一種管道組對焊接方法與流程

本發明屬于管道施工領域，具體涉及一種管道組對焊接方法。

背景技術：

AP1000核電技術是我國從美國西屋公司引進的第三代核電技術，也是當前世界上技術最先進、安全性能最高的壓水堆非能動型核電技術。其中主管道作為反應堆壓力容器、主泵、蒸發器等核島七大關鍵設備之一，被稱為核電站的“主動脈”，其制造、安裝技術在國內外沒有任何經驗可以借鑒。

結合圖1所示，在AP1000核電站中位于壓力容器(RPV)1兩端的主管道2分別包括三根管道，其中主管道2的一端與壓力容器1固定連接，另一端分別與蒸發器(SG)3和主泵4固定連接。主管道2的安裝過程，首先將主管道2中的RPV端口與壓力容器1的三個管嘴進行坡口組對焊接，然后將主管道2中的SG端口分別與蒸發器3和主泵4的管嘴進行坡口組對焊接。由于蒸發器3和主泵4中與主管道2連接的三個管嘴不在同一水平面內也不在同一豎直平面內，因此，如果對三根管道逐一與蒸發器3和主泵4的管嘴進行坡口組對焊接，雖然通過調整蒸發器3和主泵4的空間位置可以快速完成第一根管道的組對焊接，但此時蒸發器3和主泵4的空間位置不一定能滿足另外兩根管道的組對焊接要求。因此，為了保證主管道2中的三根管道都可以完成組對焊接操作，需要對主管道2中的三根管道進行同時組對焊接操作。

然而，由于主管道2兩端坡口加工誤差的存在，以及主管道2與壓力容器1之間進行組對焊接所引起SG端口空間位置的不可控變化，都可能導致主管道2與調整蒸發器3和主泵4組對時存在較大的組對錯邊量，甚至超出組對錯邊量≤0.8mm，組對間隙≤2.0mm的組對要求，而無法直接進行組對操作。針對組對錯邊量超出組對要求的情況，在現有技術中，一般通過擴大管道內徑尺寸或借助組對工裝完成管道的組對操作。但是，采用擴大管道內徑尺寸的方法會導致管道壁厚下降，使管道的承壓能力和安全性能下降，存在安全隱患。采用組對工裝對管道進行強制組對，會在焊縫連接位置產生較大的應力，影響焊縫的質量使焊接的牢固性降低，同樣存在安全隱患。

技術實現要素：

為了解決現有技術中通過采用擴大管道內徑尺寸或借助組對工裝的方法，對錯邊量大的管道進行組對焊接操作后，管道的使用存在安全隱患的問題，本發明提出了一種全新的管道組對焊接方法。該方法包括以下步驟：

步驟一，測量所述第一管道的組對端口與所述第二管道的組對端口之間的實際錯邊量ΔH，其中0≤ΔH＜(R-r)；

步驟二，在所述第一管道的組對端口處加工第一坡口，所述第一坡口設有第一鈍邊且為雙坡口形式；其中，所述第一鈍邊所在圓周的半徑尺寸為S，且r＜S＜R；所述第一鈍邊所在圓周的軸線與所述第一管道的軸線之間徑向偏移距離為Δσ，且

步驟三，在所述第二管道的組對端口處加工第二坡口，所述第二坡口設有第二鈍邊且為雙坡口形式；其中，所述第二鈍邊所在圓周的半徑尺寸與所述第一鈍邊所在圓周的半徑尺寸相等為S，所述第二鈍邊所在圓周的軸線與所述第一鈍邊所在圓周的軸線重合；

步驟四，將所述第一管道和所述第二管道進行組對，形成位于所述第一鈍邊和所述第二鈍邊外側的外部組對坡口，以及位于所述第一鈍邊和所述第二鈍邊內側的內部組對坡口，并對所述外部組對坡口進行點焊固定；

