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摘要：核电站蒸汽管道抗甩击钢结构是防止蒸汽管道边翘效应的约束装置，通过对其结构特点进行合理分析，采用焊接冷裂纹控制技术、焊接变形控制技术、焊接质量稳定性控制措施、消应力热处理技术提高抗甩击钢结构的制作和焊接质量，以确保核电的质量和安全，为核电建造提供经验。
关键词：抗甩击；焊接；冷裂纹；焊接变形；消应力
中图分类号： TG42 文献标识码： A 文章编号：
某核电站的重型钢结构抗甩击包括C1构件2件、C2构件1件、C3～C6构件各1件，主要由60mm、40mm、25mm规格的厚钢板采用坡口焊缝拼焊制作成框架结构，见图1。抗甩击钢结构是防止蒸汽管道边翘效应的约束装置，对核电站的安全性具有重要作用。
根据抗甩击钢结构的结构特点，其在制作过程中必须解决以下几个焊接技术难点：1）抗甩击钢结构采用了厚规格低合金高强度结构钢，具有一定的淬硬倾向，如何避免厚板焊接冷裂纹的产生；2）抗甩击钢结构基本全部采用厚板带坡口拼焊，焊缝数量多，焊接填充量大，如何控制焊接变形来保证几何尺寸精度要求； 3）所有坡口焊缝需进行100%PT和100%UT探伤，全比例探伤情况下如何保证焊接内部质量的稳定性； 4）如何减少焊接殘余应力，提高构件的承载性能。
图1 抗甩击钢结构结构图
1. 母材的成分和性能
抗甩击钢结构采用了Q235C、Q345C钢板，其中Q235C为碳素结构钢，含碳量较低，基本没有合金元素，抗拉强度和屈服强度级别较低，Q345C通过添加少量合金元素来提高强度和韧性，是典型的低合金刚强度结构钢。Q345C钢板的成分和性能见表1、表2。
表1 Q345C化成成分（最大值，%）
表2 Q345C机械性能
2. 焊接冷裂纹控制技术
钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量、焊接接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。根据碳当量计算公式，得知Q345C钢板的Ceq=0.35～0.45，有一定的淬硬倾向，而抗甩击钢结构焊接填充量大，焊缝数量多，焊接过程中会产生很大的焊接内应力，这些都增加了焊接冷裂纹产生的几率。因此，抗甩击钢结构制作焊接过程中，必须采取针对性的控制措施，以避免冷裂纹的产生，提高焊接质量。
2.1控制焊接接头的冷却速度
高强钢焊接时，焊接熔池的温度从800℃降到500℃的时间（即t8/5）对焊接冷裂纹的产生起着重要作用，一般要求t8/5适当长一点，即从800℃降到500℃的冷却速度适当慢一点。因此抗甩击钢结构焊接时，可以通过采取焊前预热、保持层间温度来控制焊接接头的冷却速度，根据工程经验和焊接工艺评定，预热温度一般大于100℃，层间温度为100～200℃。
2.2 减少焊接接头中的含氢量
高强钢焊接时，焊接接头的含氢量越高，焊接冷裂纹的敏感性越大［3］。减少抗甩击钢结构焊接接头的中扩散氢含量，能有效避免焊接冷裂纹的产生，具体措施有：
采用CO2气体保护电弧焊工艺：CO2气体保护电弧焊是一种超低氢型焊接方法，采用此焊接方法能确保焊缝熔敷金属中具有超低的含氢量，平均为1.54mL/100g［4］，，大大降低了焊接接头氢致冷裂纹产生的几率。
焊接前对坡口及附近区域进行彻底除锈、除油，除去焊接材料中的水分，控制焊接区域的环境湿度≤90%，减少氢的来源。
焊接完成后对焊接接头进行温度200～300℃、时间2～3小时的后热消氢处理，加速焊接接头中氢的扩散逸出，减少接头中的氢含量。
3. 焊接变形控制技术
抗甩击钢结构的几何尺寸要求非常严格，如图1所示，C1～C6各个构件的洞口尺寸偏差为±2mm，C3、C5构件底板的平面度为5mm。采用以下焊接顺序和工装可有效减少焊缝数量多、焊接填充量大的抗甩击钢结构的焊接变形，保证其几何尺寸的精确性。
