核电厂检修局部干法自动水下焊接技术研究

摘要

核电是未来世界电力发展的趋势，也是低碳经济发展的需要。为了减少核辐射的影响，核电站内部设备的检查和维修往往要在水中进行。目前的核电站内部水下维修以手工焊为主，考虑到操作人员的健康、修复质量和修复效率等因素，核电水下环境焊接作业的发展趋势是远程控制自动化。局部干法水下焊接综合了干法水下焊接的高焊缝质量和湿法水下焊接技术简便易行的优点，是核电站水下焊接修复的首选方式，但目前尚未解决持续有效排水密封、局部干式焊接环境营造和焊接操作自动化问题，导致焊接过程欠稳定，接头质量不能完全满足核电相关标准要求，且罕见针对核电结构材料进行水下焊接工艺和焊缝性能研究的报导。
　　 本研究首先对核电结构材料的焊接性进行研究，通过核电用不锈钢材料的陆上焊接试验，掌握了不同焊接方式、焊接保护气体、送丝速度及电源设置弧长等参数对焊接过程和焊缝成型的影响，为随后的水下焊接试验提供基础数据。
　　 其次，建立了基于微型排水罩的局部干法自动水下焊接试验系统，主要由水下焊接试验舱、试验环境系统、焊接监视系统、自动焊接平台、电控系统和焊接电源等部分组成。各部分之间协调动作，能够模拟15m水深的焊接试验环境，并可以对焊接区域进行全过程的实时远程视频监控。在自动水下焊接试验系统当中集成了焊接质量分析系统，对焊接工艺参数及过程稳定性进行监控，以预测焊接质量。
　　 排水装置的有效排水密封是局部干法自动水下焊接顺利进行的前提条件，本研究通过理论计算及数值分析，获得了排水装置内部稳定的气体流动状态。采用组合材料密封垫设计，可以大大降低焊接电弧及熔池对密封部位的损伤，延长有效排水时间。
　　 在上述基础之上，进行了321不锈钢和304不锈钢材料的远程控制自动水下焊接试验，掌握了影响排水装置密封效果的因素及影响规律，确立了送丝速度、保护气体、运动参数、坡口形式和水深环境等对水下焊接质量的影响规律：随着送丝速度的提高，焊接过程的稳定性提高；保护气体中添加活性气体可以改善焊缝成型和优化熔滴过渡状态。获得了321不锈钢坡口对接焊和304不锈钢平板堆焊、坡口堆焊和坡口对接焊的水下焊接工艺参数；对不同结构下密封垫的持续密封性能进行了试验研究，通过使用组合材料密封垫获得了良好密封性能。
　　 最后进行了水下焊接焊缝的综合测试，结果表明：本研究获得的水下焊接工艺参数可以得到良好的水下焊接质量，而局部干法水下焊接过程的不连续是水下焊接缺陷产生的主要原因；与母材性能相比，焊缝的强度满足要求，韧性有所降低、硬度稍有增加，5m和15m水深的不同对焊缝力学性能没有明显影响。对坡口堆焊的焊缝化学成分分析表明，不锈钢水下焊接焊缝的耐腐蚀性能优于母材。根据理论分析和试验验证，由于水下环境对焊缝的强制冷却作用，焊缝在高温区停留的时间较短，奥氏体不锈钢水下焊接时不会产生晶间腐蚀，因此可以采用提高焊接效率的焊接工艺参数，这对于核辐射环境下的远程控制水下焊接而言非常重要。焊缝截面的宏观检测表明水下焊接焊缝与母材能够良好熔合，无可见缺陷。焊缝的微观金相组织分析表明，水下环境的焊缝在铁素体-奥氏体相变时扩散受到限制，铁素体的分布形态与干式环境不同。而对于不同环境水深下的焊缝而言，在排水效果良好的前提下，水的冷却作用与水深基本没有关系，水深对焊缝中铁素体含量及分布形式基本没有影响。能谱分析结果说明水下环境焊缝的Fe、Cr、Ni含量较干式焊缝中均有不同程度的提高，但Cr/Ni的比值比干式焊缝的略高。
　　 以上研究结果为局部干法自动水下焊接技术及奥氏体不锈钢材料的水下焊接工艺研究提供了良好基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题来源及研究目的和意义

1.2核电站检修水下焊接技术

1.2.1核电站水下焊接的重要性及特殊性

1.2.2水下焊接维修技术

1.2.3核电站焊接材料

1.2.4国内外核电站维修水下焊接技术

1.3本研究焊接方案选型

1.4本论文研究内容

1.5本课题难点

1.6预期的研究成果及创新点

第二章核电材料空气中焊接试验

2.1试验目的

2.2试验装置

2.3试验内容及方法

2.3.1不同焊接方式对比研究

2.3.2焊接保护气体对焊接过程的影响

2.3.3送丝速度对焊接过程的影响

2.3.4设置弧长对焊接过程的影响

2.4试验结果

第三章自动水下焊接试验系统

3.1试验系统要求

3.2总体方案设计

3.2.1水下焊接试验舱

3.2.2试验环境系统

3.2.3焊接监视系统

3.2.4自动焊接平台

3.2.5电控系统

3.2.6焊接电源及送丝系统

3.2.7焊接过程质量监控系统

3.3水下焊接试验系统集成

3.4本章小结

第四章水下自动焊接排水装置研制

4.1研制目的

4.2排水装置研制

4.2.1排水装置选型

4.2.2关键尺寸设计

4.2.3进气方式设计

4.2.4焊枪的选择

4.2.5排水装置结构设计

4.3排水装置密封

4.3.1密封垫设计

4.3.2密封状态理论分析

4.4罩内气体流动状态分析

4.4.1模型假设及主控方程

4.4.2建模及网格划分

4.4.3求解参数设置

4.4.4计算结果分析

4.5本章小结

第五章不锈钢局部干法自动水下焊接工艺研究

5.1研究目的

5.2水下焊接工艺试验流程

5.3排水罩排水性能研究

5.3.1舱外排水试验

5.3.2舱内排水试验

5.4送丝速度影响

5.5保护气体的影响

5.6坡口形式的影响

5.6.1平板堆焊焊接工艺

5.6.2坡口堆焊焊接工艺

5.6.3坡口对接焊焊接工艺

5.6.4 321不锈钢焊接工艺

5.7密封垫密封性能研究

5.8本章小结

第六章水下焊接焊缝性能研究

6.1渗透检验

6.2超声和射线检测

6.3机械性能测试

6.4焊缝化学成分分析

6.5铁素体含量测定

6.6晶间腐蚀

6.7金相分析

6.7.1焊接接头宏观形貌

6.7.2焊接区域微观组织

6.8能谱分析

6.9本章小结

第七章结论与展望

7.1论文主要结论

7.2研究展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介