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摘要

对核岛安全壳用主材SA738 Gr B在CV底封头组焊过程中的焊接性能及结构变形进行研究。结果表明，该材料在中厚板的焊接收缩量和结构变形具有自身的可控规律，对这一规律的研究有助于核电安全壳结构的组焊和结构变形的控制。

关键词： SA 738 Gr B ，CV底封头组装，焊接收缩量，焊接变形控制

一、CV介绍

材料简介

SA 738 Gr B 是按照ASME Ⅱ A 篇2001 版SA 738 制造的中低温压力容器用热处理的碳锰硅钢板，根据ASME Ⅸ材料分组（QW-420）可知，SA738Gr.B属于P-NO.1.组号3（化学成分见表1），最小抗拉强度为585MPa（机械性能见表2）。

材料的碳当量为0.604%，可知这种材料淬硬、冷裂倾向较大，因此在焊接时必须进行焊前预热，以防止裂纹出现。

CV结构简介

CV 是核反应堆安全壳（containment vessel ）的简称，属于核2级设备。整体有三大部分构成。分别是底封头（4圈），筒体（包括一环3圈，二环3圈，三环3圈，四环2圈）和顶封头（4圈）构成。

图1 底封头结构

其中，底封头是从底部2块钢板向上部32块钢板组装。底封头又因附件较多，对焊接收缩量和变形控制难度较大，焊接较有代表性。

二、施工过程

2.1施工顺序流程图如下

2.2 CV底封头组装顺序图

图2 底封头板组装顺序

2.3底封头上的附件主要有

1、7个机械贯穿件套管；

2、11圈剪力钉，分布在相对底封头中心点标高5297.5mm至9667.9mm之间的底封头外表面。焊钉的材质为A108，规格为19×203mm，数量约5520支。

3、16根临时支柱。

4、临时定位环。

2.4 CV底封头特点及难点

底封头板在工厂采用分片法组装成形，再送往核岛安装。封头的结构尺寸大，板材厚，各圈的纵缝数量不同，将导致各圈焊接变形不一致，影响环缝的组对和焊接，从而影响底封头的结构尺寸和焊缝质量。

2.5施工流程详细介绍

预调微调螺栓

按图3调节支撑块的高度和半径来调整支撑块，因现场安装精度仅能到达0.01m，需用全站仪测量支撑块中心点的标高和半径，根据支撑块中心点的半径相应调整支撑块的标高。此步骤主要是为放置底封头钢板，初步控制钢板的状态，对后期控制钢板焊接变形有较大的影响。