3.1 C1、C2构件焊接顺序
如图1所示，C1、C2构件由上、下、左、右4个结构形式基本相同的小框架组成，组对时将上下、左右小框架底板采用如图2所示的背靠背形式固定起来，这样可以利用小框架自身的刚性以及采用对称焊接的措施来减小焊接变形。
如图2中A-A剖面图所示，先对称焊竖向接筋板与底板的焊缝，最边上的竖向筋板与底板焊接时需采用工装减少角变形，完成后焊接横向筋板与底板的角焊缝，最后焊接横向筋板与竖向筋板的角焊缝。小框架焊接完成后解除背靠背形式，必要时可以采用火焰来进行变形矫正，之后将4个小框架组成四方形和组对面板，先进行面板的打底焊接，再焊接洞口的4条主焊缝，焊接采用分段退焊。
图2C1、C2构件焊接顺序示意图
3.2 C3～C6构件焊接顺序
C3和C5、C4和C6结构形式相同，采用同样的背靠背形式将其组成整体，如图3所示。从中间向两边对称进行主筋板与底板的角焊缝焊接，焊接时采用分段退焊。完成后拆分C4和C6，根据需要可采用火焰矫正。
如图4所示，组对C3和C5的两排竖向筋板后，由里向外对竖向筋板与主筋板拼成的所有焊缝先进行打底焊接，每一排焊接从中间向两边多人对称进行，每条焊缝采用分段退焊。打底完成后再进行填充和盖面，从里向外多人对称进行分段退焊。
如图5所示，接着组对连接C3和C4、C5和C6的摩擦面板，并采用临时高强螺栓将其锚固后进行C4和C6竖向筋板的组对，按照C3和C5竖向筋板的焊接顺序进行摩擦面板、C4和C6竖向筋板的焊接。最后组对焊接C3、C4、C5、C6的上、中、下三层横向隔板，如图5中A-A剖面图所示，先焊中间层，后焊上下两层，所有打底焊接完成后再进行填充盖面焊接。
图3C3和C5、C4和C6背靠背示意图
图4C3和C5竖向筋板焊接顺序示意图
图5摩擦面板和C3和C5竖向筋板焊接顺序示意图
4. 焊缝内部质量控制措施
抗甩击钢结构基本所有焊缝均为坡口焊缝，接头形式见下图7，焊缝焊接完成后需进行100%UT探伤以检验焊缝的内部质量。因此，必须采取相关的技术和控制措施来保证焊缝的一次合格率，减少焊接返修带来的工期延误和成本增加等不利影响。具体措施有：
焊前按照技术标准进行焊接工艺试验和焊接工艺评定，固化焊接采用的电流、电压、焊丝干伸长、气体流量等焊接参数。焊接过程中采用的参数应在工艺规程允许的范围内。
焊前做好除锈、除油、防风等措施，以减少焊接气孔的产生。
对于双面焊，背面焊接前采用碳弧气刨对正面的根部焊道进行刨除，并采用磨光机或风铲去除渗碳层至出现金属光泽，必要时采取根部PT检测，避免根部未熔合缺陷的产生。
采用多层多道焊，每焊完一层严格进行层间清理，高低不平的焊道和夹杂物采用磨光机进行清理，避免层间未熔合和夹渣缺陷的产生。
图6焊接接头示意图
5. 焊后消应力热处理技术
抗甩击钢结构在正常工况条件下需承受较大的静载荷，在事故工况条件下还需承受很大的冲击载荷，焊接残余应力的存在会大大降低焊缝的承载能力。
抗甩击钢结构在焊接完成后对需进行消应力热处理的焊缝采用电加热进行热处理，热处理参数为：温度 600℃，保温时间2h，装炉温度不得高于400℃，为了防止热处理过程中新的温度应力产生，在400℃以上的加热或冷却速度取下列两数种的较大者，即220℃/h除以用25mm的倍数表示的最大厚度和55℃/h，整个热处理过程中采用热电偶进行温度监测。
6. 结论
整个核电站蒸汽管道抗甩击钢结构的制作取得了满意的效果，焊接接头冷却速度和含氢量的控制使得焊接后没有产生任何冷裂纹，全比例100%UT探伤情况下，焊缝的一次合格率超过99%，大大减少了焊接返修工作。制作过程中采用合理的焊接顺序有效控制了焊接变形，达到构件洞口±2mm尺寸偏差和底板5mm平面度的要求，焊后消应力热处理提升了焊缝的承载能力。
参考文献
马富巧等.某核电站蒸汽管道抗甩击钢结构卷扬提升系统有限元分析.大连交通大学学报，2012,33:1
张文钺主编.焊接冶金学（基本原理）.机械工业出版社，1999:239
