钢结构施工的焊接技术及焊缝检查

陈瑶

中国核工业第二二建设有限公司湖北 武汉 430000

摘要：在核电站中，焊接是将设备连接到系统的主要方式。核工业集团公司应坚持自主创新，积极开展核电厂自动焊接设备的自主开发，依靠国外进口的焊接设备和核电产品专用焊接设备自主开发，形成一套完整的核电站核岛设备安装自动焊接技术，填补国内核电行业高效、智能焊接的空白。基于此，本文对钢结构施工的焊接技术及焊缝检查进行探究,具有重要意义。

关键词：钢结构施工；焊接技术；焊缝检查

引言

针对核电站在核电工程施工过程中，钢结构厚度大、焊接量大等特点，我们可以在核电建设中推广应用埋弧螺柱焊接，并采用双相不锈钢焊接技术等新工艺，焊接成型美观，保证焊接质量，有效缩短施工周期，减少烟尘和电弧的污染。

一、借助模型实验对残余应力进行有效分析

焊接过程涉及金属材料的部分熔化和凝固以及不均匀冷却，异种钢焊接接头的核设备安全端由不同类型的材料焊接在一起，包括核主设备由专用的通用Mn-Ni-Mo低合金钢接管，与奥氏体不锈钢管道连接，由于安全端异种钢焊接接头各材料区的热力学性质不同，焊接后形成的残余应力更为复杂。通过采用中子衍射、轮廓法等先进技术对两种不同尺寸的异种钢焊接模拟件进行测量，同时，利用有限元数值模拟技术对焊管残余应力进行模拟，并根据测量结果对模拟模型进行检验和修正，得到一致的残余应力测量结果，并对模型进行了有效验证，实验获得的核电设备安全端残余应力数据为核电安全设计评估提供了重要的数据支持。此外，这些数据还可用于核电厂设备的后续结构完整性评估研究，以减少停堆维护的频率，同时确保安全，并支持核电厂的寿命延长。

表一 样品尺寸表

如表一所示，我们使用的样品主要包括SA508-3试验环机加工、预热、SA508-3试验环内壁堆焊不锈钢、SA508-3试验环内壁端部手工堆焊镍基合金前三层、脱氢热处理、SA508-1 3试验圈内壁端部堆焊、SA509-3试验环隔离层前三层堆焊等，同时也包括测试环的对接焊接和焊接后的加工工艺。此外，试样生产过程中还穿插了PT（渗透检测）、UT（超声波检测）、RT（射线检测）等检验检验、焊道边缘打磨和层间刷磨工艺。中子衍射实验在英国散裂中子源卢瑟福实验室的Engin-X工程应力光谱仪上进行，通过中子衍射测量焊接接头附近的残余应力，可以看出，环形残余应力较大，低合金钢区域有较大的压应力，右侧焊缝区域有较大拉应力。[1]

二、用轮廓法改进钢结构焊接过程及数据记录

轮廓法是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究工程师Prime在2000年第六届钢结构焊接国际会议上首次提出的，经过20多年的发展和改进，轮廓法已广泛应用于各种材料的钢结构焊接测试，它是测试精度最高的有损检测技术之一。轮廓法的空间分辨率主要取决于测试网格的密度和有限元网格的划分，不同结构的测试精度略有不同，最好达到±20MPa。该方法理论简单，测试过程简单，测试精度高，已广泛应用于航空、航天、核电等工业结构的焊接测试，应用铸造工艺优化，加工和热处理工艺，控制钢结构焊接，提高抗损伤能力；在核电领域，钢结构焊接对高温气冷堆不锈钢部件的蠕变退化起着重要作用，该技术在核电站焊接结构完整性评估中的应用，成功地实现了核电站的寿命延长和效率提高，为核电站新焊接技术的设计和应用提供了技术保障。[2]

