核反应堆冷却剂泵电机支座装配焊接工艺

　　杜雷刘大为李雅范林海燕
　　摘要：分析了核反应堆冷却剂泵电机支座的装配焊接工艺难点和关键工艺。通过全尺寸模拟件成形和焊接试验，制定出合理的装配焊接工艺方案。实际产品按照此装配焊接工艺进行生产，首次实现了该部件的自主制造。
　　关键词：核反应堆冷却剂泵；电机支座；装配；焊接
　　中图分类号：TG47；TG457。11；TG441。4
　　Abstract：Thispaperanalyzesthedifficultiesandkeytechnologyofweldingassemblyofreactorcoolantpumpmotorsupport。Throughthefullsizesimulationandweldingtest，makeareasonableweldingtechnology。Accordingtotheactualproductassemblyandweldingprocess，forthefirsttimetorealizemanufacturingthecomponents。
　　Keywords：welding
　　0前言
　　反应堆冷却剂泵（主泵）是核电站反应堆的心脏，是反应堆冷却剂系统的主要设备和压力边界设备之一。在以福清方家山项目为代表的二代改进型主泵中，电机支座作为主泵的安全1级部件之一，其承担了主泵及主泵电机几乎全部的质量总和，在主泵运行中起到支撑和稳固的作用。
　　电机支座部件的国产化是我国核电主设备国产化重点任务之一。我公司通过全尺寸模拟件成形和焊接试验，摸索出符合设计要求的合理的成形、装配及焊接工艺，解决了核主泵制造中的关键工艺难题，从而制造出了满足质量要求的产品。该项技术可用到我公司今后华龙一号主泵等同类产品制造设计上，充分发挥公司先进设备的利用率，既提高了公司制造技术的先进性，又降低了成本，提高了生产效率，具有重大的经济效益和社会效益。对我公司相关工种操作人员也是很好的锻炼。
　　1电机支座的结构
　　电机支座分为上下两部分，整体采用圆形筒体与法兰接合的回转体焊接结构设计，此种设计可以降低制造成本，节约材料，且因其对称设计，具有受力均匀，结构紧凑，性能质量可靠等特点。但是由于下部支座需装配连接不同直径的泵盖及上部支座，采用了锥度为11的锥体的设计，如图1所示，且尺寸公差、精度、表面精度要求高，锥体成形过程较为复杂，因此卷制出满足设计尺寸要求的锥体具有一定难度，是支座制造过程中的关键工艺之一。此外，考虑到机座结构复杂、焊缝交错、焊接量大，为避免残余应力过于集中，焊接变形过大，除了进行必要的焊后热处理之外，在焊接坡口设计上大量采用了双面坡口设计；在实际焊接过程中为了保证焊缝质量，某些焊缝应用了多种焊接方法，因此需要确定合理的焊接参数、装配和焊接次序及方向、制定最佳的焊接工艺方案来有效地控制焊接变形，满足图纸尺寸及后续加工要求。
　　2半锥体的卷制及成形工艺过程
　　半锥体结构为2瓣设计，材料选用SA36M，厚度为50mm，单瓣卷制形状的精确与否直接关系到2瓣锥体能否顺利对接以及能否满足对接后的圆度要求，因此该部件的制造是十分关键的，其工艺过程是历经数次试验摸索而制定的。
　　半锥体部件采用滚板机一次卷制而成，下料尺寸精度对成形后的尺寸有很大的影响。该锥体展开下料的扇形板是按照以计算机3维实体图展开放样计算得到精确尺寸为基础，并考虑设备卷制需要，每侧预留400～450mm的直边余量，根据钢板形状，合理套裁，进行数控半自动切割落料。