张文钺主编.焊接冶金学（基本原理）.机械工业出版社，1999:241
中国机械工程学会焊接学会编编.焊接手册.第2卷，材料的焊接.机械工业出版社，2001:50
关键词：抗甩击；焊接；冷裂纹；焊接变形；消应力
中图分类号： TG42 文献标识码： A 文章编号：
某核电站的重型钢结构抗甩击包括C1构件2件、C2构件1件、C3～C6构件各1件，主要由60mm、40mm、25mm规格的厚钢板采用坡口焊缝拼焊制作成框架结构，见图1。抗甩击钢结构是防止蒸汽管道边翘效应的约束装置，对核电站的安全性具有重要作用。
根据抗甩击钢结构的结构特点，其在制作过程中必须解决以下几个焊接技术难点：1）抗甩击钢结构采用了厚规格低合金高强度结构钢，具有一定的淬硬倾向，如何避免厚板焊接冷裂纹的产生；2）抗甩击钢结构基本全部采用厚板带坡口拼焊，焊缝数量多，焊接填充量大，如何控制焊接变形来保证几何尺寸精度要求； 3）所有坡口焊缝需进行100%PT和100%UT探伤，全比例探伤情况下如何保证焊接内部质量的稳定性； 4）如何减少焊接殘余应力，提高构件的承载性能。
图1 抗甩击钢结构结构图
1. 母材的成分和性能
抗甩击钢结构采用了Q235C、Q345C钢板，其中Q235C为碳素结构钢，含碳量较低，基本没有合金元素，抗拉强度和屈服强度级别较低，Q345C通过添加少量合金元素来提高强度和韧性，是典型的低合金刚强度结构钢。Q345C钢板的成分和性能见表1、表2。
表1 Q345C化成成分（最大值，%）
表2 Q345C机械性能
2. 焊接冷裂纹控制技术
钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量、焊接接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。根据碳当量计算公式，得知Q345C钢板的Ceq=0.35～0.45，有一定的淬硬倾向，而抗甩击钢结构焊接填充量大，焊缝数量多，焊接过程中会产生很大的焊接内应力，这些都增加了焊接冷裂纹产生的几率。因此，抗甩击钢结构制作焊接过程中，必须采取针对性的控制措施，以避免冷裂纹的产生，提高焊接质量。
2.1控制焊接接头的冷却速度
高强钢焊接时，焊接熔池的温度从800℃降到500℃的时间（即t8/5）对焊接冷裂纹的产生起着重要作用，一般要求t8/5适当长一点，即从800℃降到500℃的冷却速度适当慢一点。因此抗甩击钢结构焊接时，可以通过采取焊前预热、保持层间温度来控制焊接接头的冷却速度，根据工程经验和焊接工艺评定，预热温度一般大于100℃，层间温度为100～200℃。
2.2 减少焊接接头中的含氢量
高强钢焊接时，焊接接头的含氢量越高，焊接冷裂纹的敏感性越大［3］。减少抗甩击钢结构焊接接头的中扩散氢含量，能有效避免焊接冷裂纹的产生，具体措施有：
采用CO2气体保护电弧焊工艺：CO2气体保护电弧焊是一种超低氢型焊接方法，采用此焊接方法能确保焊缝熔敷金属中具有超低的含氢量，平均为1.54mL/100g［4］，，大大降低了焊接接头氢致冷裂纹产生的几率。
焊接前对坡口及附近区域进行彻底除锈、除油，除去焊接材料中的水分，控制焊接区域的环境湿度≤90%，减少氢的来源。
焊接完成后对焊接接头进行温度200～300℃、时间2～3小时的后热消氢处理，加速焊接接头中氢的扩散逸出，减少接头中的氢含量。
3. 焊接变形控制技术
抗甩击钢结构的几何尺寸要求非常严格，如图1所示，C1～C6各个构件的洞口尺寸偏差为±2mm，C3、C5构件底板的平面度为5mm。采用以下焊接顺序和工装可有效减少焊缝数量多、焊接填充量大的抗甩击钢结构的焊接变形，保证其几何尺寸的精确性。
3.1 C1、C2构件焊接顺序
如图1所示，C1、C2构件由上、下、左、右4个结构形式基本相同的小框架组成，组对时将上下、左右小框架底板采用如图2所示的背靠背形式固定起来，这样可以利用小框架自身的刚性以及采用对称焊接的措施来减小焊接变形。
