核电储罐底板的焊接变形控制分析

刘大朋

【摘要：】本文分析了核电储罐底板焊接应力产生的原因，介绍了引起变形的各种类型，重点阐述了在施工中如何采取措施控制底板焊接变形，提出了解决核电大型储罐在施工过程中焊接变形的有效措施。

【关键词：】核电储罐 核电储罐；底板 ；焊接变形 焊接变形；控制

1 1、前言

核電储罐底板是由多块条型中幅板和多块弓型边缘板拼接而成，是整个贮罐受力最大的部位。其焊接特点为：核电焊接质量要求高，直径大、板薄、钢板厚度与贮罐底板的宽度相比，尺寸相差悬殊，刚度差，焊缝数量多，焊接应力大，易产生焊接变形且变形量大，控制难度大，而严重的焊接变形会降低储罐的承载能力及稳定性，甚至使罐底底板报废。因此分析焊接变形的机理及各种影响因素，掌握其变形规律，制定有效的焊接方案及措施，使储罐底板焊接变形控制在设计允许的范围，是整个储罐制作的关键，关系到整个储罐安装的成败。

2 2、焊接变形分析

焊接变形的产生，从根本上是因为焊接热过程中温度在构件上的分布极不均匀，造成高温区域冷却后产生收缩量大，低温区域收缩量小，这种不平衡的收缩导致了底板形状的改变。而罐底的焊接变形主要是由纵向收缩和横向收缩所引起的底板角变形、波浪变形『1』。

2.1、角变形

角变形的产生是由于接头处沿板厚方向温度不均匀分布造成横向收缩不一致引起的。因而角变形的大小取决于钢板接头的刚度和温度不均匀分布的程度，具体说即取决于坡口的形状尺寸和焊接方法。

2.2、波浪变形

波浪变形的产生原因有两种，一种是板的对接焊缝产生上下相间排列的角变形带来的，另一种是由于焊接过程给钢板带来的压应力造成了板的局部失稳屈曲。前者可以用控制角变形的方法控制，而后者则必须设法降低焊接内应力或改变其分布规律。

2.3 焊接变形控制

根据焊接变形原因及应力产生的分析，焊接变形控制主要通过调整焊接顺序和刚性固定两种手段。

23、换料水箱底板结构形式

核电储罐底板焊接变形控制主要以不锈钢储罐换料水箱（PTR）底板为控制难点。

换料水箱（PTR）是在核电站核岛停堆换料时，向反应堆换料水池中充水。在核岛核反应堆装置出现失水事故的意外情况下换料水箱为安全喷淋系统和安全注入系统提供所需的含硼水，是涉及核安全2级的关键设备。

23.1、PTR底板的结构

PTR贮罐底板由边缘板和中幅板组成。边缘板由12块20mm厚的弓形边缘板组成外圆内多边的环状结构，中幅板为多块条状板拼成的多边形平板结构，边缘板和中幅板之间通过搭接焊接在一起，构成整个底板（见图1），底板和罐壁通过“T”字角焊缝相连。

23.2、底板的焊接形式

底板弓形边缘板为带垫板的对接焊（图2），中幅板为搭接焊（图3），边缘板和中幅板为搭接焊（图4）。

4、罐底板变形的控制

底板焊接顺序：环形边缘板→中幅板→罐底与筒体间的角焊缝→环形边缘板与中幅板。

底板焊接前，首先要优化底板排版，一般直径按其设计图纸直径放大0.15～0.2%，以补偿焊缝的纵向和横向焊接变形收缩量『2』。

4.1、环形边缘板焊接

环形边缘板采用带垫板的对接焊缝，共有12条对接焊缝，焊口1、3、5、7、9、11是预留的边缘板伸缩缝，用卡具固定。由于每个环形边缘板对接焊缝在焊接以后，会因焊缝收缩引起变形，因此采用反变形措施控制变形，即先将环形边缘板对接口与焊接变形相反的方向垫高160mm左右。环形边缘板焊接采用隔缝跳焊法，即隔开一条伸缩缝，1个焊工同时焊接2条焊缝（3个焊工同时焊接6条焊缝），如下图所示。

环形边缘板的对接焊缝焊接，采用由外向里分段退焊的焊接方式。考虑到横向收缩变形，边缘板的组对应采用外窄内宽的不等间隙（根据经验，外侧组对间隙为4～6mm，内侧间隙为6～8mm），以便在先焊外侧300mm的过程中，由于焊缝的热收缩间隙使间隙归于一致，保证焊后边缘板的平整度，以防止出现局部突起，如下图所示。

