一种管道组对焊接方法与流程

本发明属于管道施工领域，具体涉及一种管道组对焊接方法。

背景技术：

AP1000核电技术是我国从美国西屋公司引进的第三代核电技术，也是当前世界上技术最先进、安全性能最高的压水堆非能动型核电技术。其中主管道作为反应堆压力容器、主泵、蒸发器等核岛七大关键设备之一，被称为核电站的“主动脉”，其制造、安装技术在国内外没有任何经验可以借鉴。

结合图1所示，在AP1000核电站中位于压力容器(RPV)1两端的主管道2分别包括三根管道，其中主管道2的一端与压力容器1固定连接，另一端分别与蒸发器(SG)3和主泵4固定连接。主管道2的安装过程，首先将主管道2中的RPV端口与压力容器1的三个管嘴进行坡口组对焊接，然后将主管道2中的SG端口分别与蒸发器3和主泵4的管嘴进行坡口组对焊接。由于蒸发器3和主泵4中与主管道2连接的三个管嘴不在同一水平面内也不在同一竖直平面内，因此，如果对三根管道逐一与蒸发器3和主泵4的管嘴进行坡口组对焊接，虽然通过调整蒸发器3和主泵4的空间位置可以快速完成第一根管道的组对焊接，但此时蒸发器3和主泵4的空间位置不一定能满足另外两根管道的组对焊接要求。因此，为了保证主管道2中的三根管道都可以完成组对焊接操作，需要对主管道2中的三根管道进行同时组对焊接操作。

然而，由于主管道2两端坡口加工误差的存在，以及主管道2与压力容器1之间进行组对焊接所引起SG端口空间位置的不可控变化，都可能导致主管道2与调整蒸发器3和主泵4组对时存在较大的组对错边量，甚至超出组对错边量≤0.8mm，组对间隙≤2.0mm的组对要求，而无法直接进行组对操作。针对组对错边量超出组对要求的情况，在现有技术中，一般通过扩大管道内径尺寸或借助组对工装完成管道的组对操作。但是，采用扩大管道内径尺寸的方法会导致管道壁厚下降，使管道的承压能力和安全性能下降，存在安全隐患。采用组对工装对管道进行强制组对，会在焊缝连接位置产生较大的应力，影响焊缝的质量使焊接的牢固性降低，同样存在安全隐患。

技术实现要素：

为了解决现有技术中通过采用扩大管道内径尺寸或借助组对工装的方法，对错边量大的管道进行组对焊接操作后，管道的使用存在安全隐患的问题，本发明提出了一种全新的管道组对焊接方法。该方法包括以下步骤：

步骤一，测量所述第一管道的组对端口与所述第二管道的组对端口之间的实际错边量ΔH，其中0≤ΔH＜(R-r)；

步骤二，在所述第一管道的组对端口处加工第一坡口，所述第一坡口设有第一钝边且为双坡口形式；其中，所述第一钝边所在圆周的半径尺寸为S，且r＜S＜R；所述第一钝边所在圆周的轴线与所述第一管道的轴线之间径向偏移距离为Δσ，且

步骤三，在所述第二管道的组对端口处加工第二坡口，所述第二坡口设有第二钝边且为双坡口形式；其中，所述第二钝边所在圆周的半径尺寸与所述第一钝边所在圆周的半径尺寸相等为S，所述第二钝边所在圆周的轴线与所述第一钝边所在圆周的轴线重合；

步骤四，将所述第一管道和所述第二管道进行组对，形成位于所述第一钝边和所述第二钝边外侧的外部组对坡口，以及位于所述第一钝边和所述第二钝边内侧的内部组对坡口，并对所述外部组对坡口进行点焊固定；

步骤五，对组对管道进行焊接，其中对组对管道的外部组对坡口和内部组对坡口进行交替焊接。

优选的，所述步骤二中，当时，即所述第一管道与所述第二管道之间的错边量小于管道壁厚的一半时，将所述第一钝边所在圆周的轴线与所述第一管道的轴线重合设置，即Δσ＝0，将所述第一钝边所在圆周的半径尺寸S设置为(r+ΔH)＜S＜(R-ΔH)。

优选的，在所述步骤二中，当时，即所述第一管道与所述第二管道之间的错边量大于等于管道壁厚的一半时，将所述第一钝边所在圆周的轴线与所述第一管道的轴线之间的径向偏移距离Δσ设置为将所述第一钝边所在圆周的半径尺寸S设置为