如图2中A-A剖面图所示，先对称焊竖向接筋板与底板的焊缝，最边上的竖向筋板与底板焊接时需采用工装减少角变形，完成后焊接横向筋板与底板的角焊缝，最后焊接横向筋板与竖向筋板的角焊缝。小框架焊接完成后解除背靠背形式，必要时可以采用火焰来进行变形矫正，之后将4个小框架组成四方形和组对面板，先进行面板的打底焊接，再焊接洞口的4条主焊缝，焊接采用分段退焊。
图2C1、C2构件焊接顺序示意图
3.2 C3～C6构件焊接顺序
C3和C5、C4和C6结构形式相同，采用同样的背靠背形式将其组成整体，如图3所示。从中间向两边对称进行主筋板与底板的角焊缝焊接，焊接时采用分段退焊。完成后拆分C4和C6，根据需要可采用火焰矫正。
如图4所示，组对C3和C5的两排竖向筋板后，由里向外对竖向筋板与主筋板拼成的所有焊缝先进行打底焊接，每一排焊接从中间向两边多人对称进行，每条焊缝采用分段退焊。打底完成后再进行填充和盖面，从里向外多人对称进行分段退焊。
如图5所示，接着组对连接C3和C4、C5和C6的摩擦面板，并采用临时高强螺栓将其锚固后进行C4和C6竖向筋板的组对，按照C3和C5竖向筋板的焊接顺序进行摩擦面板、C4和C6竖向筋板的焊接。最后组对焊接C3、C4、C5、C6的上、中、下三层横向隔板，如图5中A-A剖面图所示，先焊中间层，后焊上下两层，所有打底焊接完成后再进行填充盖面焊接。
图3C3和C5、C4和C6背靠背示意图
图4C3和C5竖向筋板焊接顺序示意图
图5摩擦面板和C3和C5竖向筋板焊接顺序示意图
4. 焊缝内部质量控制措施
抗甩击钢结构基本所有焊缝均为坡口焊缝，接头形式见下图7，焊缝焊接完成后需进行100%UT探伤以检验焊缝的内部质量。因此，必须采取相关的技术和控制措施来保证焊缝的一次合格率，减少焊接返修带来的工期延误和成本增加等不利影响。具体措施有：
焊前按照技术标准进行焊接工艺试验和焊接工艺评定，固化焊接采用的电流、电压、焊丝干伸长、气体流量等焊接参数。焊接过程中采用的参数应在工艺规程允许的范围内。
焊前做好除锈、除油、防风等措施，以减少焊接气孔的产生。
对于双面焊，背面焊接前采用碳弧气刨对正面的根部焊道进行刨除，并采用磨光机或风铲去除渗碳层至出现金属光泽，必要时采取根部PT检测，避免根部未熔合缺陷的产生。
采用多层多道焊，每焊完一层严格进行层间清理，高低不平的焊道和夹杂物采用磨光机进行清理，避免层间未熔合和夹渣缺陷的产生。
图6焊接接头示意图
5. 焊后消应力热处理技术
抗甩击钢结构在正常工况条件下需承受较大的静载荷，在事故工况条件下还需承受很大的冲击载荷，焊接残余应力的存在会大大降低焊缝的承载能力。
抗甩击钢结构在焊接完成后对需进行消应力热处理的焊缝采用电加热进行热处理，热处理参数为：温度 600℃，保温时间2h，装炉温度不得高于400℃，为了防止热处理过程中新的温度应力产生，在400℃以上的加热或冷却速度取下列两数种的较大者，即220℃/h除以用25mm的倍数表示的最大厚度和55℃/h，整个热处理过程中采用热电偶进行温度监测。
6. 结论
整个核电站蒸汽管道抗甩击钢结构的制作取得了满意的效果，焊接接头冷却速度和含氢量的控制使得焊接后没有产生任何冷裂纹，全比例100%UT探伤情况下，焊缝的一次合格率超过99%，大大减少了焊接返修工作。制作过程中采用合理的焊接顺序有效控制了焊接变形，达到构件洞口±2mm尺寸偏差和底板5mm平面度的要求，焊后消应力热处理提升了焊缝的承载能力。
参考文献
马富巧等.某核电站蒸汽管道抗甩击钢结构卷扬提升系统有限元分析.大连交通大学学报，2012,33:1
张文钺主编.焊接冶金学（基本原理）.机械工业出版社，1999:239
张文钺主编.焊接冶金学（基本原理）.机械工业出版社，1999:241
中国机械工程学会焊接学会编编.焊接手册.第2卷，材料的焊接.机械工业出版社，2001:50