此情況下沒有必要對整圈焊縫進(jìn)行打磨去除，只需要根據(jù)底片中缺陷位置的標(biāo)記，僅對缺陷位置進(jìn)行打磨，確定缺陷去除干凈后，由焊工使用手工電弧焊SMAW工藝進(jìn)行填充，即主管道SMAW手工返修焊接工藝評定。

當(dāng)主管道的整圈焊縫都出現(xiàn)焊接缺陷時(shí)，例如主管道50%厚度RT檢驗(yàn)結(jié)果顯示10張RT底片中有8張底片都存在焊接缺陷，缺陷深度在15 mm厚度至50%厚度之間，此情況下應(yīng)對焊縫整圈進(jìn)行打磨，確定缺陷去除干凈后，由自動焊機(jī)使用TOCE工藝進(jìn)行填充，根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，需制作一個TOCE工藝模擬補(bǔ)焊工藝評定。

“華龍一號”示范工程福清核電5號機(jī)組主管道焊接工藝評定工作前后歷時(shí)約一年，7項(xiàng)焊接工藝評定全面考慮了主管道焊接及返修過程中可能遇到的各種情況，能夠滿足主管道焊接和返修的焊接工藝需求。

2.4 主管道焊接材料準(zhǔn)備

“華龍一號”示范工程主管道窄間隙氬弧脈沖自動焊工藝 (TOCE)使用的焊接材料是ER316Lφ0.8 mm和ER316LSiφ1.0 mm兩種型號焊絲，焊絲為盤狀，使用時(shí)架設(shè)在焊機(jī)機(jī)頭位置，由機(jī)頭的送絲機(jī)構(gòu)按照設(shè)定的送絲速度自動送絲。其中ER316Lφ0.8 mm的焊絲用于根部焊道的焊接，ER316LSiφ1.0 mm的焊絲用于填充焊道、填充末期焊道和蓋面焊道的焊接，ER316LSi焊絲比ER316L焊絲的Si含量有所提高，可以在一定程度上增強(qiáng)熔池金屬的流動性，從而保證焊縫側(cè)壁充分熔合，兩種焊絲的化學(xué)成分見表2。

考慮到可能使用手工焊打底的TIG+TOCE焊接工藝，需準(zhǔn)備一定數(shù)量的ER316Lφ1.6 mm型號焊絲用于手工鎢極氬弧焊 (TIG)進(jìn)行根部打底焊道的焊接。主管道在使用手工電弧焊(SMAW)工藝進(jìn)行返修時(shí)，使用E316L-15 φ3.2 mm的焊條進(jìn)行焊道填充。“華龍一號”示范工程主管道焊接使用的焊接材料詳見表3所示。

表2 ER316L焊絲與ER316LSi焊絲的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Chemical composition of ER316L and ER316LSi wilding wires(m%) 單位:%

表3 “華龍一號”主管道焊接材料Table 3 Welding material of HPR1000 primary piping

2.5 主管道焊接施工環(huán)境

主管道焊接期間，核島廠房正處于安裝高峰期，設(shè)備、管道及支架的安裝、焊接施工集中，人員走動、材料搬運(yùn)、焊接煙塵等都會對主管道焊接產(chǎn)生影響，因此，有必要對主管道焊接區(qū)域進(jìn)行隔離，設(shè)置主管道焊接工作專區(qū)，避免對焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。

國內(nèi)在建或在運(yùn)核電廠均位于沿海一帶，常年空氣濕度較大，特別在梅雨季節(jié)空氣濕度可以達(dá)到95%以上，環(huán)境濕度過高可能導(dǎo)致主管道焊接時(shí)產(chǎn)生氣孔缺陷。因此，必須在主管道焊接工作區(qū)配備除濕機(jī)等除濕設(shè)備，并在每個主管道焊口1 m范圍內(nèi)設(shè)置溫濕度表，對環(huán)境濕度進(jìn)行監(jiān)控并定時(shí)記錄。

