核电厂不锈钢管道焊缝背面充氩保护方法分析及质量控制

0引言

核电厂核岛及部分常规岛系统广泛使用奥氏体不锈钢管道。焊接时,为防止焊缝背面氧化,需充氩保护,这在焊缝根部焊接时尤为重要。现场实践中,无论采用何种焊接技术,只有当熔覆层厚度至少达4 mm时,才能停止氩气保护^[1]。焊接核级不锈钢管道时,要求更为严格,需遵循《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》:厚度小于5 mm的奥氏体不锈钢零件表面焊接时,背面须用惰性气体保护防氧化,且根据焊接方法,该厚度可适当增加。鉴于核电厂现场管线布置、管道结构和尺寸、系统状况复杂多变,选择合适有效的充氩保护方法,有效控制充氩过程中的影响因素,确保充氩保护的可行性、可靠性和可控性,是保障核电厂不锈钢管道焊缝质量的关键。

1 充氩保护方法

1.1 无封堵直接充氩法

无封堵直接充氩法适用于小管径不锈钢管道焊接,无须封堵焊缝两侧,直接通过焊缝附近开口(如阀门、法兰、螺纹接头等可拆卸部件)进行充氩保护。施焊前需预充氩气置换管内残留氧气,其优势在于操作便捷、充氩效率高且拆除简便,小管径工况下保护效果显著;缺点是开放式充氩环境导致保护效果可控性较差,充氩时长与管线长度呈正相关,且需配置专用排气口。

1.2 整体充氩法

整体充氩法适用于不锈钢管道离线预制焊接,采用胶带、管帽或橡胶板封堵管道两端并设置进/排气口^[2],通过整体充氩实现焊缝背面保护。该方法不受现场复杂工况影响,预制环境下保护效果稳定,焊接质量易于控制;缺点是需配置专用封堵材料及充氩设备,操作步骤相对烦琐。

1.3 建立氩气室局部充氩

1.3.1氩气室的基本要素

在焊接作业里,为保证焊缝质量,要在焊缝上下游侧管道内部进行封堵,构建容纳氩气的氩气室。氩气室在焊接前建立,直至焊缝厚度无须充氩保护时结束,其作用是营造保护性气体环境,避免焊缝氧化或污染。氩气室由焊缝、进气点、排气点及氩气室边界构成。充氩时,充气与排气同步,维持氩气室内微正压,确保氩气含量稳定,满足焊接需求。

焊缝是充氩保护目标,因存在对口间隙,充氩时外侧要贴耐高温胶布,防止氩气外排影响效果。焊接时留出焊接开口,随进度撕开。焊缝封口,调小氩气流量,防止内凹。

进气/排气点经气管连氩气瓶,进气点供气,排气点排空气和多余氩气以稳定氩气含量。因氩气密度大,进气点标高<焊缝标高<排气点标高,利于下沉填充。充氩前测试进气,确保路径通畅无残水,排除压差因素,防止氩气被抽或空气进入。若排气点在密闭空间,要制定防窒息措施。进气/排气点理想位置优先级:疏水管线易开口点、主管线易开口点、管线上无须充氩焊接的焊缝或其他待焊焊缝处。

氩气室边界应靠近焊缝且范围小,降低保护难度,同时考虑焊接加热影响,与焊缝保持适当距离。边界内管线布置要简单,避开支管和“盲肠”管段。

1.3.2使用耐高温泡沫板建立氩气室

耐高温泡沫板封堵装置适用于直管段单侧开口焊缝(如阀门附近焊缝),结构为直径大于管道内径10 mm的圆形泡沫板夹装于金属板间。制作要点:开设进气/排气孔,配置可拆卸不锈钢牵引绳。安装要求:距焊缝≥400 mm垂直固定,预测试拉出顺畅性,确保连接件(钢丝/螺栓/螺母)牢固无松动^[2]。

