压力容器底封头焊接变形原因及控制技术研究

压力容器底封头焊接变形原因及控制技术研究

徐志强

一重集团大连核电石化有限公司核电装备公司

摘要：本文对超大型薄壁不锈钢压力容器底封头焊接制造变形趋势进行了统计分析，形成了较合理的制造工艺技术方案，获得了满足标准规范要求的封头，保证了压力容器产品的生产制造。

关键词：316H不锈钢，底封头，焊接变形

引言

十四五规划纲要指出，我国将深入推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系。核电作为一种清洁能源，发展核电已成为我国能源体系建设的战略选择。随着三代核电堆型国产化，今后将重点发展四代快堆和五代聚变堆。我公司目前承制的压力容器具有尺寸大、结构复杂的特点。其中压力容器底封头的焊接变形控制难度极大。本文介绍了压力容器底封头焊接制造变形控制方案，并对焊接变形数据进行了统计、总结，可用于指导同类产品制造。

一、产品及制造方案简介

压力容器底封头为椭球封头，封头直径φ14880mm，壁厚40mm，高度3124mm，材质为316H奥氏体不锈钢。

受316H奥氏体不锈钢钢板制造能力限制，封头采用分辦制造。封头高度方向分为3层，包含两层环带及一件顶圆封头。环带一为周向20接1，环带二为周向12接1，顶圆封头为2接1。

图1 压力容器底封头

具体组焊流程为：

（1）20件环带一瓜瓣冲形，加工纵缝坡口，拼接20道纵缝，加工小端环缝坡口；

（2）12件环带二平板状态接料，形成6件2接1组件，6件2接1平板冲形为6个封头瓜辦，加工纵缝坡口，预拼装，加工小端环缝坡口；

（3）2件顶圆半圆平板状态接料形成整圆封头板，整圆封头板冲形为顶圆封头，加工环缝坡口；

（4）顶圆封头与环带二整体装配，焊接环带二6道纵缝及顶圆封头环缝，形成太阳圆组件；

（5）太阳圆组件大端坡口与环带一小端坡口配做加工，装配环带一与环带二环缝，环缝焊接，形成整体封头；

（6）整体封头大端环缝坡口加工。

二、压力容器底封头焊接变形及控制

鉴于压力容器底封头母材厚度薄，直径尺寸大，为便于焊接防变形控制，环带一20件封头瓜瓣对应制造20件瓜瓣支撑座，作为封头瓜瓣加工、装配、焊接固定辅具，如图2所示。

图2 瓜瓣支撑座

压力容器底封头焊缝均采用手工TIG焊接，焊接前5mm厚度过程中焊缝背面通背气进行保护。焊接过程中要求每道焊缝通长焊接完成后进行下一道焊接，严禁分段焊接。每道焊缝一人施焊，同时施焊，避免焊接过程中出现扭曲变形。

封头纵缝焊接过程中保留0°、180°方位两处纵缝不焊接，焊接其余18道纵缝，焊接完成后沿0°-180°方位打开为两件10接1半环进行后续RT探伤。探伤合格后进行0°、180°方位两处纵缝坡口加工并装配焊接为整环结构。

（一）焊缝棱角度控制

采用手工TIG进行环带一纵缝焊接，焊接顺序为：封头外壁焊接5层，翻个进行封头内壁清根，内壁满焊（焊接13层），翻个进行外壁剩余坡口焊接（焊接7层），焊接过程中实时监测焊缝棱角度变化。

封头外壁5层焊后焊缝向内凹陷0.5~1mm。封头内壁清根后封根焊接过程中，前6层焊接过程中棱角度变化明显，焊缝向外凸起1~1.5mm，剩余7层焊接过程中棱角度无明显变化。封头外壁焊缝剩余坡口焊接完成后，封头焊缝略向外凸起，棱角度≤1mm。统计发现，封头焊缝清根完成后初始封根焊接阶段，焊缝棱角度变化明显。封头母材厚度40mm，采用内外等深度X形坡口，累计焊接25层，平均每层焊接厚度1.6mm。

（二）封头焊接椭圆度控制

封头环带一纵缝焊接完成后，内部20件支撑支座辅具未拆除状态下，周向均布测量60处半径尺寸，最大与最小半径尺寸差值15mm，对应方位直径差值（椭圆度）25mm。

封头环带一整环装配并焊接完成18道纵缝后沿0°-180°方位打开为两个半环，半环打开过程中，出现明显“张口”变形趋势，原0mm间隙焊缝打开后出现30mm间隙。

（三）封头焊接平面度控制

封头环带装配过程中按照每件封头瓜瓣大端净料线对齐调平，装配完成后平面度6mm，正式焊接前，20件封头瓜瓣支撑座辅具与装配平台压块固定。

除0°、180°最终缝外，其余焊缝整体焊接完成后，20件支撑座辅具打开前，测量大端净料线平面度为6mm。封头环带沿0°-180°方位打开，封头环带与支撑座辅具连接板打开，测定两半环大端净料线平面度为11mm。对封头环带半环圆度、大端净料线进行调整，调整完成后平面度5mm。

分析认为，封头尺寸较大，壁厚较薄，自身刚性较差，20件瓜瓣支撑座与封头内壁连接部位打开后，封头环带周向各支撑点不在同一平面，导致半环在自重作用下发生变形。该变形可通过调整环带落放各支撑位置及支撑点水平度进行控制。

三、结论

本文针对大型压力容器底封头焊接变形的原因及控制措施进行分析，研究发现焊缝清根完成后初始封根焊接阶段，焊缝棱角度变化明显，封头瓜瓣纵缝拼接焊后半环打开时，有张口变形趋势。通过对称焊、采用小热输入的焊接方式以及调整环带落放各支撑位置及支撑点水平度可以有效控制大型压力容器的焊接变形。

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