技術(shù)規(guī)格書規(guī)定:主管道焊接應(yīng)設(shè)置Ⅱ級工作區(qū)，焊接場所濕度不應(yīng)高于90%，環(huán)境溫度應(yīng)不低于-10℃，待焊件表面溫度應(yīng)不低于5℃?！叭A龍一號”示范工程在滿足技術(shù)規(guī)格書要求的基礎(chǔ)上，吸收福清核電1～4號機(jī)組主管道焊接經(jīng)驗(yàn)反饋，針對環(huán)境對焊接質(zhì)量的影響因素，優(yōu)化主管道焊接的施工環(huán)境，具體如下:

1)主管道焊接工作區(qū)與其他施工區(qū)域?qū)嵤?shí)體隔離，標(biāo)識工作區(qū)邊界，工作區(qū)出入口設(shè)置保安，人員進(jìn)入必須持專區(qū)出入證，進(jìn)入人員和攜帶物品工具必須進(jìn)行登記;

2)進(jìn)入工作區(qū)的人員應(yīng)穿干凈的工作服，必須穿鞋套進(jìn)入;

3)工作區(qū)地面鋪設(shè)地板革，墻面應(yīng)已完成油漆涂裝并保持清潔，混凝土墻面及鋼筋裸露處用防火布包裹，搭設(shè)腳手架頂棚并鋪設(shè)防火布，避免灰塵及異物從上方掉落。

4)每日清掃地面，保持地面和墻面干凈，主管道焊接期間避免周邊區(qū)域澆筑、打磨混凝土;

5)工作區(qū)設(shè)置除濕機(jī)、暖風(fēng)機(jī)，根據(jù)環(huán)境濕度情況必要時(shí)開啟除濕，使環(huán)境濕度保持在80%以下 (比技術(shù)規(guī)格書規(guī)定的90%濕度更嚴(yán)格);

6)在每個焊口1 m范圍內(nèi)懸掛溫濕度表，實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境溫濕度并記錄;

7)起弧開始焊接后，原則上不再允許人員進(jìn)入工作區(qū)，避免影響焊接操作工的注意力，在焊機(jī)熄弧停止焊接后人員才能進(jìn)入。

3 主管道焊接準(zhǔn)備與實(shí)施

“華龍一號”示范工程主管道管段于2017年11月2日引入反應(yīng)堆廠房主管道焊接房間。根據(jù)二級進(jìn)度計(jì)劃，主管道焊接開始時(shí)間為2017年12月9日。至12月3日，第一臺蒸汽發(fā)生器已吊裝就位，正在安裝垂直支撐，壓力容器因其保溫層未安裝完成影響尚未開始吊裝，第一臺主泵泵殼已到貨未開始吊裝。由于壓力容器未吊裝就位并最終固定，主管道冷、熱段已無法按計(jì)劃先開始焊接，但蒸汽發(fā)生器已吊裝就位，因此將主管道焊接順序調(diào)整為:先開始焊接和蒸汽發(fā)生器相連的主管道過渡段40°彎頭U1焊口，待3個環(huán)路的U1焊口焊接完成后再開始主管道冷、熱段的焊接，這一施工順序的調(diào)整通過現(xiàn)場設(shè)計(jì)變更申請單的形式進(jìn)行了確認(rèn)。

主管道焊接的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作提前二級進(jìn)度計(jì)劃中的主管道焊接開始節(jié)點(diǎn)約一年開始，包括焊接操作工考試、自動焊機(jī)調(diào)撥及維護(hù)保養(yǎng)、焊接材料驗(yàn)收試驗(yàn)、焊接工藝評定制作等各項(xiàng)準(zhǔn)備工作均在主管道焊接開始前的2017年12月3日完成了準(zhǔn)備，準(zhǔn)備情況詳見表4所示。