　　半锥体的卷制过程中，由于该件板材厚，刚性大，直接置于滚板机上卷制是十分困难的，而且曲率半径也难以保证，为此在卷板前采用放射线展开法对其进行1：1放样展开，每隔150～200mm划出成形母线。然后通过卷板机按照成形线预制半锥体两端部弧形，再利用滚板机配合竖辊卷制半锥体。根据其大、小端口的半径数值，结合滚板机正常工作时上辊下降的数值计算公式，分别得到上辊在大、小端口的下降数值，分别卷制上、下端口至尺寸要求。配合成形线及上、下端口样板不断修正，即可完成半锥体的卷制过程〔1〕。
　　卷制完成后，为了克服材料回彈，进一步修正成形尺寸精度，对部件进行局部热校形处理。利用金属局部受热后膨胀所引起的新变形，来抵消原来的变形，从而使半锥体尺寸满足图纸要求，如图2、表1、表2所示。随后焊接工艺拉筋，如图3所示，目的是避免后续吊装运输、加工及焊接过程引起的半锥体形状变化。使用气割方法切除直边余量，加工纵缝坡口。
　　3。1焊接工艺规范
　　焊接工艺规范的制定是在充分消化吸收技术转让资料的基础上，结合自身设备及人员能力进行工艺评定，查阅文献〔2〕，试验摸索出的在满足焊缝质量要求下的适宜参数范围，具体工艺参数如下。母材：SA36MSA36M；焊接方法：GMAW熔化极气体保护焊；保护气体：80Ar20CO2；气体流量：12～18L焊接材料：AWSA5。18ER70S6直径1。2预热温度：最低预热温度100；电流类型：直流反接；焊接参数见表3。
　　3。2装配及定位焊
　　2瓣半锥体在装配时，充分考虑下序环焊缝坡口尺寸的加工要求，按照严格要求上、下端尺寸，筒体纵缝中部位置其次要求的原则。采用划线定位装配方法，将2瓣半锥体按划好的装配位置线固定后，在合口位置预留2～4mm焊接收缩量，然后使用气体保护焊方法进行定位焊实现装配。
　　定位焊焊道的截面尺寸不宜过大，尽量布置在基本焊缝所在位置，严格控制定位焊焊接质量，以便焊缝施焊后能将其全部重熔，确保焊接质量。对于必须布置在非焊缝位置的定位焊缝，焊后进行清理（打磨）表面。
　　在定位焊前及焊缝正式施焊前，相互接触的部件表面及焊口两侧50mm以内的母材，必须严格清除油脂、铁锈、熔渣等污物以保证焊缝焊接质量。
　　3。3纵缝的焊接
　　为了控制焊接变形，在纵缝焊接过程中，由两名操作者在对称位置同时进行施焊，如图4所示，先焊接内径大坡口一侧的立向焊缝的23，然后使用电弧气刨清根、打磨，对清根打磨后的表面进行MT检查合格后，焊接外径小坡口一侧的立向焊缝至焊满，最后将内侧坡口的剩余焊满。采取分段、退步、对称、跳焊法。合理利用产品结构形式，仅完成焊接距离上、下端约250mm长的焊缝，减少热输入量，从而控制焊接变形。整个过程中实时测量整个锥体大、小端直径的变化，可根据变化值调整焊接顺序，满足尺寸要求。
　　按照上述工艺流程进行了锥体纵缝的模拟件验证焊接，按照产品探伤规程要求对焊缝进行了MT、UT检查，焊缝质量满足设计要求。焊后锥体大、小端圆度满足图纸精度要求，可以进行后续加工。
　　4锥体与法兰的装配和双面坡口环缝的埋弧自动焊接
　　4。1焊接工艺规范
　　对于锥体与法兰施焊其环焊缝时，考虑到其为回转结构、焊缝长度长，因其为主要的承压焊缝，焊接质量要求高，采用埋弧焊无疑是一种优质、高效、劳动条件好、焊后处理简单的焊接方法。