图3 底封头组装支撑块图

放线

根据现场坐标系统，用全站仪确定封头中心点位置。

标出0° - 180°和90° - 270°坐标轴线。

组对第一圈

用车间内的桥式起重机将第一圈封头板吊到指定位置。吊线检查封头板的位置。在封头外表面安装组对卡具，调整组对间隙和错边量。

检查第一圈上口水平度。调节支架上的微调螺栓，使上口水平度和组对接头处的弧度符合要求。各微调螺栓上的支撑块均应与封头板保持接触。

第一圈方位确认无误后，将底封头板与钢结构点焊固定，防止在组装下一圈时其中心位置发生移动。用铅坠检查第一圈板中心与地面中心在同一条垂直线上。

在第一圈板上口标记出第二圈板的起始位置。

组对第二圈

吊装方式同第一圈。用全站仪检查其方位。

在底封头板外表面安装组对卡具，调整该板与第一圈底封头板的组对间隙和错边量。调节支架上的微调螺栓，使底封头板的高度和水平度符合要求（用全站仪观测）。

以该板为基准组装其余钢板。 最后一块板的尺寸在该圈的其他板组装调整完毕后全站仪测量确定，并进行二次切割和修磨。

安装最后一张板并固定卡具。在第二圈板上口标记出第三圈板的起始位置。

焊接第一圈

将第一圈与钢结构之间的点焊去除。

检查并记录接头组对尺寸。

焊接底封头板。焊接过程中通过全站仪测量或弧形样板的监控来实时观测焊接变形，及时用卡具调整，必要时先从外侧进行焊接。

重新将第一圈与钢结构点焊固定。

在底封头内侧（焊缝上）标记出底封头的中心点。标记不得采用任何造成焊缝缺损的方法进行，如打样冲、打磨等。

在地面上标出将底封头中心点和方向线。

组对第三圈

考虑第三圈底封头板对底封头中心所产生的水平方向作用力的影响，采用对称的组装顺序，见图3。

用车间内的桥式起重机将该圈的第1张底封头板吊到指定位置。用全站仪检查其方位。在底封头板外表面安装组对卡具，调整该板与第二圈底封头板的组对间隙和错边量。

用同样方法安装该圈第2张板。调节支架上的微调螺栓，使底封头板的高度和水平度符合要求（用全站仪观测）。以第1、2张板为基准组装其余钢板。

第23和第24块板的尺寸在该圈的其他板组装调整完毕后测量确定，并进行二次切割和修磨。

安装最后两张板并固定卡具。在第三圈板上口标记出第四圈板的起始位置。

焊接第二圈纵缝

根据第一圈纵缝焊接前的测量数据，估算焊接变形对直径和周长的影响，确定并调整第二圈的铺设直径。

检查并记录第二圈纵缝的组对间隙和错边量。

检查合格后，对第二圈纵缝进行定位焊。

进行第二圈纵缝的焊接。焊接过程中通过全站仪测量或弧形样板的监控来实时观测焊接变形。

第二圈纵缝上下端约500mm左右暂且不焊，待第二圈环缝组对好后焊接。

焊接第一圈环缝

调节环缝组对错边量。

焊接第二圈下端未焊完的纵缝。预留焊缝应布置多名焊工同时施焊，并注意观察焊接变形对环缝的影响，及时调整环缝。

焊接第一圈环缝。焊接过程中通过全站仪测量或弧形样板的监控来实时观测焊接变形。

焊接第三圈纵缝

检查并记录第三圈纵缝的组对间隙和错边量。检查合格后，对第三圈纵缝进行定位焊。

进行第三圈纵缝的焊接。焊接过程中通过全站仪测量或弧形样板的监控来实时观测焊接变形。

第三圈纵缝两端需预留约500mm左右。

焊接第二圈环缝

调节环缝组对错边量。

焊接第三圈下端和第二圈上端未焊完的纵缝。预留焊缝应布置多名焊工同时施焊，并注意观察焊接变形对环缝的影响，及时调整环缝。

焊接第二圈环缝。焊接过程中实时观测焊接变形。

组对第四圈

考虑第四圈底封头板对底封头中心所产生的水平方向作用力的影响，亦采用对称的组装顺序，见图3。

用车间内的桥式起重机将该圈的第1张底封头板吊到指定位置。用全站仪检查其方位。在底封头板外表面安装组对卡具，调整该板与第三圈底封头板的组对间隙和错边量。

用同样方法安装该圈第2张板。调节支架上的微调螺栓，使底封头板的上缘高度和水平度符合要求（用全站仪观测）。以第1、2张板为基准组装其余钢板。

第31和第32块板的尺寸在该圈的其他板组装调整完毕后测量确定，并进行二次切割和修磨。

安装最后两张板并固定卡具。

组对焊接定位环（如图5所示）

焊接第四圈纵缝

进行第四圈纵缝的焊接。焊接过程中通过全站仪测量或弧形样板的监控来实时观测焊接变形。

第四圈纵缝下端约500mm左右暂且不焊，待第三圈环缝组对好后焊接。

纵缝焊接完成后，检查第四圈上口（筒体端）直径和周长。

焊接第三圈环缝

调节环缝组对错边量。

焊接第四圈下端和第三圈上端未焊完的纵缝。预留焊缝应布置多名焊工同时施焊，并注意观察焊接变形对环缝的影响，及时调整环缝。

焊接第三圈环缝。焊接过程中通过全站仪测量或弧形样板的监控来实时观测焊接变形。

附件的安装与焊接

焊钉

在地面上架设全站仪，利用上述高程控制点，在底封头上按各圈剪力钉的标高确定出一些点，再将各圈点连成线，形成剪力钉的环向布置线；利用全站仪在CV底封头外面剪力钉分布的角度点，连接这些角度点，则能画出剪力钉的纵向布置线，剪力钉不得定在底封头的焊缝上。

支柱

测量核岛CR10上16根支柱的方位角，半径和标高，作为底封头上16根支柱的位置基准，切割16根支柱的高度。

组装误差

对接接头错边量，纵缝和环缝均不应超过3.2mm；组对间隙0～10mm。

底封头筒体端最大直径与最小直径之差不超过名义直径的0.25%，即99mm。

2.8 实际施工流程中需注意的问题及解决的方法

第一圈环缝是在第四圈板除调整板外吊装就位、第三圈板纵缝焊接完毕后焊接，对CV底封头中心点因焊接变形抬高控制较困难，那么在钢板吊装就位时，就应该考虑中心点抬高对CV底封头形状偏差的控制有非常大的影响。

CV定位环再第四圈纵缝焊接前必须进行适当的调整，调节CV底封头上口的半径，最大半径与最小半径差小于30mm，主要是为了筒体一环与CV底封头的安装组对，控制错边量。