步驟五，對組對管道進行焊接，其中對組對管道的外部組對坡口和內部組對坡口進行交替焊接。

優選的，所述步驟二中，當時，即所述第一管道與所述第二管道之間的錯邊量小于管道壁厚的一半時，將所述第一鈍邊所在圓周的軸線與所述第一管道的軸線重合設置，即Δσ＝0，將所述第一鈍邊所在圓周的半徑尺寸S設置為(r+ΔH)＜S＜(R-ΔH)。

優選的，在所述步驟二中，當時，即所述第一管道與所述第二管道之間的錯邊量大于等于管道壁厚的一半時，將所述第一鈍邊所在圓周的軸線與所述第一管道的軸線之間的徑向偏移距離Δσ設置為將所述第一鈍邊所在圓周的半徑尺寸S設置為

優選的，所述步驟二和所述步驟三中，所述第一坡口和所述第二坡口的坡口深度為L，且沿圓周方向的坡口深度最小值L_min≥0.1*(R-r)。

優選的，所述步驟五中，對組對管道的外部組對坡口和內部組對坡口進行交替焊接，且首先對坡口深度大的一側組對坡口進行焊接，然后對坡口深度小的一側組對坡口進行焊接。

進一步優選的，所述步驟五中，首先對坡口深度大的一側組對坡口進行焊接，且焊接深度為坡口深度小的一側坡口深度尺寸的1～1.5倍；然后對坡口深度小的一側組對坡口進行焊接，且焊接深度為該組對坡口的整個深度；最后對坡口深度大的一側組對坡口進行剩余深度的焊接。

進一步優選的，所述步驟五中，對所述外部組對坡口的坡口深度和所述內部組對坡口的坡口深度進行比較時，選取在管道整個圓周方向上的坡口深度最大值作為比較對象。

優選的，所述步驟三中，將加工所述第二坡口和所述第二鈍邊的坡口加工設備與所述第二管道固定連接，且所述坡口加工設備的加工旋轉軸線與所述第一鈍邊所在圓周的軸線重合。

優選的，所述步驟五中，采用窄間隙自動焊接工藝對組對管道進行焊接操作。

進一步優選的，所述步驟二和所述步驟三中，所述第一坡口和所述第二坡口的角度為5°，所述第一鈍邊與所述第二鈍邊的寬度為2～3mm。

采用本發明管道組對焊接方法，對錯邊量大的組對管道進行組對和焊接操作時，具有以下有益效果：

1、采用本發明的管道組對焊接方法，首先，通過根據組對管道之間的實際錯邊量與管壁厚度之間的關系來確定組對鈍邊的尺寸大小和空間位置；然后，對兩個管道進行坡口和鈍邊的加工并組成外部組對坡口和內部組對坡口；最后，根據組對坡口中的坡口深度，對外部組對坡口和內部組對坡口進行分階段的交替焊接。這樣將現有技術中根據設計值對管道坡口進行加工，調整至組對過程中根據組對管道之間的實際錯邊量，對管道坡口進行加工，并且根據組對管道之間的實際錯邊量與管道壁厚之間的關系，對鈍邊的加工尺寸和加工位置進行調整，將鈍邊調整至組對端面的中部位置形成非對稱的雙組對坡口，使組對鈍邊的尺寸和位置保持一致，從而實現對錯邊量大的組對管道的快速準確組對操作，提高組對管道的錯邊量裕度。同時，避免了采用現有技術中增加管道內徑尺寸完成管道組對時導致管道壁厚減小的問題，保證了組對管道的壁厚尺寸，提高了管道的使用安全性。

2、采用本發明的管道組對焊接方法，根據雙組對坡口的兩側坡口深度不同，首先對坡口深度大的一側組對坡口進行焊接，且焊接深度為坡口深度小的一側坡口深度尺寸的1～1.5倍；然后對坡口深度小的一側組對坡口進行焊接，且焊接深度為該組對坡口的整個深度；最后對坡口深度大的一側組對坡口進行剩余深度的焊接。這樣通過對外部組對坡口和內部組對坡口進行交替焊接，以及焊接過程中對焊接深度的控制，可以使焊接外部組對坡口產生的焊接應力與焊接內部組對坡口產生的焊接作用力相互均衡，從而降低組對管道的焊接變形量，提高組對焊接的質量。

