房云龍， 馬曉鋒， 劉麗麗, 陳遠(yuǎn)庭, 武海燕

(中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司,北京101300)

0 前言

核聚變能源是未來理想能源，其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用從長遠(yuǎn)來看可從根本上徹底解決能源問題[1-2]。2020年7月28日，國際熱核聚變試驗堆(International thermonuclear experimental reactor,ITER)計劃正式邁入裝配階段[3-4]。目前，ITER現(xiàn)場正在開展下部杜瓦冷屏(Lower cryostat thermal shield,LCTS)的裝配工作，該部件作用是降低高溫部件對低溫超導(dǎo)磁體的熱輻射。LCTS冷屏管組 (Thermal shield manifolds,TSM)將氦氣分配到各處鍍銀面板，以降低冷屏環(huán)境溫度，是冷屏功能實現(xiàn)的重要途徑之一，其焊接和安裝質(zhì)量意義重大[5-6]。

自動焊近年來已經(jīng)發(fā)展為一種較為成熟工業(yè)焊接方法，在長輸管道、核工業(yè)、汽車、制藥工業(yè)等方面得到了應(yīng)用[7-10]。該方法通過計算機控制，可以存儲各種焊接參數(shù)并根據(jù)需要隨時調(diào)用，可以有效保證焊接質(zhì)量一致性，大幅降低勞動強度，改善焊接作業(yè)環(huán)境[11-12]?，F(xiàn)場結(jié)合項目實際情況，通過優(yōu)選焊接工藝，優(yōu)化施工邏輯，將自動焊技術(shù)成功應(yīng)用于TSM管組焊接作業(yè)，順利完成了安裝任務(wù)。

1 LCTS冷屏TSM管道簡介

LCTS冷屏上需要安裝6層直徑約20 m的TSM管路，分為TSM8,TSM7和TSM6 3組，每組均包含進氣環(huán)路和出氣環(huán)路，如圖1所示。每個TSM環(huán)路均有11道焊縫，焊縫距離冷屏距離分別為114 mm及51 mm，交替分布。TSM管路有2種規(guī)格，分別是φ60.3 mm×2.77 mm和φ73 mm×3.05 mm，材質(zhì)為304L奧氏體不銹鋼。

圖1 LCTS冷屏TSM管道布置圖

嚴(yán)苛的質(zhì)量要求使得應(yīng)用TIG自動焊技術(shù)的必要性十分突出，但龐大的管道環(huán)路、狹小的施焊空間等因素也給自動焊應(yīng)用造成了較大困難。特別是對于壁厚2.5 mm以上不銹鋼管道，自動焊方法一般選用帶有送絲機構(gòu)的填絲自動焊方法，但是該方法將占用更多空間，難以滿足現(xiàn)場需求[13]。

2 焊接工藝的準(zhǔn)備

為滿足焊接在質(zhì)量、外觀、清潔度等方面嚴(yán)苛的要求，并適應(yīng)現(xiàn)場狹小施工環(huán)境，項目初期確定了不使用焊絲而依靠電弧能量使管口熔化連接的自熔TIG自動焊焊接思路。在工藝評定階段，針對不同的管道規(guī)格，分別利用開放式機頭和封閉式機頭開發(fā)了兩套自熔焊接工藝，以備現(xiàn)場選用。

2.1 封閉式機頭φ60.3 mm×2.77 mm焊接工藝

針對φ60.3 mm×2.77 mm管道，文中開發(fā)了利用封閉式機頭進行自熔焊接的工藝，該管道焊接分為8個階段，具體焊接工藝參數(shù)見表1。封閉式機頭及焊接工藝評定試件照片(焊后表面未處理)如圖2所示。

圖2 封閉式機頭及φ60.3 mm×2.77 mm工藝評定試件

表1 封閉式機頭焊接φ60.3 mm×2.77 mm管道工藝參數(shù)

2.2 開放式機頭φ73 mm×3.05 mm焊接工藝

針對φ73 mm×3.05 mm管道，利用開放式機頭開發(fā)了自熔焊接工藝(圖3a)。管道焊接分為6個階段，具體參數(shù)見表2。焊接工藝評定試件照片如圖3b所示。

圖3 開放式機頭及φ73 mm×3.05 mm工藝評定試件

表2 開放式機頭焊接φ73 mm×3.05 mm管道工藝參數(shù)

3 工藝評定試驗結(jié)果及分析

按照ASME B31.3，ASME IX及歐盟壓力容器(Pressure equipment directive,PED )的要求，工藝評定檢驗項目包含理化和無損檢驗2類，其中無損檢驗含目視檢驗、液體滲透檢驗、射線檢驗；理化檢驗含宏觀金相、拉伸試驗和彎曲試驗[14-16]。

3.1 封閉式機頭φ60.3 mm×2.77 mm焊接工藝

目視檢驗、滲透檢驗及射線檢驗均未發(fā)現(xiàn)缺陷。宏觀金相檢驗如圖4所示；抗拉強度要求值490～690 MPa，試驗平均值547 MPa，斷裂位置為焊縫；面彎和背彎未發(fā)現(xiàn)缺陷。試驗結(jié)果證明焊接工藝滿足技術(shù)要求。

圖4 φ60.3 mm×2.77 mm工藝評定宏觀金相

3.2 開放式機頭φ73 mm×3.05 mm焊接工藝

目視檢驗、滲透檢驗及射線檢驗均未發(fā)現(xiàn)缺陷。宏觀檢驗如圖5所示；抗拉強度要求值515～690 MPa，試驗平均值563 MPa，斷裂位置為焊縫；面彎和背彎未發(fā)現(xiàn)缺陷。試驗結(jié)果證明焊接工藝滿足技術(shù)要求。