优选的，所述步骤二和所述步骤三中，所述第一坡口和所述第二坡口的坡口深度为L，且沿圆周方向的坡口深度最小值L_min≥0.1*(R-r)。

优选的，所述步骤五中，对组对管道的外部组对坡口和内部组对坡口进行交替焊接，且首先对坡口深度大的一侧组对坡口进行焊接，然后对坡口深度小的一侧组对坡口进行焊接。

进一步优选的，所述步骤五中，首先对坡口深度大的一侧组对坡口进行焊接，且焊接深度为坡口深度小的一侧坡口深度尺寸的1～1.5倍；然后对坡口深度小的一侧组对坡口进行焊接，且焊接深度为该组对坡口的整个深度；最后对坡口深度大的一侧组对坡口进行剩余深度的焊接。

进一步优选的，所述步骤五中，对所述外部组对坡口的坡口深度和所述内部组对坡口的坡口深度进行比较时，选取在管道整个圆周方向上的坡口深度最大值作为比较对象。

优选的，所述步骤三中，将加工所述第二坡口和所述第二钝边的坡口加工设备与所述第二管道固定连接，且所述坡口加工设备的加工旋转轴线与所述第一钝边所在圆周的轴线重合。

优选的，所述步骤五中，采用窄间隙自动焊接工艺对组对管道进行焊接操作。

进一步优选的，所述步骤二和所述步骤三中，所述第一坡口和所述第二坡口的角度为5°，所述第一钝边与所述第二钝边的宽度为2～3mm。

采用本发明管道组对焊接方法，对错边量大的组对管道进行组对和焊接操作时，具有以下有益效果：

1、采用本发明的管道组对焊接方法，首先，通过根据组对管道之间的实际错边量与管壁厚度之间的关系来确定组对钝边的尺寸大小和空间位置；然后，对两个管道进行坡口和钝边的加工并组成外部组对坡口和内部组对坡口；最后，根据组对坡口中的坡口深度，对外部组对坡口和内部组对坡口进行分阶段的交替焊接。这样将现有技术中根据设计值对管道坡口进行加工，调整至组对过程中根据组对管道之间的实际错边量，对管道坡口进行加工，并且根据组对管道之间的实际错边量与管道壁厚之间的关系，对钝边的加工尺寸和加工位置进行调整，将钝边调整至组对端面的中部位置形成非对称的双组对坡口，使组对钝边的尺寸和位置保持一致，从而实现对错边量大的组对管道的快速准确组对操作，提高组对管道的错边量裕度。同时，避免了采用现有技术中增加管道内径尺寸完成管道组对时导致管道壁厚减小的问题，保证了组对管道的壁厚尺寸，提高了管道的使用安全性。

2、采用本发明的管道组对焊接方法，根据双组对坡口的两侧坡口深度不同，首先对坡口深度大的一侧组对坡口进行焊接，且焊接深度为坡口深度小的一侧坡口深度尺寸的1～1.5倍；然后对坡口深度小的一侧组对坡口进行焊接，且焊接深度为该组对坡口的整个深度；最后对坡口深度大的一侧组对坡口进行剩余深度的焊接。这样通过对外部组对坡口和内部组对坡口进行交替焊接，以及焊接过程中对焊接深度的控制，可以使焊接外部组对坡口产生的焊接应力与焊接内部组对坡口产生的焊接作用力相互均衡，从而降低组对管道的焊接变形量，提高组对焊接的质量。

3、在对组对管道的错边位置进行沿圆周和错边方向的焊接时，通过控制焊料在错边位置中不同区域的填充量，使组对管道在错边位置形成斜坡式过渡焊层。这样不仅保证了管道在组对位置具有较大通流面积，满足管道的通流能力，而且保证了管道在组对位置的焊接厚度，满足管道的安全要求。

附图说明

图1为现有技术中AP1000核电站的压力容器、蒸发器以及主泵三者之间通过主管道连接的结构示意图；

图2为本发明管道组对焊接方法的流程示意图；

图3为采用本发明管道组对焊接方法对组对管道进行组对时，组对管道沿错边量最大方向的截面示意图；

图4为采用本发明管道组对焊接方法对错边量小于管道壁厚一半的组对管道进行组对时，组对管道沿错边量最大方向的截面示意图；

图5为采用本发明管道组对焊接方法对错边量大于等于管道壁厚一半的组对管道进行组对时，组对管道沿错边量最大方向的截面示意图；

图6为采用本发明管道组对焊接方法对组对管道完成坡口和钝边加工后，组对管道沿错边量最大方向的截面示意图；

图7为采用本发明管道组对焊接方法对组对管道完成组对坡口焊接后，组对管道沿错边量最大方向的截面示意图；

图8为图6中A处局部结构的放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明中的技术方案进行详细介绍。