数据测量

3.6.1 焊接收缩数据测定

收缩量的测定方式为在坡口两边各延长50mm打样冲点，通过在不同的焊接时机，进行多点测量长度的变化来测定收缩量的大小。

3.6.2 结构变形数据测定

根据测量报告及施工日志整理出以下的坐标数据：

中心点相对车间立柱的高度差值为18777.3、18912.7（两个柱子）；

5B板纵缝内外三层焊接完毕后 18783.1、18917.4（-5.8、-4.7）;

5B板纵缝焊接完毕后  18786.6、18923.1（-9.3、-10.4）；

4B调整板吊装就位前 18783.1、18917.4（-5.8、-4.7）

4B板吊装组对完毕后 18784.7、18922.1（-7.4、-9.4）

4B板纵缝焊接完后 18791.5、18926.1（-14.2、-13.4）

3B调整板吊装就位前 18793、18928.2（-15.7、-15.5）

3B板吊装组对后 18793 18928.2（-15.7、-15.5）

3B板纵缝焊接完毕后 18781.9、18918.5（-4.6、-5.8）

5B/4B环缝焊接完毕后 18746.1、188880.4（+31.2、+32.3）

2B调整板吊装就位前 18756.6、18892.3（+20.7、+20. 4）

2B板纵缝焊接前定位焊后 18742.5、18877.3（+34.8、+35.4）

4B/3B环缝焊接完毕后 18742.5、18877.3（+34.8、+35.4）

2B板纵缝焊接后 18748.1、18885.9（+29.2、+26.8）

3B/2B环缝焊接完毕后 18742.5、18877.3（+34.8、+35.4）

整体测量时18748.1、18885.9（+29.2、+26.8）

二 结果与讨论

主要是改变了施工顺序，3B板纵缝焊接完、2B板（除调整板）吊装就位后，焊接5B/4B环缝，造成中心部位焊接变形较大，中心点抬高35mm；2B调整板就位定位焊后，对CV顶封头的形状偏差有一定的影响，中心点略微有上升；此时发现2B板下端和3B板上端形状偏差超标，引起后期一系列的施工措施，控制2B下端和3B板上端的焊接变形，形状偏差向好的方面发展。4B/3B、3B/2B环缝焊接后报告中的中心点没有变化。2B板纵缝焊接收缩、3B板受力，中心点下降5mm；最终整体CV底封头测量中，中心点标高抬高27mm。

对整体测量数据报告进行数据处理，中心点标高降低了14mm，使CV底封头总体的形状偏差都在±41.3mm偏差范围内。

在施工过程中，改变施工顺序先吊装就位了3B板，但调节3B板的调整螺栓时没有考虑CV底封头因焊接变形中心点抬高等因素，3B板的形状偏差值都大于+20mm以上，而2B板以3B板上端吊装就位，仅调整了2B板上端的调节螺栓，上端形状偏差符合±41.3mm标准范围内；因施工工期比较紧张，没有安排进行调整2B板下端和3B板上端的调节螺栓工作，影响了后期的焊接变形控制，形状偏差超过了标准值，立即改变焊接顺序，在焊接过程中调整，最终得到的CV底封头还是合格的。

在2B板纵缝开始焊接时，发现2B/3B环缝的间隙随2B板纵缝的焊接收缩会越来越小，如果不采取措施，将打磨大量的2B、3B板的坡口。发现这个情况后，进行了策略调整，在焊接2B板纵缝的过程中，对2B/3B环缝的错边量和间隙进行调整，焊接临时附件固定。该调整过程对2B板的焊接变形量的测量监控也造成了一定的影响，测量数据不是完全由焊接变形而引起的，2B/3B环缝附近的测量数据随着钢板的调整，形状偏差值+60以上很快向+50变化，在2B/3B环缝焊接完毕后，形状偏差值达到了±41.3mm的误差范围。

三 结论

CV底封头调整板现场切割、加工坡口，受加工条件限制需要投入较多的人力、物力和工作班次，影响工程施工的进度。其次，一块CV底封头SA738GR.B钢板造价达到了100万人民币以上，如果在切割过程中，造成钢板的损毁，会对项目带来不小的经济损失，对公司的名誉也会带影响。所以，在CV底封头的吊装组装、焊接工作中，调整板的切割和组装应该放在一个比较重要的位置，重视该部分施工。

参考文献或注释：

海阳核电CV项目部底封头组装程序  HYCV-TM-GZCX-001;

线性公差标准GB1804-2000;

海阳核电西屋设计变更CPP-MV50-GNR-002S.