一、概述

隨著科學技術的不斷進步以及國內人工成本的逐步上漲，自動化焊接技術因其質量穩(wěn)定、焊材消耗少、焊工培訓周期短及勞動強度低等特點，在核電建設安裝領域得到了一些應用，并取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。

中國核工業(yè)二三建設有限公司（簡稱“中核二三”）作為我國規(guī)模最大的核工程綜合安裝企業(yè)之一，近年來持續(xù)加大在核電安裝技術革新方面的研發(fā)投入，取得了一些研究成果，本文將進行詳細介紹。

二、 全位置TIG自動焊技術

管道焊接是核電建造安裝過程中工程量最大的環(huán)節(jié)，單臺百萬千瓦級核電機組管道安裝工程量近12.5萬m。核電管道焊接質保等級高，對于質量要求嚴格，現(xiàn)有的焊接方法主要以TIG（鎢極氬弧焊）為主，效率低，工程質量受焊工技能影響大，不易保證。因此，針對核電管道焊接采用自動焊技術是提高質量和效率，降低高技能焊工依賴度最有效的方式。目前，中核二三公司分別針對核電站一回路主管道和波動管，二回路主蒸汽和主給水管道以及核島輔助管道預制，開展了自動TIG焊技術的研發(fā)，其中，主管道窄間隙自動焊技術已經(jīng)在我國核電安裝現(xiàn)場得到了成功應用。

1. 核電站主回路管道窄間隙TIG自動焊技術  

核電站主回路管道是連接核電站反應堆壓力容器、主泵和蒸汽發(fā)生器等主要設備的大厚壁承壓不銹鋼管道，被稱為“主動脈”，承擔著核安全保護屏障的重要功能，屬于核電廠一回路壓力邊界，要在高溫、高壓的工況下運行40年以上，對焊接質量要求非常嚴格。以百萬千瓦核電機組為例，單臺機組共三個環(huán)路，每個環(huán)路8道焊口（見圖1），主管道直徑最大976mm，壁厚97mm，單個焊口采用寬坡口手工焊技術需要焊接約1個月時間，焊材消耗量大，對焊工技能要求高。

圖1

中核二三公司于2005年啟動了窄間隙TIG自動焊技術的研究工作，經(jīng)過近5年的技術攻關，完成全套技術的研發(fā)。該技術與手工焊技術相比，單個主管道焊口的焊接時間僅10~15天，為手工焊的1/3~1/2；焊接材料消耗僅10~15kg，約為手工焊的1/8；自動焊工培訓周期僅需2個月，約為手工焊的1/10；不僅縮短了焊接時間，降低了焊材消耗，而且大幅縮短了焊工培訓周期，降低對于高技能焊工的依賴。

2011年，中核二三公司首次將這項技術在我國寧德核電主回路管道安裝現(xiàn)場成功應用，并推廣到紅沿河、陽江、防城港、福清和方家山等核電項目（見圖2）。目前，我國在建CPR1000、AP1000以及EPR堆型核電廠主回路管道安裝焊接均采用了自動焊技術，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

圖2

2. 波動管窄間隙TIG自動焊技術  

波動管是穩(wěn)壓器實現(xiàn)主回路壓力控制和超壓保護的重要組成部分，整體呈螺旋狀連接, 將反應堆冷卻劑系統(tǒng)主管道熱管段與穩(wěn)壓器下封頭接管嘴相連。 以EPR核電堆型為例，波動管道材質為不銹鋼，單機組波動管分7段安裝，需現(xiàn)場焊接8個焊口（見圖3），管徑大、管壁厚，對焊接質量要求高。臺山核電一期工程波動管安裝首次采用了窄間隙TIG自動焊技術，焊口射線探傷一次合格率達100%，優(yōu)異的焊接質量，為機組安全運行提供了堅實保障。目前，國內三代AP1000堆型波動管焊接也采用了窄間隙TIG自動焊技術。

圖3

3. 主蒸汽管道自動焊技術  

主蒸汽管道是連接核島蒸汽發(fā)生器與常規(guī)島汽輪機的二回路大直徑厚壁承壓管道，由于其運行工況特殊，安全等級高，因此對焊縫質量要求高，是核電廠當中的大型超級管道。目前，我國在建二代核電技術，主蒸汽管道焊接采用手工TIG根部打底、焊條電弧焊填充蓋面的焊接技術。而以AP1000核電堆型為代表的三代核電安裝技術規(guī)格書要求，對于采用LBB（leakage before broken破前泄露）設計的主蒸汽管道焊接必須采用鎢極氬弧焊（TIG）工藝。