结合图2和图3所示，采用本发明的管道组对焊接方法，对存在错边量的管道进行组对和焊接的具体步骤如下：

步骤一，测量组对管道之间的实际错边量。组对管道包括第一管道5和第二管道6，其中第一管道5和第二管道6的内孔半径尺寸为r，外圆半径尺寸为R。利用激光测量技术，分别测量第一管道5在组对端口处的轴线51和第二管道6在组对端口处的轴线61所在空间位置，确定两者之间的实际错边量ΔH以及错边方向。其中，当0≤ΔH＜(R-r)时，即组对管道之间的实际错边量小于组对管道的壁厚尺寸时，采用本发明的管道组对焊接方法对该组对管道进行组对和焊接。

步骤二，在第一管道5的组对端面加工第一坡口52和第一钝边53。其中，第一钝边53所在圆周的半径尺寸为S，且r＜S＜R；第一钝边53所在圆周的轴线531与第一管道5的轴线51之间径向偏置距离为Δσ，且

步骤三，在第二管道6的组对端面加工第二坡口62和第二钝边63。其中，第二钝边63所在圆周的半径尺寸与第一钝边53所在圆周的半径尺寸相等为S；第二钝边63所在圆周的轴线631与第一钝边53所在圆周的轴线531重合。

当时，即第一管道5与第二管道6之间的实际错边量小于管道壁厚尺寸的一半时。通过在第一管道5与第二管道6之间的组对区域7内设置第一钝边53和第二钝边63，即可以保证两个钝边之间的组对错边量为零。其中，组对区域7是指当第一管道5与第二管道6沿轴线对齐时相互覆盖的区域。此外，在(r+ΔH)＜S＜(R-ΔH)的范围内，通过调整第一钝边53所在圆周的半径尺寸S的大小以及调整第一钝边53所在圆周的轴线531与第一管道5的轴线51之间的径向偏置距离Δσ，可以实现对第一钝边53和第二钝边63在各自管道组对端面上位置的控制，进而控制第一坡口52和第二坡口62的坡口深度L，以便于钝边的加工和坡口的组对焊接。其中，坡口深度L是指，钝边与各自管道内表面和外表面之间的径向距离。

优选的，结合图4所示，在本发明中，选取组对区域7中的同轴区域71作为设置第一钝边53和第二钝边63的区域。其中，同轴区域71是指，以第一管道5的轴线51为中心，以(r+ΔH)为内环半径，以(R-ΔH)为外环半径的圆环区域。此时，将第一钝边53所在圆周的轴线531与第一管道5的轴线51之间的径向偏置距离Δσ设置为零，将第一钝边53和第二钝边63所在圆周的半径尺寸S设置为(r+ΔH)＜S＜(R-ΔH)，从而完成第一管道5和第二管道6之间的组对操作。这样在加工第一坡口52和第一钝边53时，将坡口加工设备与第一管道5安装固定后进行同轴加工即可，从而简化第一坡口52和第一钝边53的加工操作，提高加工效率。

结合图5所示，当时，即第一管道5与第二管道6之间的实际错边量ΔH大于等于管道壁厚尺寸的一半时，组对区域7的面积变小并且位于组对区域7内的任意一个圆的圆心既不与第一管道5的轴线51对齐，也不与第二管道6的轴线61对齐。此时，对第一钝边53进行径向偏置设置，即在第一钝边53所在圆周的轴线531与第一管道5的轴线51之间设置一定的径向偏置距离Δσ且偏向第一管道5与第二管道6之间的错边方向。具体为，将第一钝边53所在圆周的轴线531与第一管道5的轴线51之间的径向偏置距离Δσ设置为将第一钝边53和第二钝边63所在圆周的半径尺寸S设置为

进一步优选的，在确定第一钝边53所在圆周的半径尺寸S时，需要同时保证第一坡口52和第二坡口62在整个管道圆周方向上的坡口深度最小值L_min≥0.1*(R-r)。这样在对坡口进行焊接时，才能在钝边与管道表面之间形成足够厚度的焊缝，保证焊缝质量以及组对管道之间的连接强度。

对第一管道5进行第一坡口52和第一钝边53的加工步骤为：

首先，选用内胀式管道坡口机与第一管道5的内表面进行安装固定。根据第一管道5的内径测量数据，调整管道坡口机的中心位置使其与第一管道5圆周的轴线51重合，并借助该管道坡口机对第一管道5的内表面进行修正，提高第一管道5的内表面的圆度，保证第一管道5的内径尺寸满足设计要求。然后，再次对管道坡口机的中心位置和加工半径进行调整。其中，根据加工第一钝边52所在圆周的半径尺寸S，确定管道坡口机的加工半径尺寸；根据加工第一钝边53所在圆周的轴线531与第一管道5的轴线51之间的径向偏置距离Δσ，确定管道坡口机的加工旋转轴线的径向偏置距离为Δσ。最后，完成对第一坡口52和第一钝边53的加工。