3、在對組對管道的錯邊位置進行沿圓周和錯邊方向的焊接時，通過控制焊料在錯邊位置中不同區域的填充量，使組對管道在錯邊位置形成斜坡式過渡焊層。這樣不僅保證了管道在組對位置具有較大通流面積，滿足管道的通流能力，而且保證了管道在組對位置的焊接厚度，滿足管道的安全要求。

附圖說明

圖1為現有技術中AP1000核電站的壓力容器、蒸發器以及主泵三者之間通過主管道連接的結構示意圖；

圖2為本發明管道組對焊接方法的流程示意圖；

圖3為采用本發明管道組對焊接方法對組對管道進行組對時，組對管道沿錯邊量最大方向的截面示意圖；

圖4為采用本發明管道組對焊接方法對錯邊量小于管道壁厚一半的組對管道進行組對時，組對管道沿錯邊量最大方向的截面示意圖；

圖5為采用本發明管道組對焊接方法對錯邊量大于等于管道壁厚一半的組對管道進行組對時，組對管道沿錯邊量最大方向的截面示意圖；

圖6為采用本發明管道組對焊接方法對組對管道完成坡口和鈍邊加工后，組對管道沿錯邊量最大方向的截面示意圖；

圖7為采用本發明管道組對焊接方法對組對管道完成組對坡口焊接后，組對管道沿錯邊量最大方向的截面示意圖；

圖8為圖6中A處局部結構的放大示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明中的技術方案進行詳細介紹。

結合圖2和圖3所示，采用本發明的管道組對焊接方法，對存在錯邊量的管道進行組對和焊接的具體步驟如下：

步驟一，測量組對管道之間的實際錯邊量。組對管道包括第一管道5和第二管道6，其中第一管道5和第二管道6的內孔半徑尺寸為r，外圓半徑尺寸為R。利用激光測量技術，分別測量第一管道5在組對端口處的軸線51和第二管道6在組對端口處的軸線61所在空間位置，確定兩者之間的實際錯邊量ΔH以及錯邊方向。其中，當0≤ΔH＜(R-r)時，即組對管道之間的實際錯邊量小于組對管道的壁厚尺寸時，采用本發明的管道組對焊接方法對該組對管道進行組對和焊接。

步驟二，在第一管道5的組對端面加工第一坡口52和第一鈍邊53。其中，第一鈍邊53所在圓周的半徑尺寸為S，且r＜S＜R；第一鈍邊53所在圓周的軸線531與第一管道5的軸線51之間徑向偏置距離為Δσ，且

步驟三，在第二管道6的組對端面加工第二坡口62和第二鈍邊63。其中，第二鈍邊63所在圓周的半徑尺寸與第一鈍邊53所在圓周的半徑尺寸相等為S；第二鈍邊63所在圓周的軸線631與第一鈍邊53所在圓周的軸線531重合。

當時，即第一管道5與第二管道6之間的實際錯邊量小于管道壁厚尺寸的一半時。通過在第一管道5與第二管道6之間的組對區域7內設置第一鈍邊53和第二鈍邊63，即可以保證兩個鈍邊之間的組對錯邊量為零。其中，組對區域7是指當第一管道5與第二管道6沿軸線對齊時相互覆蓋的區域。此外，在(r+ΔH)＜S＜(R-ΔH)的范圍內，通過調整第一鈍邊53所在圓周的半徑尺寸S的大小以及調整第一鈍邊53所在圓周的軸線531與第一管道5的軸線51之間的徑向偏置距離Δσ，可以實現對第一鈍邊53和第二鈍邊63在各自管道組對端面上位置的控制，進而控制第一坡口52和第二坡口62的坡口深度L，以便于鈍邊的加工和坡口的組對焊接。其中，坡口深度L是指，鈍邊與各自管道內表面和外表面之間的徑向距離。