圖5 φ73 mm×3.05 mm工藝評定宏觀金相

3.3 熔透效果比較

通過對2種不同工藝焊縫宏觀金相進行比較可知，采用開放式機頭φ73 mm×3.05 mm焊接工藝所獲得焊縫焊道較寬且均勻，熔透效果要優(yōu)于封閉式機頭φ60.3 mm×2.77 mm焊接工藝。

4 現(xiàn)場焊接方法的選擇

在現(xiàn)場實施自動焊之前，基于工藝評定焊接參數(shù)，采用現(xiàn)場產(chǎn)品304L奧氏體不銹鋼管道余料進行了模擬試驗。模擬試驗結(jié)果顯示，因工藝評定管道與產(chǎn)品管道材質(zhì)在化學(xué)元素及熱處理方式上存在差異，現(xiàn)場焊接能量需要提高約10%。采用開放式機頭焊接φ73 mm×3.05 mm管道成形良好，但是采用封閉式機頭焊接的φ60.3 mm×2.77 mm成形不均勻，如圖6所示。為此，改用開放式機頭焊接φ60.3 mm×2.77 mm管道，焊縫成形如圖7所示。

圖6 采用封閉式機頭焊接φ60.3 mm×2.77 mm管道成形形貌

圖7 采用開放式機頭焊接φ60.3 mm×2.77 mm管道成形形貌

通過模擬試驗可知，封閉式機頭由于散熱性較差，在提高焊接能量時，焊接電流的增加存在較為突出的限制，焊縫外表面焊道成形不均勻，焊縫內(nèi)部熔透效果不佳，與宏觀金相結(jié)果相吻合；開放式機頭散熱效果好，模擬試驗較為成功。因此，現(xiàn)場選用了開放式機頭自熔式焊接方法，作為TSM產(chǎn)品管道的焊接工藝。

5 TSM管道自動焊現(xiàn)場及注意事項

5.1 TSM管道自動焊現(xiàn)場實施

現(xiàn)場焊接分為2個階段。首先將距離冷屏51 mm的焊縫在地面組對并實施自動焊，檢測合格后，將其吊裝至冷屏支撐，焊接距離冷屏114 mm的管道。TSM管道安裝自下而上進行，現(xiàn)場施工以及焊后照片如圖8所示。針對吊裝后在冷屏支撐上組裝焊接的部分，現(xiàn)場將整環(huán)TSM管道進行點焊固定后再實施自動焊，有效提升了工作效率。

圖8 TSM管道焊接施工及焊后照片

5.2 TSM管道自動焊焊縫無損檢驗情況

TSM管道焊接無損檢驗的基本標(biāo)準(zhǔn)要求是ASME B31.3，在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)場技術(shù)要求每條焊縫需經(jīng)100%目視檢驗、射線檢驗及氦檢漏檢驗。其中，氦檢漏檢驗前，需要對TSM管道焊縫進行-103 ℃的冷沖擊，然后再將本底信號降至10-10Pa·m3/s進行氦檢漏。無損檢驗的種類多，質(zhì)量控制要求高，但現(xiàn)場除一條焊口因內(nèi)凹未能合格外，其余焊縫質(zhì)量全部合格，無損檢驗一次合格率高達98.5%。

5.3 TSM管道自動焊技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用注意事項

管道支撐應(yīng)處于同一水平，且焊縫兩端管道應(yīng)保證水平度相同，以免管道上支管方位出現(xiàn)偏差。

管道I形坡口應(yīng)處理干凈，不應(yīng)有毛刺及不平整之處，而后采用丙酮或酒精進行清潔。

管道組對直接影響現(xiàn)場焊接質(zhì)量。管道組對應(yīng)保證錯變量不大于0.3 mm，并采用點焊將焊口固定。

充氬時間。TSM管環(huán)直徑約20 m，排氣后和焊接前應(yīng)進行充分充氬，應(yīng)采用4 L/min流量充氬1.5 h及以上，以防止焊縫內(nèi)部氧化、發(fā)渣。

氬氣保護壓力，特別是應(yīng)有效監(jiān)控內(nèi)部充氬?，F(xiàn)場采用數(shù)顯壓差表，測量、調(diào)整并保持管道內(nèi)部壓力和大氣壓力之差，以避免出現(xiàn)焊縫外表面下塌或內(nèi)表面凹陷的缺陷。

6 結(jié)論

(1) 針對TSM管路規(guī)格為φ60.3 mm×2.77 mm和φ73 mm×3.05 mm奧氏體不銹鋼管道，開發(fā)的2種自熔焊接工藝，能夠滿足ASME及歐盟壓力容器PED標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2) 經(jīng)過工藝評定及模擬試驗發(fā)現(xiàn)，開放式機頭自熔式焊接，散熱效果好，熔透能力強且均勻，有利于焊縫成形，現(xiàn)場采用該方法焊接。

(3) 引入預(yù)制概念，在地面上焊接距離冷屏僅有51 mm管道焊縫，有效解決了空間狹小問題。

(4) 采用先合環(huán)再焊接的施工方式，焊前保持4 L/min流量充氬1.5 h及以上，既提升了施工效率，也實現(xiàn)了背部良好的氬氣保護效果。

(5) 通過對管道水平、坡口準(zhǔn)備、充氬時間、充氬壓力等環(huán)節(jié)進行嚴(yán)格控制，有效保證了焊接質(zhì)量，TSM管道自動焊技術(shù)應(yīng)用經(jīng)過嚴(yán)苛的無損檢驗，焊接一次合格率98.5%，實現(xiàn)了成功應(yīng)用。