　　由于埋弧焊焊接电流大，电弧压力大，电弧穿透能力强，在无任何衬托和辅助装置情况下，易造成焊穿或液态金属流失；为防止焊穿，首层焊接采用气体保护焊GMAW进行打底，焊接到10mm左右厚度时，再使用埋弧焊接；同时在清根后，埋弧焊接背面第一层时，由于焊缝较薄，为防止焊缝熔穿，焊接电流也不宜过大。具体工艺参数如下。母材：AISI1020A668MSA36M；焊接方法：GMAW熔化极气体保护焊SAW埋弧焊；保护气体：80Ar20CO2；气体流量：12～18L焊接材料：AWSA5。18ER70S6直径1。2mm、AWSA5。17EH11K直径2。4焊剂F7A4；预热温度：最低预热温度100；电流类型：直流反接。焊接参数见表4。
　　4。2装配及定位焊
　　法兰和锥体装配时，主要保证2个法兰及锥体上、下两端的同心度。采取立式装焊法，将大径法兰吊装到事先调平并画好位置线的装配平台上，然后按照位置线逐层吊装锥体、上法兰并定位焊固定，如图5所示。
　　定位焊由两名操作者在对称位置在小坡口一侧同时进行施焊，采取分段、退步、对称、跳焊法，分段定位焊接，每段焊接50mm左右。
　　每个焊缝坡口装配组对时，高度方向留取2～5mm的焊接收缩余量。在定位焊前及焊缝正式施焊前，相互接触的部件表面及焊口两侧50mm以内的母材，必须严格清除油脂、铁锈、熔渣等污物以保证焊缝焊接质量。
　　4。3环缝的焊接
　　根据产品结构形式，合理采用变位机配合此焊接过程的实施，方便快捷，使焊接质量稳定性得到进一步提高〔3〕。
　　将装配好的部件吊至变位机上，变位机旋转，保持平焊位置进行焊接。使用熔化极气体保护焊GMAW进行打底焊，如图6所示，打底金属厚度视间隙大小而定。焊前，接头区域用高压风吹除灰尘，适当方法清除焊接区水分和油污；焊丝伸出长度25～30mm，始终保持焊丝与接头中心垂直，施焊环缝时根据筒体直径及参数，焊丝沿焊接反方向偏移40～100mm的偏移量。
　　从第二层开始使用埋弧焊施焊，如图7所示，先焊接内径大坡口一侧至坡口深度的23，然后使用机加方法清根，打磨，对清根打磨后的表面进行MT合格后，焊满外径小坡口一侧的焊缝。整个过程中实时测量上、下法兰的变形情况，可根据变化值调整内外坡口的焊接顺序，减小焊接变形对尺寸的影响。
　　按照上述工藝流程进行了锥体与法兰环缝模拟件的焊接，按照产品探伤规程要求对焊缝进行了MT、UT，焊缝质量满足要求。焊后法兰与锥体同轴度、法兰变形满足图纸尺寸及后续加工要求，可以进行后续加工。
　　5结论
　　（1）反应堆冷却剂泵电机支座的制造成功，标志着我公司完全掌握了二代改进型核电主泵电机支座的制造技术，同时也标志着主泵国产化工作取得重大进展。
　　（2）实现了大厚度锥体的自主成形，并通过多次实践积累了卷制后的火焰校形的经验，最终完全达到了设计精度要求。
　　（3）实现了锥体纵缝的CO2气体保护焊接，有效的控制了焊接变形，焊后尺寸公差满足图纸要求。
　　（4）实现了锥体与法兰之间环缝的埋弧焊接，有效的提高了生产效率，提高了焊缝质量。
　　参考文献
　　〔1〕卢玉升。三辊卷板机卷制任意锥筒的调整计算及卷制过程的改进〔J〕化工设备与管道，2009，46（5）：45。
　　〔2〕史耀武。中国材料工程大典。材料焊接工程（第23卷）〔M〕。北京：化学工业出版社，2006。
　　〔3〕杜永勤，陈孝国，魏荣。大坡口悬空埋弧焊工艺〔C〕第十一次全国焊接会议论文集（第2册），2005。