優選的，結合圖4所示，在本發明中，選取組對區域7中的同軸區域71作為設置第一鈍邊53和第二鈍邊63的區域。其中，同軸區域71是指，以第一管道5的軸線51為中心，以(r+ΔH)為內環半徑，以(R-ΔH)為外環半徑的圓環區域。此時，將第一鈍邊53所在圓周的軸線531與第一管道5的軸線51之間的徑向偏置距離Δσ設置為零，將第一鈍邊53和第二鈍邊63所在圓周的半徑尺寸S設置為(r+ΔH)＜S＜(R-ΔH)，從而完成第一管道5和第二管道6之間的組對操作。這樣在加工第一坡口52和第一鈍邊53時，將坡口加工設備與第一管道5安裝固定后進行同軸加工即可，從而簡化第一坡口52和第一鈍邊53的加工操作，提高加工效率。

結合圖5所示，當時，即第一管道5與第二管道6之間的實際錯邊量ΔH大于等于管道壁厚尺寸的一半時，組對區域7的面積變小并且位于組對區域7內的任意一個圓的圓心既不與第一管道5的軸線51對齊，也不與第二管道6的軸線61對齊。此時，對第一鈍邊53進行徑向偏置設置，即在第一鈍邊53所在圓周的軸線531與第一管道5的軸線51之間設置一定的徑向偏置距離Δσ且偏向第一管道5與第二管道6之間的錯邊方向。具體為，將第一鈍邊53所在圓周的軸線531與第一管道5的軸線51之間的徑向偏置距離Δσ設置為將第一鈍邊53和第二鈍邊63所在圓周的半徑尺寸S設置為

進一步優選的，在確定第一鈍邊53所在圓周的半徑尺寸S時，需要同時保證第一坡口52和第二坡口62在整個管道圓周方向上的坡口深度最小值L_min≥0.1*(R-r)。這樣在對坡口進行焊接時，才能在鈍邊與管道表面之間形成足夠厚度的焊縫，保證焊縫質量以及組對管道之間的連接強度。

對第一管道5進行第一坡口52和第一鈍邊53的加工步驟為：

首先，選用內脹式管道坡口機與第一管道5的內表面進行安裝固定。根據第一管道5的內徑測量數據，調整管道坡口機的中心位置使其與第一管道5圓周的軸線51重合，并借助該管道坡口機對第一管道5的內表面進行修正，提高第一管道5的內表面的圓度，保證第一管道5的內徑尺寸滿足設計要求。然后，再次對管道坡口機的中心位置和加工半徑進行調整。其中，根據加工第一鈍邊52所在圓周的半徑尺寸S，確定管道坡口機的加工半徑尺寸；根據加工第一鈍邊53所在圓周的軸線531與第一管道5的軸線51之間的徑向偏置距離Δσ，確定管道坡口機的加工旋轉軸線的徑向偏置距離為Δσ。最后，完成對第一坡口52和第一鈍邊53的加工。

對第二管道6進行第二坡口62和第二鈍邊63的加工步驟為：

首先，選用內脹式管道坡口機與第二管道6的內表面進行安裝固定。根據第二管道6的內徑測量數據，調整管道坡口機的中心位置使其與第二管道6圓周的軸線61重合，并借助該管道坡口機對第二管道6的內表面進行修正，提高第二管道6的內表面的圓度，保證第二管道6的內徑尺寸滿足設計要求。然后，再次對管道坡口機的中心位置和加工半徑進行調整。其中，調整管道坡口機的加工旋轉半徑與第一鈍邊53的加工旋轉半徑相等，調整管道坡口機的加工旋轉軸線與第一鈍邊53所在圓周的軸線531重合。最后，完成對第二坡口61和第二鈍邊62的加工。

