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1、大型薄片法兰盘制造技术李少南摘要：本文通过对AP1000核电CA04模块顶法兰组装过程中可能产生的焊 接变形进行分析，并通过制定合理、有效的施工方法来控制法兰组装工作的重要 参数，以满足后续的安装和机加工要求。本文将从法兰板的零部件准备到整个法 兰组焊完成，对法兰的制作过程和组焊工艺进行详细描述并对最终数据进行分 析。关键词：CA04顶法兰，组装，焊接变形控制，措施。1、工程概况海阳一期AP1000核电2#岛RV腔室CA04结构模块顶部存在一直径为 6096mm的八边形用以支撑压力容器支座的大型薄片法兰结构一一CA04顶法兰 （图1）。该法兰由40块2#零件板（38.1mm厚）、8块3#零件板
2、（38.1mm厚）、 4块6#零件板（12.7mm厚）、64个剪力钉、8块法兰板（44.45mm厚）和28根 L形钢筋。法兰板和零件板材质均为A36。法兰组装焊接接头形式有：对接焊缝、T接焊缝和角接焊缝，焊缝总长约100m，单条焊缝长度达2144mm。考虑到后 续安装时剪力钉、6#零件板和L形钢筋可能与RV内部已安装的构件存在互相干 涉，剪力钉、6#零件板与L形钢筋待法兰就位后进行焊接。零件板焊接位直图1： CA04顶部法兰整体结构CA04顶部法兰在厂内组装完成后需安装到已就位且已浇筑混凝土的CA04结构模块上部，安装完成后法兰内部半径要求为，其四个面需要精加工，法兰板精加工后的厚度要求为38
3、.1mm+6.35，顾，平面度要求为单个面0.127mm，每 -0 mm305mm内平面度不超过0.0254mm，法兰四个机加工面最终标高要求为。为了保证精加工面的加工精度及加工 后的法兰板厚度要求，在整个法兰面上需要控制焊接变形在3mm范围内（即整 个法兰面的共面度不小于3mm）。同时，考虑到后续RV支撑和RV安装的精度 要求，在组装过程中，需要严格控制法兰结构的整体外型尺寸和平面位置。图2： CA04顶部法兰机加工范围L24L.UUtJ)6U 珀&E二2、施工重点难点2.1 CA04顶法兰属于单面焊缝结构，即仅仅在法兰板的一面有焊缝，这样 焊接过程中由于单边受热而产生的热胀冷缩，造成法兰板
4、在焊接筋板过程中受到 复杂的应力作用，而很难精确控制其焊接变形；2.2 CA04顶法兰由于需要控制最终厚度为度要求为38.1mm+6.35冲”，因此在-0 mm考虑法兰现场安装及机加工余量的情况下，焊接后法兰的整体平面度需要控制在 3mm以内。法兰焊缝金属填充量大，且法兰本身是一个封闭结构，焊接过程中 应力无法自由释放，在焊接过程中如何控制焊接变形量在3mm以内是法兰施工 的一大难题；2.3由于焊接过程中存在收缩，如何保证焊接完成后在保证平面度的情况 下，法兰外形尺寸满足设计要求，在焊接之前如何预留焊接变形量也是CA04顶法兰焊接施工的一个难题;2.4 3#零件板要与CA04模块筒体顶部配合，
5、如何保证法兰板上的3#零件 板的位置能与筒体完全配合且配合间隙满足焊接工艺要求也是法兰施工的一大 难题。3、焊接变形趋势分析及控制措施3.1法兰焊接形式根据西屋设计文件，法兰主体存在的焊缝主要有2#零件板与法兰面板之间 的部分熔透+角焊缝焊接、3#零件板与2#零件板和法兰面板之间的部分熔透+角 焊缝焊接、法兰面板之间的全熔透焊接（以下称主焊缝）。如图3：法兰面板图3：法兰焊接形式1010预热到200F10J0F10预热到200F法兰面板10|1010预热到200F103.2法兰焊接变形趋势分析受到焊接变形的主要原因是由于焊接过程中，结构件在焊接热源的作用下 不均匀的加热和冷却，使结构件各部位金