表4 “華龍一號”主管道焊接準(zhǔn)備情況Table 4 Welding preparation of HPR1000 primary piping

根據(jù)國家核安全監(jiān)管要求，主管道焊接前準(zhǔn)備情況必須經(jīng)過國家核安全監(jiān)管部門的檢查，核電廠業(yè)主單位在收到國家核安全監(jiān)管部門發(fā)出的批準(zhǔn)釋放主管道焊接控制點(diǎn)的文件之后，才能開始主管道焊接。2017年12月4日～6日，國家核安全監(jiān)管部門對 “華龍一號”示范工程主管道焊接前準(zhǔn)備情況進(jìn)行了檢查，12月12日正式發(fā)文批準(zhǔn)釋放主管道焊接控制點(diǎn)，12月13日主管道1U1焊口安裝和焊接的質(zhì)量計(jì)劃開啟，按照施工步驟依次完成了主管道坡口測量，焊接前液體滲透檢測、焊口組對、自動焊機(jī)架設(shè)和調(diào)試等工作。2017年12月24日，“華龍一號”示范工程主管道第一道焊口 (1U1焊口)起弧焊接，主管道焊接正式開始。

主管道焊接開始后，焊接進(jìn)展順利，焊接操作工通過培訓(xùn)取證、模擬件練習(xí)、經(jīng)驗(yàn)反饋學(xué)習(xí)，熟悉了焊機(jī)的操作，積累了較豐富的焊接經(jīng)驗(yàn)。自動焊機(jī)在使用前經(jīng)過廠家人員全面維修保養(yǎng)和軟件升級，性能穩(wěn)定可靠。福清核電1～4號機(jī)組主管道焊接的各項(xiàng)管理改進(jìn)，均固化至“華龍一號”主管道焊接管理程序，嚴(yán)格執(zhí)行。焊接操作的各個步驟，均通過規(guī)程逐項(xiàng)執(zhí)行、確認(rèn)。焊接工藝成熟可靠，充分考慮了可能出現(xiàn)的各種情況，其中TIG+TOCE焊接工藝從未在福清核電1～4號機(jī)組主管道焊接時(shí)使用過，但考慮到 “華龍一號”示范工程為全球首堆，仍然制作了該項(xiàng)工藝評定，同時(shí)制作了整圈自動焊補(bǔ)焊工藝評定和手工補(bǔ)焊工藝評定，可以覆蓋主管道焊接時(shí)可能出現(xiàn)的各種情況，確保工程進(jìn)度不受影響。

“華龍一號”示范工程主管道全部24道焊口于2018年7月14日焊接完成，射線檢測一次合格率99.03%，焊接工期共203天，相較于福清核電站1～4號機(jī)組主管道焊接工期最短，比同期建設(shè)的 “華龍一號”海外首堆巴基斯坦卡拉奇核電廠2號機(jī)組主管道焊接的208天工期短5天。

“華龍一號”示范工程主管道焊接前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作全面、細(xì)致、充分，有力推動了主管道焊接的順利實(shí)施。

4 結(jié)束語

“華龍一號”示范工程主管道焊接從 “人、機(jī)、料、法、環(huán)”五個方面進(jìn)行了全面、細(xì)致和充分的準(zhǔn)備，吸收了福清核電廠1～4號機(jī)組主管道焊接經(jīng)驗(yàn)反饋，考慮到了焊接過程中可能出現(xiàn)的各種不利情況，制作了相應(yīng)的焊接工藝評定，采取了預(yù)防和應(yīng)對措施，保證了主管道焊接順利開始和焊接過程的順利進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了較高的焊接一次合格率和較短的焊接工期，期間沒有發(fā)生一起因準(zhǔn)備工作不充分而導(dǎo)致的焊接缺陷或延誤工期問題，起到了 “華龍一號”示范工程的示范作用，為后續(xù) “華龍一號”項(xiàng)目主管道焊接準(zhǔn)備提供了參考和借鑒。