步驟四，將第一管道5和第二管道6進行組對并點焊固定。結合圖6所示，由于第二鈍邊63是以第一鈍邊53為基準加工而成，且兩者的圓周半徑尺寸相等。因此，可以直接對第一管道5和第二管道6進行組對，并將第一鈍邊53和第二鈍邊63之間的組對錯邊量控制在0.8mm以內，組對間隙控制在2.0mm以內。完成組對后，在鈍邊的外側和內側分別形成外部組對坡口8和內部組對坡口9。由于第一管道5和第二管道6之間錯邊量的存在，使外部組對坡口8和內部組對坡口9形成非對稱的雙組對坡口，且外部組對坡口8和內部組對坡口9的深度包括坡口深度L和錯邊量ΔH。最后，在外部組對坡口8的底部位置進行圓周方向的點焊固定，以固定第一管道5和第二管道6之間的組對錯邊量和組對間隙。

步驟五，對組對管道的外部組對坡口8和內部組對坡口9分別進行焊接。優選的，采用外部組對坡口8和內部組對坡口9交替焊接的方式。首先，對坡口深度大的一側組對坡口進行焊接，且焊接深度為坡口深度小的一側坡口深度尺寸L的1～1.5倍；然后，對坡口深度小的一側組對坡口進行焊接，且焊接深度為該組對坡口的整個深度L+ΔH；最后，對坡口深度大的一側組對坡口進行剩余深度的焊接。這樣，通過對內、外部組對坡口進行分階段的交替焊接，不僅便于焊接過程中對焊縫質量進行無損檢測，而且可以避免焊接過程中由于兩側焊縫深度相差過大，引起外部組對坡口和內部組對坡口所受焊接應力不均使組對管道發生變形的問題，從而保證組對管道的焊接質量。

結合圖7所示，在對外部組對坡口8的坡口深度和內部組對坡口9的坡口深度進行比較和焊接時，選取在管道整個圓周方向上的坡口深度最大值作為比較對象。在圖7中，外部組對坡口8在管道整個圓周方向上的坡口深度最大值為L₁，內部組對坡口9在管道整個圓周方向上的坡口深度最大值為L₂,且L₁＞L₂。這樣，首先，對外部組對坡口8進行焊接，且焊接深度為(1～1.5)*L₂；然后，對內部組對坡口9進行焊接，焊接深度為坡口深度L₂和錯邊量ΔH，其中對錯邊位置進行焊接時，焊縫10在管道圓周方向和管道錯邊方向上逐漸過渡，形成過渡斜面；最后，對外部組對坡口8的剩余坡口深度和錯邊量ΔH進行焊接，其中對錯邊位置進行焊接時，焊縫10在管道圓周方向和管道錯邊方向上逐漸過渡，形成過渡斜面。其中，在對錯邊位置進行焊接時，通過控制焊料沿圓周方向在錯邊位置中不同區域的填充量，在第一管道5和第二管道6之間的錯邊位置形成過渡斜面，保證管道的通流面積和焊縫厚度。

進一步優選的，結合圖8所示，在本發明中，采用窄間隙自動焊接工藝對組對管道進行焊接操作，第一坡口52和第二坡口62的角度加工為5°，第一鈍邊53和第二鈍邊63的寬度尺寸a加工為2～3mm。這樣不僅可以減少焊縫填充量、提高焊接效率、縮短工期，還可以加強焊縫質量、提高安全裕度。

在AP1000核電站主管道2的組對焊接時，采用本發明的管道組對焊接方法，首先，將主管道2中的三個RPV端口與壓力容器1組對焊接固定；然后，將蒸發器3和主泵4吊裝至安裝位置，采用激光測量技術對主管道2的三個SG端口以及蒸發器3和主泵4上的三個管嘴進行空間位置的測量，得出三個SG端口與對應管嘴之間的實際錯邊量；接著，根據相互組對管道之間的實際錯邊量與各自管道壁厚之間的關系，加工坡口和鈍邊；最后，對三個SG端口和三個管嘴進行組對，形成三組非對稱的雙面組對坡口，并通過外部組對坡口和內部組對坡口的交替焊接完成組對管道的焊接。通過采用本發明的管道組對焊接方法，使AP1000核電站主管道2的組對焊接實現了一次完成合格安裝，組對錯邊量控制在0.8mm以內，組對間隙控制在2.0mm以內，提高了施工效率和施工質量。