海阳AP1000核电站CB20模块十字焊缝及丁字焊缝焊接措施

【摘 要】海阳AP1000核电站作为首批国家第三代核电技术的自主化依托项目，AP1000以其特有的非能动安全系统和模块化设计成为目前世界上最安全、最先进的核电技术。CB20模块是非能动安全壳冷却水储存箱，是非能动安全壳冷却系统主要组成部分。本文主要介绍了CB20模块中出现的大量十字焊缝及丁字焊缝现场拼装过程中的焊接控制措施。

【关键词】AP1000；CB20模块；十字焊缝；丁字焊缝

1.前言

十字焊缝接头形式导致焊缝交叉区域经历两次焊接热循环，接头热影响区中的粗晶区容易产生粗大及脆性组织；焊接是一个不均匀的局部加热过程，当焊件冷却至常温过程中，接头难以避免出现焊接残余应力，十字焊缝部位形成一个应力集中区域且容易产生焊接变形。

很多国内外标准中对十字焊缝做出了明确规定，如API 650-2007《钢制焊接石油储罐》 5.1.5.2节 b部分：相邻两层壁板的纵向接头不得在同一条直线上，相互错开的最小距离应为5t，其中，t为错开点处较厚板的厚度。GB 50128-2005《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》 3.2.1节：各圈壁板的纵焊缝宜向同一圈方向逐圈错开，相邻圈板纵缝间距宜为板长的1/3，且不应小于300mm。

因此，当现场无法避免或者施工图纸客观存在时，为了保证十字接头及丁字接头位置的焊接质量，应制定具体、有效的焊接措施来保证现场施工，控制焊接质量。

2.工程概况

CB20 模块是截面为梯形的环形结构，外环直径25908mm，外环高度10292mm；内环直径10668mm，内环高度5486mm，底部锥体高度4806mm，单台机组总重量约302t，由112 个子模块焊接拼装而成，子模块主要由δ=1/2″和δ=3/4″的A240 S32101双相不锈钢板、A36 碳钢型钢等构成。

CB20模块安全等级为C级，抗震等级为I级，位于安全壳顶端，起到储存冷却水的作用，可以提供72小时2970立方冷却水，在发生设计基准事故时，通过重力，经水量分配装置，将冷却水均匀分配到安全壳外表面，保证安全壳内部不超过设计压力和温度。

图1 CB20模块外形图

图2 CB20模块剖面图

3.客观条件

根据CB20模块图纸，现场拼装过程中存在大量十字焊缝及丁字焊缝：

3.1 十字焊缝

图3：锥板拼接焊缝与锥板纵向焊缝间共32处十字焊缝；锥板纵向焊缝、底部圆板与底部环焊缝共8处十字焊缝 。

图4、图5：外墙垂直焊缝与环形焊缝共24处十字焊缝；内墙垂直焊缝与环形焊缝共4处十字焊缝。

CB20现场拼装共68处十字焊缝。

3.2 丁字焊缝

锥板纵向焊缝与底部环焊缝共形成24处丁字焊缝；内、外墙壁板与底部共形成12处丁字焊缝。

CB20现场拼装共36处丁字焊缝。

图3 CB20模块底部图

图5 CB20模块内墙展开图

3.3 坡口形式

CB20现场拼装中双相不锈钢主体焊缝均为CJP（全焊透）焊缝，背面加A276 304L不锈钢衬垫，主要坡口形式为：底部锥板、底部环板、底部环缝均为单面V型焊缝；内外墙环形焊缝为单斜边坡口焊缝等。

3.4 焊接工艺

根据批准的焊接工艺规程（WPS）：手工电弧焊（SMAW）、E2209-16（Φ2.5mm、Φ3.2mm）双相不锈钢电焊条、根部间隙2-11mm。

3.5 无损检测要求

根据标准要求，CB20模块双相不锈钢全焊透焊缝在根部焊层和最后焊缝表面进行100%的目视检测（VT）和液体渗透检测（PT），最终焊缝长度方向应进行10%的超声波检测（UT）或射线检验（RT） 以及100%真空盒检验。根据业主及上游单位的要求，十字焊缝及丁字焊缝部位应100%抽检在内。