6、属的膨胀和收缩不均衡，结构件各部位 既相互连接又相互制约，不能自由地膨胀和收缩，从而使结构件内部产生不均衡 应力，产生焊接变形。焊接变形控制的好坏直接影响到法兰焊后矫正的难度、最 终的几何尺寸以及法兰与CA04模块筒体连接的精度。根据焊接变形产生的原因及法兰的结构和焊接形式，引起法兰板平面度改变 的焊缝主要是：2#件与法兰板的部分熔透+角焊缝、3#件与法兰板的部分熔透+ 角焊缝以及法兰板之间的全熔透焊缝。变形的趋势如下图：图4： 2#件与法兰板焊接变形图5： 3#件与法兰板焊接变形图6：法兰板之间焊接变形3.2法兰焊接变形控制措施针对法兰可能产生的变形，主要从组装方法、刚性约束、选择焊接接头形
7、式， 采用合适的焊接工艺、调整焊接顺序、等方面来控制法兰变形。1）组装方法。将单块法兰板及法兰板上的2#、3#零件板组装，之后再总体组装。采用分步组装的方法可以减缓焊接的刚性拘束程度，使部分焊缝自由收缩分 散焊接应力和焊接变形，且可以及时对焊接变形进行矫正。图7：组装2#、3#及5#零件板形成构件5图8：组装2#、3#及1#零件板形成构件12）刚性约束。通过机械卡紧固定，使法兰达到一定的刚性拘束度，从而限制焊接变形的发 生。采用刚性约束的方法必须选择正确的卡紧方式或卡紧的结构、受力点。根据 法兰的外形尺寸及组装特性，设计组装平台（如图7），并在平台上安装码板、 门形架、微调螺栓控制法兰在组装过
8、程中的变形，同时提供足够的施焊空间。图9：组装平台3）选择焊接接头形式。主焊缝采用X形坡口，焊接位置为1G和4G位置。焊接时，采用双面对称 焊接（或双面交替焊接），焊接过程中要对法兰的平面度进行测量，根据测量的 结果随时调整焊道分布和焊接顺序。图10： 1#与5#零件板之间焊接接头形式4）焊接工艺。焊接采用手工电弓瓜焊（SMAW），焊接材料为E7018,焊条直径为中3.2、中4.0。 焊接施工整个过程中只允许采用93.2的焊条进行焊接，94.0的焊条作为备用焊 条，是为了平衡热输入进而控制变形量才允许使用。所有的焊接操作手法均采用直线的方式，为了调整焊接变形的情况下才允许 摆动。根据AWS D
9、1.1-2000同时结合设计要求，主焊缝焊接过程中预热及层间 温度不得低于150C，其他部位的焊接温度不得低于95。以焊接过程中，要记录每条焊道焊接电流、焊接电压、焊接速度、每条焊道的 宽度和每层焊道的厚度。当法兰产生变形时间，根据此数据进行分析，然后采用 合理的焊接操作方式对变形进行控制，以满足设计对法兰共面度的要求。5）合理的焊接顺序。由于4根3#零件（长2189mm）板跨主焊缝，若焊接完成主焊缝后再焊接这 4根3#零件板，将导致法兰面产生较大的变形。所以，经过设计方同意，将跨主 焊缝焊接的4根3#零件板切割成三段（如图11）。3#-2零件在分步组装时进行焊 接，3#-1及3#-3零件板在
10、法兰板主焊缝完成后进行焊接。图11： 3#零件板分段下料图对于8条主焊缝的焊接，采用对边施焊，施焊顺序为1和5、2和6、3和7、 4和8 （如图3），焊接采用上下两面交替施焊的方法控制其角变形。为方便清根， 首先采用4G位置进行打底焊道的焊接，焊接2-3道后再进行背面清根；打底焊 焊接前，为控制法兰向下方向的角变形，在焊缝背面增加跨焊缝的2-3个加强筋， 加强筋厚度不低于38mm，打底焊接完成后，将加强筋去除，对焊缝进行清根， 然后在背面进行填充，填充过程用高精度水准仪对焊接变形进行监控，根据焊缝 的角变形量调整焊接的热输入量，待向下方向上的角变形消除后，再进行1层的 填充，停止焊接，进行后面