轮廓法的测量步骤主要包括试样切割、表面轮廓测量、数据分析和有限元数值模拟。首先，切割感兴趣的测量平面，以释放测量平面上的钢结构焊接，并使平面变形。精确测量切割后的平面形貌，在边界条件下将形貌数据赋值给有限元数值建模分析（FEA），从而计算切割对原始钢结构焊接分布的影响。使用电火花线切割机进行焊管轮廓切割，然后利用三维坐标精确扫描截面轮廓，提取截面轮廓数据。最后，通过有限元建模计算焊接接头区域的环形钢结构焊接分布。最终显示通过中子衍射、轮廓法和数值模拟获得的核电站安全端异种钢焊接结构相对一致的钢结构焊接分布，为核电站安全设计评估提供了重要的数据支持。此外，这些数据还可用于核电厂设备的后续结构完整性评估研究，以减少停堆维护的频率，同时确保安全，并支持核电厂的寿命延长。

比如说，某核电站3号核岛钢结构工程是核岛的重要子项目，主要由核岛安全壳钢结构工程、不锈钢水池、通风烟囱、二次钢结构、高精度设备基础和预埋件组成，拥有大量的结构工程和焊接工程。薄壁管结构是钢衬中采用的由底阀闸板、筒体、人员和设备的套筒和圆顶四部分组成，不锈钢衬板共24池，厚度3mm/4mm，焊接达7453m，焊缝质量高，不允许有咬边、气孔、夹渣、钨和检测要求很高。

三、使用DMA技术检测易忽略的横向焊接裂纹

裂纹是最严重事故的诱因，必须予以重视。在众多的裂纹检测中，横向裂纹是最不容易发现的，尤其是焊缝内部开口处的横向裂纹，使用传统的PT和MT技术无法发现此类裂纹，裂纹缺陷和X射线检测率较低，同时在某种程度上无法使用射线在检测中对其进行检测，基于问题，我们采用超声波相控阵矩阵芯片一次拾取和一次拾取技术来实现横向裂纹的检测，检测结果直观清晰，是横向裂纹的理想检测手段。

图一 横向裂纹检测

如图一所示，我们可以借助Omniscan MX2 32:128PR设备和相控阵双晶矩阵相控阵（DMA）专用探头，在同一探头上设置三组声束，它们在正面入射0度，在左侧偏转10度，在右侧偏转10°，其中在常见纵向缺陷上入射0度。从结果中可以发现缺陷已被+10度、-10度和0度的三组声束检测到，可以看出，不同的偏转角度也会在C扫描图像上的水平坐标上有一点偏差，因为来自三个不同角度的声束在不同的时间撞击缺陷。特别是，横向裂纹的位置和深度与嵌入缺陷的位置一致。此外，由于使用DMA技术，可以在同一探头上同时产生三个不同方向的声束，从而可以在扫描中收集和存储三个不同方位的检测结果。这样，三组声束结果可以综合起来分析所有缺陷，包括横向裂纹的缺陷。[3]

总结

针对核电站安全壳结构特点、钢衬施工要求，我们应加强自主研发科技，借助MAG焊接机器人单面焊接，形成工艺数据库，突破多层多通道智能跟踪焊接的技术难点。与传统施工技术相比，该技术将有效提升自动化操作模式和数字化管理水平，改变原有工艺全人工劳动状态、高强度、综合效率三倍，对提升我国核电智能建筑水平具有重要意义，将彻底改变传统的建筑模式，引领核电智能建筑的潮流，为核电“智能建筑”翻开新的篇章。

参考文献：

[1]周中吉.浅谈钢结构拼装焊接施工工艺流程及施工方案[J].中国设备工程,2022(16):112-114.

[2]邓勇.分析施工现场环境对钢结构焊接质量的影响[J].智能城市,2020,6(10):220-221.DOI:10.19301/j.cnki.zncs.2020.10.120.

[3]于孟佳.建筑工程中钢结构安装焊接施工技术的应用[J].建材与装饰,2019(32):28-29.