以我國在建三門和海陽核電項目為例，主蒸汽管道材質為SA335—P11，管徑965mm，壁厚44.2mm，屬于耐熱低碳合金鋼，焊前需要預熱，焊后需要進行消應力熱處理，焊接難度大。采用手工TIG焊技術完成一道主蒸汽管道焊口，大約需要兩名高級焊工在200℃的高溫下連續(xù)焊接作業(yè)約20天，焊接效率低，勞動強度相當高。

為進一步提高主蒸汽管道焊接效率，中核二三公司于2013年啟動主蒸汽管道窄間隙TIG自動焊接工藝研究，并于2014年底全部完成該技術研發(fā)（見圖4）。與手工焊相比，采用該技術可使單道焊口的焊接時間由20天縮短到8天，焊材消耗由20kg降低到10kg，優(yōu)勢相當明顯。

圖4

目前，該技術將在中廣核紅沿河5/6號機組安裝現(xiàn)場進行首次成果應用，同時，該技術還可推廣到在建的“華龍一號 ”、AP1000和CAP1400堆型主蒸汽管道安裝現(xiàn)場。

4. 輔助管道預制超聲波TIG焊技術

核島輔助管道管徑相對較小、壁厚較薄，可以預制的焊口數(shù)量大，傳統(tǒng)輔助管道預制焊接采用手工TIG焊技術，管道在焊接之前需要開坡口，然后逐層填充焊絲完成焊接。超聲波TIG復合電弧焊原理是將超聲波通過導電電極傳導到焊接電弧上，在施加超聲波后，電弧產(chǎn)生明顯的收縮現(xiàn)象，從而提高焊接電弧挺度，增加焊接熔深，從而實現(xiàn)管道不開坡口自熔（見圖5）。

圖5

目前，中核二三公司通過開展超聲波TIG自動焊接工藝研發(fā)實現(xiàn)了6mm壁厚管道預制不開坡口一次性焊透，并在民用化工項目管道預制現(xiàn)場進行了初步應用，在確保質量的前提下有效提高了焊接效率。隨著我國核電建造標準升級，該技術可以推廣應用于核島輔助管道預制，對于提高我國核工程管道預制自動化水平具有重要意義。

三、自動熔化極氣體保護焊技術

核電站大型罐體、厚壁鋼制容器以及大型結構模塊安裝存在大量規(guī)則焊縫，焊接工作量大，采用傳統(tǒng)手工焊效率低，質量不容易保證，是自動焊技術的主要研發(fā)應用對象。

鋼制安全殼（CV）是三代核電AP1000/CAP1400堆型核島最后一道安全屏障，建造標準要求高。CAP1400核電鋼制安全殼容器直徑43m，高73.6m，板厚43~55mm，焊縫總長約4 500m，消耗焊材約70t，目前鋼制安全殼焊接方法采用鎢極氬弧焊和焊條電弧焊聯(lián)合焊接技術，生產(chǎn)效率低，焊縫質量容易受到焊工操作技能的影響，不容易保證。

中核二三公司于2013年針對鋼制安全殼（CV）啟動了自動熔化極氣體保護焊（簡稱GMAW）技術研究，利用混合氣體作為保護氣體，采用連續(xù)等速送進可熔合焊絲與焊件之間的電弧作為熱源來熔合焊絲和母材金屬，形成熔池和焊縫。經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用自動焊技術焊接效率比手工焊提高1倍，焊材消耗量比手工焊減少1/3（見圖6）。該技術于2015年12月在山東榮成CAP1400示范工程開始了國內首次應用，填補了我國核電建設安裝領域大型容器應用自動焊技術的空白。

圖6

此外，AP1000三代核電機組建造最顯著的特點是模塊化施工，AP1000核電堆型中的7大結構模塊在安裝過程中存在大量有規(guī)則的焊縫。目前，這些結構模塊焊接主要采用手工焊技術，勞動效率低、工作強度大，對焊工的技能水平要求高。通過針對結構模塊開展（GMAW）熔化極氣體保護自動焊技術研究，開發(fā)出針對不同焊接位置的全套自動焊接工藝，在提高焊接質量和效率的同時降低了工人勞動強度（見圖7）。

圖7

四、結語

隨著焊接技術水平不斷進步，采用先進高效的半自動和自動焊技術代替手工焊技術仍是未來發(fā)展的趨勢。同時，伴隨著自動化焊接技術的應用范圍逐步擴大，焊絲也將逐步取代焊條成為核電建造的主要焊接材料。在焊接新技術的研發(fā)和推廣應用過程中，需要采用產(chǎn)、學、研、用聯(lián)合的模式，掌握焊接標準、焊接材料、焊接工藝、焊接設備及輔助工裝成套技術。同時，安裝單位、設計院、工程公司和業(yè)主公司加強溝通互動，各方聯(lián)合推動，才能將這些新技術更好更快的應用于現(xiàn)場，提高我國核電建造整體安裝技術水平。