11、两条焊缝的焊接，焊接要求同上，这样依次完成8 条焊缝的4G位置打底焊接及1G位置的部分填充。该部分工作完成后，对法兰 的平面度进行一次整体测量并记录测量结果，根据法兰的变形程度，调整填充焊 接的焊接次序，每填充完一层，进行一次测量，直至完成所有8条焊缝的焊接。4、施工工艺法兰的制作过程可分为两个工艺阶段：构件的制作和整体组装。4.1法兰构件的制作图12：构件制作工艺流程图1）零件板下料由于1#法兰板外形尺寸较大，并且不规则。热切割时由于存在热胀冷缩会 造成法兰板变形，因此在采用热切割下料时要采取措施避免扭曲变形，1#法兰板 采用热切割方式的下料时，在设计尺寸的基础扩大3mm （若采用冷加工方式
12、， 则按设计尺寸下料），剩余的量用冷加工或人工打磨的方式达到设计尺寸。3#零件板若变形将直接导致法兰板组对间隙以及后续与CA04筒体组对时 间隙过大而无法满足焊接施工要求，因此3#零件板若采用热切割的方式进行下 料，则下料完成后必须进行调直。另外，由于3#零件板的尺寸直接关系到法兰 能否顺利与CA04模块顶部墙体完全配合。因此，下料时需将3#零件板的长度 适当放大20mm30mm，以备后续修整打磨所需余量。2）3#零件板定位控制及构件焊接变形控制3#零件板需要根据CA04顶口位置度测量数据进行定位，其定位公差采用正 公差（如图13）。图13： 3#定位（注：L为CA04模块筒体上口外径测量数据
13、）2#、3#零件板均处于法兰板同一侧，无法形成对称焊缝，但是法兰整体属于对称结构，4个构件1结构相同，4个构件5结构相同。因此，在零件板组对点 焊后，使用刚性固定的方式将相同构件背在一起进行施焊。焊接时，对正反两个 构件对称施焊。图14 :构件焊接3）单个构件矫形在每块1#板正面均匀设74个测量点，在每块5#正面均匀设25个测量点，方便在矫形过程和后续的组对过程中对法兰板变形情况进行监控。图15:法兰板测量点焊接完成单个构件后，使用高精度水准仪对法兰面进行测量，若法兰平面度大于3mm，则采用自制的门形架配合千斤顶对法兰板进行机械矫正。图16:法兰构件矫正4.2法兰整体组装iI是结束图17 :法
14、兰整体组装工艺流程图1）组对法兰进行焊接前组装时，依靠组装平台上的调节螺栓进行调平、组对，组对 间隙控制在5mm以内。由于主焊缝的焊接会造成焊缝收缩，从而造成法兰整体 尺寸变小，为了控制整体尺寸，组对时预留一定的尺寸收缩量。根据相关经验及 法兰半径方向设计公差（4.76mm），组对时法兰整体外形尺寸在设计尺寸的基 础上，在直径方向上扩大8mm。并用码板及楔铁进行刚性固定，以尽量减小焊 接收缩量。另外，在组对时应严格控制错边量，错边量应小于1mm，必要时可 以使用微调螺栓及千斤顶进行调节。2）点固法兰主焊缝焊接预热温度较高，若需要焊接的两块法兰板在焊接前处于自由 状态，在加热过程中由于热膨胀的作
15、用，法兰的整体尺寸及坡口的根部间隙将发 生改变。为此，必须将法兰进行整体固定，以防止产生不必要的变形，预热前采 用3（的圆棒将焊缝坡口点固。沿焊缝长度方向均布5个点焊点（见图18）。这 样，在加热过程中，由于圆棒的点固作用，法兰受热整体膨胀，不会造成坡口部 分的形变。点固棒可以点在1G或4G位置的坡口（但所有的点固棒需在同一侧 位置）。图18：法兰板的点固3）焊缝焊接及控制当预热温度达到93.3C以上时，即可开始焊接工作，焊接应采用WPS规定 的最小电流。在没有点固棒的一侧开始打底焊接，焊接厚度为6mm左右（第一 层若是间隙过大，可以稍做摆动）。打底焊接完成后，将点固棒去掉（由于打底 层焊缝金属的存在，此时去掉点固棒，不会影响到整体尺寸），然后清根。清根 完成后从清根侧开始焊接，焊接厚度3mm左右。两面打底均完成测量变形情况， 根据变形情况确定下次焊接的位置（1G或4G）。由于在打底焊清根完成后，造成焊缝两侧焊接填充量不对称，因此在焊接完 成时会存在打底焊一侧已完成盖面焊接，而另一侧可能还需要填充一层后才能进 行盖面焊接。在进行盖面焊接时，需根据法兰板变形情况使用临时筋板