对第二管道6进行第二坡口62和第二钝边63的加工步骤为：

首先，选用内胀式管道坡口机与第二管道6的内表面进行安装固定。根据第二管道6的内径测量数据，调整管道坡口机的中心位置使其与第二管道6圆周的轴线61重合，并借助该管道坡口机对第二管道6的内表面进行修正，提高第二管道6的内表面的圆度，保证第二管道6的内径尺寸满足设计要求。然后，再次对管道坡口机的中心位置和加工半径进行调整。其中，调整管道坡口机的加工旋转半径与第一钝边53的加工旋转半径相等，调整管道坡口机的加工旋转轴线与第一钝边53所在圆周的轴线531重合。最后，完成对第二坡口61和第二钝边62的加工。

步骤四，将第一管道5和第二管道6进行组对并点焊固定。结合图6所示，由于第二钝边63是以第一钝边53为基准加工而成，且两者的圆周半径尺寸相等。因此，可以直接对第一管道5和第二管道6进行组对，并将第一钝边53和第二钝边63之间的组对错边量控制在0.8mm以内，组对间隙控制在2.0mm以内。完成组对后，在钝边的外侧和内侧分别形成外部组对坡口8和内部组对坡口9。由于第一管道5和第二管道6之间错边量的存在，使外部组对坡口8和内部组对坡口9形成非对称的双组对坡口，且外部组对坡口8和内部组对坡口9的深度包括坡口深度L和错边量ΔH。最后，在外部组对坡口8的底部位置进行圆周方向的点焊固定，以固定第一管道5和第二管道6之间的组对错边量和组对间隙。

步骤五，对组对管道的外部组对坡口8和内部组对坡口9分别进行焊接。优选的，采用外部组对坡口8和内部组对坡口9交替焊接的方式。首先，对坡口深度大的一侧组对坡口进行焊接，且焊接深度为坡口深度小的一侧坡口深度尺寸L的1～1.5倍；然后，对坡口深度小的一侧组对坡口进行焊接，且焊接深度为该组对坡口的整个深度L+ΔH；最后，对坡口深度大的一侧组对坡口进行剩余深度的焊接。这样，通过对内、外部组对坡口进行分阶段的交替焊接，不仅便于焊接过程中对焊缝质量进行无损检测，而且可以避免焊接过程中由于两侧焊缝深度相差过大，引起外部组对坡口和内部组对坡口所受焊接应力不均使组对管道发生变形的问题，从而保证组对管道的焊接质量。

结合图7所示，在对外部组对坡口8的坡口深度和内部组对坡口9的坡口深度进行比较和焊接时，选取在管道整个圆周方向上的坡口深度最大值作为比较对象。在图7中，外部组对坡口8在管道整个圆周方向上的坡口深度最大值为L₁，内部组对坡口9在管道整个圆周方向上的坡口深度最大值为L₂,且L₁＞L₂。这样，首先，对外部组对坡口8进行焊接，且焊接深度为(1～1.5)*L₂；然后，对内部组对坡口9进行焊接，焊接深度为坡口深度L₂和错边量ΔH，其中对错边位置进行焊接时，焊缝10在管道圆周方向和管道错边方向上逐渐过渡，形成过渡斜面；最后，对外部组对坡口8的剩余坡口深度和错边量ΔH进行焊接，其中对错边位置进行焊接时，焊缝10在管道圆周方向和管道错边方向上逐渐过渡，形成过渡斜面。其中，在对错边位置进行焊接时，通过控制焊料沿圆周方向在错边位置中不同区域的填充量，在第一管道5和第二管道6之间的错边位置形成过渡斜面，保证管道的通流面积和焊缝厚度。

进一步优选的，结合图8所示，在本发明中，采用窄间隙自动焊接工艺对组对管道进行焊接操作，第一坡口52和第二坡口62的角度加工为5°，第一钝边53和第二钝边63的宽度尺寸a加工为2～3mm。这样不仅可以减少焊缝填充量、提高焊接效率、缩短工期，还可以加强焊缝质量、提高安全裕度。

在AP1000核电站主管道2的组对焊接时，采用本发明的管道组对焊接方法，首先，将主管道2中的三个RPV端口与压力容器1组对焊接固定；然后，将蒸发器3和主泵4吊装至安装位置，采用激光测量技术对主管道2的三个SG端口以及蒸发器3和主泵4上的三个管嘴进行空间位置的测量，得出三个SG端口与对应管嘴之间的实际错边量；接着，根据相互组对管道之间的实际错边量与各自管道壁厚之间的关系，加工坡口和钝边；最后，对三个SG端口和三个管嘴进行组对，形成三组非对称的双面组对坡口，并通过外部组对坡口和内部组对坡口的交替焊接完成组对管道的焊接。通过采用本发明的管道组对焊接方法，使AP1000核电站主管道2的组对焊接实现了一次完成合格安装，组对错边量控制在0.8mm以内，组对间隙控制在2.0mm以内，提高了施工效率和施工质量。