4.焊接措施

为了保证海阳AP1000核电CB20模块现场拼装工程中十字焊缝及丁字焊缝的焊接质量，严格按照以下措施：

4.1 坡口清理

焊前对十字焊缝及丁字焊缝坡口两侧至少13mm范围内进行清理，不得有影响焊缝质量的氧化皮、锈蚀、油脂、水等杂质，坡口内应打磨光滑，不得有裂纹、折痕、凸出、坡口损伤及毛刺等有害缺陷。

4.2坡口组对及点焊

根据标准要求，坡口焊缝组对错边不超过1.27mm。现场十字焊缝及丁字焊缝200mm区域应尽量控制无错边，现场若产生，应处理好之后再完成焊接工作。

坡口间隙对十字接头焊接件质量有重要影响。坡口过大，熔敷金属增加，热影响区增大，焊接残余应力也随之大大增加；坡口过小，易形成窄而深的形式，手工电弧焊易造成未焊透、夹渣等缺陷。CB20模块现场焊接过程中，坡口间隙在相应批准的WPS范围内，在满足打底层焊接质量的前提下，十字焊缝及丁字焊缝部位间隙应尽可能的小。

点焊焊缝长度为20～30mm，点焊与正式施焊工艺相同。熔入最终焊缝的点焊不容许有缺陷等，并在焊接前两端打磨至圆滑过渡，以便后续焊接。

4.3防变形措施

4.3.1刚性固定：针对内外墙焊缝，根据需要可在靠近十字焊缝及丁字焊缝的部位应特别加设圆弧板及固定筋板。针对底部锥板，根据需要可在靠近十字焊缝及丁字焊缝的部位非湿面加设楔形固定卡块；现场允许的情况下，可在十字焊缝部位的坡口背侧沿对角线交叉方向加设两块一定长度的固定筋板，以控制焊接变形。

4.3.2锤击法：针对十字焊缝及丁字焊缝位置，锤击中间焊层以便通过机械方法降低和控制焊接所造成的残余应力和变形，禁止锤击焊缝根部及表面焊道。

4.4焊接参数

焊接过程焊工应按照被批准的相应的WPS的焊接参数进行焊接，针对十字焊缝及丁字焊缝部位应尽可能的采用较小的焊接线能量；多层多道焊应严格控制层间温度，尽可能控制在较低的温度范围内。

4.5焊接顺序

参考AWWA D100-2005《焊接碳钢储水箱》8.8节：相邻两层的纵向焊缝可以交错或对齐。十字焊缝位置， 第一条焊缝交叉处应打磨出坡口，以便第二条焊缝可连续焊接通过交叉区域。

（1）应先焊好一条焊缝，然后将交叉区域先焊焊缝打磨出跟后焊焊缝同样的坡口形式，后焊焊缝可持续焊接通过交叉区域。内外墙焊缝，先焊纵缝，纵缝可以自由收缩，且对环焊缝影响较小，若先焊环缝，由于纵缝一端被固定，导致不能自由收缩，残余应力和应力变形会增加。

（2）十字接头及丁字接头部位100mm左右范围内应避免出现焊接接头，如因特殊情况产生焊接接头，应打磨接头后方可继续焊接。

图6 十字焊缝及丁字焊缝示意图

4.6 焊缝余高打磨

焊接完成后，十字焊缝及丁字焊缝区域余高应打磨至母材齐平，避免产生过大的应力集中、延长焊缝的使用寿命，并为后续的超声波检测（UT）提供条件。

5.结语

海阳核电1#机CB20模块按照上述焊接控制措施，确保了现场焊接质量，所有十字焊缝及丁字焊缝部位超声波检测（UT）一次合格率100%，并与2014-3-9成功吊装就位1#核岛穹顶，得到业主及上游单位的认可。为国内AP1000核电及后续的CAP1400核电项目，提供经验分享，也为国内各行业无法避免的十字焊缝位置及丁字接头焊接提供参考。