4.2、中幅板搭接焊

PTR罐底板设计为搭接接头，与基础接触的底面搭接处是无法施焊的。这种接头存在着严重的缺口效应，是典型的应力集中焊接接头，相当于焊缝根部存在裂纹。因此，必须限制变形量，以防止由于液面变化所产生的交变应力导致表面焊缝根部撕裂或疲劳断裂。罐底焊接后，其局部凹凸变形的深度，不应大于变形长度的2%，且大于50mm『3』。

中幅板设计厚度为6mm，由于厚度小、焊缝密集、波浪变形倾向大，局部凹凸度在所难免，但如果在施焊时采取一定的工艺措施，这种变形可以控制在标准允许偏差范围内。中幅板的局部凹凸变形主要是收缩量之差造成的。在焊接过程中，板的一侧焊缝先焊先收缩，而板中部和末端的一侧相对松弛或没有收缩，导致板向上拱起。这时如果强行组对施焊，另一侧就会形成较大的应力并产生应力变形，所以应采取以下措施防止变形：

1）先将组对时的定位焊缝打磨去除，让中幅板之间保持自由状态，以利于在施焊过程中能自由收缩，补偿由于焊接应力所产生的变形。同时为了减少收缩不均匀性造成的变形，施焊前采用刚性固定的方法以减少变形。

2）中幅板的焊接应由内向外，由中心向四周方向进行，使内部焊缝的纵横向变形不受到外部焊缝的约束而降低变形。其原则先焊短焊缝，后焊长焊缝。先焊短焊缝，使中幅板短焊缝在自由状态下进行；长焊缝焊接时，不要把所有的焊缝全部拼接后再焊，而采用拼一段焊一段，完成后再拼另一段的焊接方式。由内向外焊接后，使罐底板变成若干可以自由收缩，基本无应力的中幅长条板，再将各条长焊缝焊接起来，也属于在无拘束的自由收缩状态下成型，这样引起的焊接波浪变形和焊接应力都较小。

4.3、罐底与筒体间的“T”字角焊缝焊接

“T”字角焊缝是贮罐受力最不利的地方，因此是贮罐最薄弱的环节，为保证强度，采用双面多层角缝，焊缝截面尺寸大，焊接收缩变形量大，为减少变形，应采取如下措施：

1）在罐体内外部，沿圆周等分间距约0.5m，在等分点上内外交叉用槽钢与底板成45°夹角焊在壁板与边缘板之间，使壁板与边缘板成垂直刚性固定，防止底板翘起变形，从而减少大角焊缝的角变形。

2）焊接时由数名焊工对称分布，先内后外，内外交替进行，沿同一方向等速进行分段焊接，初层焊道应采用跳焊法，以防止边缘板外侧翘起。

3）反变形用槽钢待角焊缝冷却后再拆除，且在拆除前用大锤敲打一圈角焊缝，以释放收缩应力，消除变形。

4.4、环形边缘板与中幅板搭接缝焊接

环形边缘板与中幅板的焊口作为环向预留收缩缝，是底板的最后一道焊口。主要是因为“T”字环焊缝在焊接过程中沿焊缝纵向收缩，造成罐底有一个整体缩小的趋势，如果中幅板与环形边缘板先于前焊接，则在“T”字环缝焊完，由于圆面积的缩小趋势造成整个罐底拱起，极有可能导致底板局部凹凸度超标。

组对时采用卡具和斜铁固定以防止变形，施焊时由数名焊工等分圆周分段退焊，但中幅板径向搭接伸缩缝与弓形边缘板搭接处（即3板相叠处）两侧各50mm暂不焊接。焊前应用铁锤将相叠处的砸至紧密相贴（一般不得大于1mm），施焊时，除直接焊过交叉点处，还应在交叉处做转角施焊处理，并且不得在交叉处接头。

5、结论

CPR1000核电储罐底板通过采用上述工艺方法控制焊接变形，焊接后的底板完全能够满足设计要求。我们在底板焊接变形控制方面积累了一定的经验，希望上述总结能为其他核电项目贮罐底板施焊变形控制提供参考。

参 考 文 献

[1]于立国.10万方储罐底板焊接变形控制措施研究[J].2006（11）-0082-02

[2]HGJ210-83 圆筒形钢制焊接贮罐施工及验收规范[S].化学工业部.1983

[3]GB 50128-2005.立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范[S]，北京，中国计划出版社，2006