1.3.3使用气球或气囊建立氩气室

气球和气囊作为氩气室边界,安装方式如下:先将未充气的气球或气囊放入管道内,再充气使其紧贴管道内壁。气球的可变外形能适应不同管径,适用于长距离、充氩困难且有支管开口的管线。气囊体积更大,需更大的支管,但边界稳定性更佳。

使用时需注意:1)安放前彻底清洁管道内壁,避免异物损坏气球或气囊。2)在距离焊缝至少400 mm的直管处,将套有防爆袋的气球或气囊绑在氩气带上,通过支管塞入管道并充气,使其紧贴管道内壁,形成封堵。同时,气球下方和另一侧气球上方各放置一条充氩带,分别用于焊口背面充氩和排气。焊接完成后,松开绑扎绳,排出气体,即可取出气球或气囊。

1.3.4使用水溶纸建立氩气室

水溶纸作为氩气室边界,安装方式为:利用水溶胶带或水溶胶水将其固定在管道内部,从而建立氩气室边界。它适用于长距离、弯管和结构复杂且无其他开口的充氩困难的水介质管线。使用水溶纸建立氩气室时,通常难以将其取出,而是依靠系统冲水使其溶化。若使用不当,水溶纸可能无法正常溶解,进而成为异物堵塞管道或影响设备正常功能。

影响水溶纸溶解性的因素包括:1)受介质类型影响,在除盐水和含硼2.3 × 10-3(2300 ppm)水中容易溶解,而在海水中溶解困难;2)受温度影响,当加热至70℃后,水溶纸在海水中也容易溶解;3)受水溶纸状态影响,水溶纸受热温度超过120℃后,因高温烤焦、碳化而难以溶解。水溶纸在不同介质和状态下的溶解试验情况如表1所示。

在核电厂使用水溶纸时,应严格遵循以下注意事项^[3]:1)化学兼容性确认:确保水溶纸溶解后的化学成分符合电厂化学规范要求,以避免对系统造成潜在污染或腐蚀风险。2)适用介质范围:水溶纸适用于除盐水、含硼水和水蒸气等介质系统。禁止在气、油介质及化学取样系统中使用。若在海水系统中使用,需采取以下措施之一以消除溶解困难:焊接后取出水溶纸、焊后冲洗管道或使用70~90℃的热水加速溶解。3)管道环境检查:在安装水溶纸前,检查管道内无残水、冷凝水或水汽等可能破坏水溶纸完整性的因素,如有则需消除。4)安装方式规范:将水溶纸平整装入管道,避免过量使用或将其揉成团塞入,以确保其正常发挥功能。5)温度控制要求:明确水溶纸贴合部位与待焊焊缝的距离,确保与水溶纸贴合部位的管道温度不超过110℃ ,以防过热影响水溶纸性能。6)使用后处理措施:焊接后应尽可能采取措施将水溶纸冲洗出系统;若无法冲洗,则利用系统中的过滤器对水溶纸进行过滤,防止残留物对系统运行产生不利影响。

1.3.5使用白纱布建立氩气室

对于2Ⅱ~4Ⅱ管道焊缝,传统无封堵充氩法因管径较大无法形成有效保护,而耐高温泡沫板等材料又因管径过小难以使用。实践中采用铁丝绑扎白纱布从焊缝开口处植入作为氩气室边界,利用白纱布天然透气性实现无须开设排气孔的氩气保护^[1]。

1.3.6使用工装建立氩气室

针对特殊工况开发专用充氩工装:以不锈钢支管座焊缝为例,当支管座口径显著小于母管且无法通过开孔安装保护装置时,设计专用工装(图1)。

该装置上侧设专用接口与供氩管连接,中部凸台外径大于支管座内径以防止脱落,焊缝对应侧开设均匀分布的出气孔,实现支管座焊缝背面持续氩气保护。

1.4 综合应用法

某些情况下,现场管线非常复杂,使用一种方法难以完成整个管线各焊缝的充氩保护,需要综合应用不同的方法,分不同阶段和步骤完成。下面是一个典型案例。

需要更换母管焊缝1、支管焊缝1、支管焊缝2、支管焊缝3、支管焊缝5之间的管线(图2),共涉及11道焊缝,焊接充氩保护分为四个阶段完成:

第一阶段采用整体充氩法,离线完成支管座焊缝1、支管座焊缝2、支管座焊缝3、支管座焊缝4、支管焊缝4、母管焊缝2等六道焊缝的预制焊接。

第二阶段使用水溶纸建立氩气室局部充氩,在母管焊缝1上游侧安装水溶纸,距离母管焊缝1大于等于120 mm,水溶纸上不设置排气孔。然后对母管焊缝1进行对口并固定,同时确认支管焊缝1、支管焊缝2、支管焊缝3、支管焊缝4部分均可以正常对口但不固定。从支管焊缝1处插入软管充入氩气,从支管焊缝5处排气,焊接母管焊缝1。焊接完成后,封堵支管焊缝1、支管焊缝2、支管焊缝3部位的开口点,从支管焊缝5部位的开口点使用除盐水冲洗水溶纸。

第三阶段采用无封堵直接充氩法,分别拆开支管焊缝1、支管焊缝2、支管焊缝3下游管线的螺纹接头,从螺纹接头处充氩、从支管焊缝5处排气,焊接支管焊缝1、支管焊缝2、支管焊缝3等三道焊缝。

第四阶段不充氩焊接,支管焊缝5部位为承插焊缝,壁厚大于5 mm,可以直接焊接,不需要充氩。

2 充氩质量影响因素分析及控制

2.1 充氩流量

氩气流量应适中。流量过小,氩气室氩气含量不稳,焊缝背面易氧化;流量过大,熔池受推力,增加焊接难度,甚至会造成内凹,影响焊接质量,还会扰动氩气室空气,难以形成稳定氩气层。氩气流量需在焊接工艺参数允许的最小值以上,确保焊缝背面保护质量和根部焊接过程不憋压,同时保持焊缝附近压力接近零或微正压^[2]。流量控制方式有低流量预充氩和稳流充氩两种。低流量预充氩是先低流量预充,再逐渐增加流量至焊接要求,利用空气比氩气轻的原理排出空气,避免紊流。稳流充氩是通过一定流量多次充氩,减少氩气室空气占比。

2.2 充氩效果判断

判断充氩效果有以下两种方法:用氧分析仪检测氩气室内气体含量,确保氧含量低于2%;用试氩板验证。将试氩板置于坡口上方并贴紧,用氩弧焊施焊,根据焊点背面颜色判断:银色最佳,金黄良好,暗金色一般,黑色则充氩效果差^[2]。

2.3 管线内水流的影响

焊接中如管线内出现水流会导致水溶纸溶解而影响水溶纸等氩气室边界的完整性,严重时可能直接到达焊缝部位影响焊接质量。水源可能来源及处理建议如表2所示。

2.4 管线内气流的影响

焊接中如管线内出现气流会使焊缝背面充氩保护不佳影响焊缝质量,气流可能来源及处理建议如表3所示^[4]。

3 结束语

本文围绕核电厂不锈钢管道焊接充氩保护展开,强调其对焊缝质量的重要性。通过介绍多种充氩保护方法及其适用场景,分析了影响充氩质量的关键因素(包括充氩流量、效果判断及管线内水流、气流的影响),并结合实际案例展示综合应用不同充氩方法完成焊接工作。

[参考文献]

[1] 陈虎艳,马信锋.提升在役核电不锈钢焊接充氩工装质量研究[J].焊接技术,2022,51(7):95-98.

[2]夏军,李杰,闵玉龙,等.核电站大口径不锈钢薄壁管在役焊接质量控制[J].电焊机,2019,49(4):216-221.

[3]侯立成.水溶纸在核电厂焊接过程中的应用与研究[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2020(8):170-171.

[4]黄开凯,冯兴旺.核电厂焊缝焊接实施中的气流问题分析及对策[J].设备管理与维修,2020(18):88-89.

《机电信息》2025年第13期第21篇