一、概述
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及國內(nèi)人工成本的逐步上漲，自動化焊接技術(shù)因其質(zhì)量穩(wěn)定、焊材消耗少、焊工培訓(xùn)周期短及勞動強(qiáng)度低等特點(diǎn)，在核電建設(shè)安裝領(lǐng)域得到了一些應(yīng)用，并取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。
中國核工業(yè)二三建設(shè)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(shù)革新方面的研發(fā)投入，取得了一些研究成果，本文將進(jìn)行詳細(xì)介紹。
二、 全位置TIG自動焊技術(shù)
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(jī)組管道安裝工程量近12.5萬m。核電管道焊接質(zhì)保等級高，對于質(zhì)量要求嚴(yán)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(zhì)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(shù)是提高質(zhì)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(yù)制，開展了自動TIG焊技術(shù)的研發(fā)，其中，主管道窄間隙自動焊技術(shù)已經(jīng)在我國核電安裝現(xiàn)場得到了成功應(yīng)用。
1. 核電站主回路管道窄間隙TIG自動焊技術(shù)
核電站主回路管道是連接核電站反應(yīng)堆壓力容器、主泵和蒸汽發(fā)生器等主要設(shè)備的大厚壁承壓不銹鋼管道，被稱為“主動脈”，承擔(dān)著核安全保護(hù)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(yùn)行40年以上，對焊接質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。以百萬千瓦核電機(jī)組為例，單臺機(jī)組共三個(gè)環(huán)路，每個(gè)環(huán)路8道焊口（見圖1），主管道直徑最大976mm，壁厚97mm，單個(gè)焊口采用寬坡口手工焊技術(shù)需要焊接約1個(gè)月時(shí)間，焊材消耗量大，對焊工技能要求高。
中核二三公司于2005年啟動了窄間隙TIG自動焊技術(shù)的研究工作，經(jīng)過近5年的技術(shù)攻關(guān)，完成全套技術(shù)的研發(fā)。該技術(shù)與手工焊技術(shù)相比，單個(gè)主管道焊口的焊接時(shí)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(xùn)周期僅需2個(gè)月，約為手工焊的1/10；不僅縮短了焊接時(shí)間，降低了焊材消耗，而且大幅縮短了焊工培訓(xùn)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(xiàng)技術(shù)在我國寧德核電主回路管道安裝現(xiàn)場成功應(yīng)用，并推廣到紅沿河、陽江、防城港、福清和方家山等核電項(xiàng)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(shù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
2. 波動管窄間隙TIG自動焊技術(shù)
波動管是穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)主回路壓力控制和超壓保護(hù)的重要組成部分，整體呈螺旋狀連接, 將反應(yīng)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(zhì)為不銹鋼，單機(jī)組波動管分7段安裝，需現(xiàn)場焊接8個(gè)焊口（見圖3），管徑大、管壁厚，對焊接質(zhì)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(shù)，焊口射線探傷一次合格率達(dá)100%，優(yōu)異的焊接質(zhì)量，為機(jī)組安全運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障。目前，國內(nèi)三代AP1000堆型波動管焊接也采用了窄間隙TIG自動焊技術(shù)。
3. 主蒸汽管道自動焊技術(shù)
主蒸汽管道是連接核島蒸汽發(fā)生器與常規(guī)島汽輪機(jī)的二回路大直徑厚壁承壓管道，由于其運(yùn)行工況特殊，安全等級高，因此對焊縫質(zhì)量要求高，是核電廠當(dāng)中的大型超級管道。目前，我國在建二代核電技術(shù)，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(shù)。而以AP1000核電堆型為代表的三代核電安裝技術(shù)規(guī)格書要求，對于采用LBB（leakage before broken破前泄露）設(shè)計(jì)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(xiàng)目為例，主蒸汽管道材質(zhì)為SA335—P11，管徑965mm，壁厚44.2mm，屬于耐熱低碳合金鋼，焊前需要預(yù)熱，焊后需要進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，焊接難度大。采用手工TIG焊技術(shù)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(qiáng)度相當(dāng)高。
為進(jìn)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(shù)研發(fā)（見圖4）。與手工焊相比，采用該技術(shù)可使單道焊口的焊接時(shí)間由20天縮短到8天，焊材消耗由20kg降低到10kg，優(yōu)勢相當(dāng)明顯。
目前，該技術(shù)將在中廣核紅沿河5/6號機(jī)組安裝現(xiàn)場進(jìn)行首次成果應(yīng)用，同時(shí)，該技術(shù)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(yù)制超聲波TIG焊技術(shù)
核島輔助管道管徑相對較小、壁厚較薄，可以預(yù)制的焊口數(shù)量大，傳統(tǒng)輔助管道預(yù)制焊接采用手工TIG焊技術(shù)，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(fù)合電弧焊原理是將超聲波通過導(dǎo)電電極傳導(dǎo)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(shí)現(xiàn)管道不開坡口自熔（見圖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(shí)現(xiàn)了6mm壁厚管道預(yù)制不開坡口一次性焊透，并在民用化工項(xiàng)目管道預(yù)制現(xiàn)場進(jìn)行了初步應(yīng)用，在確保質(zhì)量的前提下有效提高了焊接效率。隨著我國核電建造標(biāo)準(zhǔn)升級，該技術(shù)可以推廣應(yīng)用于核島輔助管道預(yù)制，對于提高我國核工程管道預(yù)制自動化水平具有重要意義。
三、自動熔化極氣體保護(hù)焊技術(shù)
核電站大型罐體、厚壁鋼制容器以及大型結(jié)構(gòu)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(zhì)量不容易保證，是自動焊技術(shù)的主要研發(fā)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)，生產(chǎn)效率低，焊縫質(zhì)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(hù)焊（簡稱GMAW）技術(shù)研究，利用混合氣體作為保護(hù)氣體，采用連續(xù)等速送進(jìn)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(jì)，采用自動焊技術(shù)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(shù)于2015年12月在山東榮成CAP1400示范工程開始了國內(nèi)首次應(yīng)用，填補(bǔ)了我國核電建設(shè)安裝領(lǐng)域大型容器應(yīng)用自動焊技術(shù)的空白。
此外，AP1000三代核電機(jī)組建造最顯著的特點(diǎn)是模塊化施工，AP1000核電堆型中的7大結(jié)構(gòu)模塊在安裝過程中存在大量有規(guī)則的焊縫。目前，這些結(jié)構(gòu)模塊焊接主要采用手工焊技術(shù)，勞動效率低、工作強(qiáng)度大，對焊工的技能水平要求高。通過針對結(jié)構(gòu)模塊開展（GMAW）熔化極氣體保護(hù)自動焊技術(shù)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(zhì)量和效率的同時(shí)降低了工人勞動強(qiáng)度（見圖7）。
四、結(jié)語
隨著焊接技術(shù)水平不斷進(jìn)步，采用先進(jìn)高效的半自動和自動焊技術(shù)代替手工焊技術(shù)仍是未來發(fā)展的趨勢。同時(shí)，伴隨著自動化焊接技術(shù)的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)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(shù)的研發(fā)和推廣應(yīng)用過程中，需要采用產(chǎn)、學(xué)、研、用聯(lián)合的模式，掌握焊接標(biāo)準(zhǔn)、焊接材料、焊接工藝、焊接設(shè)備及輔助工裝成套技術(shù)。同時(shí)，安裝單位、設(shè)計(jì)院、工程公司和業(yè)主公司加強(qiáng)溝通互動，各方聯(lián)合推動，才能將這些新技術(shù)更好更快的應(yīng)用于現(xiàn)場，提高我國核電建造整體安裝技術(shù)水平。
