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焊接维修钢筒混凝土管的工艺方法与应用

2023-09-04 19 上传者：管理员

摘要：根据某核电厂钢筒混凝土管腐蚀情况，制定了维修工艺方法，通过多种方法得到了性能符合要求的试件，并依据维修位置情况与环境条件，保证维修成功。根据维修工艺试验与现场工程实例，制定了一套相对全面的、可适用于现场维修钢筒混凝土管的方法，为后续相关项目提供借鉴。

关键词：
核电
核电厂用水系统
焊接修复
腐蚀
钢筒混凝土管
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1、钢筒混凝土管概况

核电厂用水系统（SEC）是为设备提供冷源的系统，在运行和发生事故情况下，SEC系统通过海水将核设施安全有关的构筑物、设备系统的热量输送到核电站最终冷源（海水）。

某核电厂的SEC系统中，位于泵站底下内径为1.2m的入口管道和位于G A廊道内的内径为0.7m的管道是钢筒混凝土管[1,2]，钢筒混凝土管主要用于重要SEC系统和循环水处理系统（CTE），每台机组2列，从对应混凝土管道内吸入海水并送往下游SEC、CFI、JPP泵和CTE泵。钢筒混凝土管管道内长年运送海水，密封钢筒在海水中氯离子的侵蚀下易发生腐蚀穿孔[3,4]，进而引起钢筋锈蚀膨胀，并进一步导致附近的混凝土开裂。由于SEC管廊与PX泵房相连，海洋大气容易进入管廊内，使其空气中的氯离子含量增加，因此钢筒混凝土管也存在由外及里的破坏，钢筒混凝土管的钢筒材料为Q235B，外径为200～1200mm，壁厚6～10mm。

为解决钢筒腐蚀穿孔或减薄等缺陷情况，该核电厂计划对钢筒进行焊接维修，开展焊接维修工艺研究，基于焊接工艺研究对现场钢筒缺陷进行维修，并保证满足焊缝质量与性能要求。

2、焊接维修工艺试验与性能检测

2.1试验材料

管材选用20G钢管，规格为φ219mm×7mm；贴板补焊材料选用Q235B板材，厚度10mm；背面垫块材料选用黄铜。

2.2维修工艺试验与性能检测

针对钢筒历次腐蚀减薄等检查，根据现场维修难度与空间位置，模拟对表1中的减薄、腐蚀缺陷进行维修，缺陷预制采用机械加工方法，焊接采用手工GTAW，焊丝为ER50-6，规格为φ1.6mm、φ2.4mm；焊接电流为70～120A；焊前无预热，控制层间温度在100℃内。

表1维修试件缺陷预制与维修方法

对试件进行破坏性试验，包括室温拉伸、弯曲、冲击及金相试验，结果见表2。由表2可知，试验结果符合标准要求。各试件的金相照片如图1～图4所示。

表2破坏性试验结果

图1试件K1金相照片

图2试件K2金相照片

图3试件B1、B2、B3金相照片

图4试件B4金相照片

3、现场工程维修实例与方法

3.1实例1：减薄穿孔

与CTE泵相连接的钢筒管道存在壁厚腐蚀减薄情况，减薄区域尺寸约为90mm×28mm，最薄区域约为2.2mm，如图5所示。钢筒外径约为219mm，设计壁厚6mm，采用手工GTAW方法进行维修堆焊，焊丝为ER50-6，直径1.6mm；焊接电流70～120A；焊前无预热，控制层间温度在100℃以内。

在维修过程中，出现了钢筒穿孔的情况，根据现场查看与分析，主要有以下两个原因。

1）焊接热量未及时散开，导致熔池过大。

2）由于壁厚减薄，且长时间的熔池过热状态导致背部的砂浆受热出现膨胀，并产生一定的气体，对熔池产生作用，所以使焊缝成形变得困难或穿孔。

根据分析，去除钢筒背部的砂浆，直至露出穿孔位置（见图6），再进行焊接维修。维修完成后，各项检测均合格，最后恢复砂浆结构。

3.2实例2：减薄开裂

与SEC泵相连接的钢筒管道存在大面积腐蚀减薄情况，减薄区域面积约为480mm×53mm，最薄区域约为4.4mm，钢筒外径为1296mm，设计壁厚8mm，采用手工GTAW方法进行维修堆焊，焊丝为ER50-6，直径1.6mm；焊接电流70～120A；焊前无预热，控制层间温度在100℃以内。

图5减薄区域

图6背部穿孔

维修完成后，在维修位置附近出现了钢筒开裂的情况，根据现场查看与分析，主要有以下两个原因。

1）维修位置靠墙体，与附近钢筒与钢筒搭接焊缝相近，所受的拘束过大[5]。

2）焊接维修时间较长，维修区域大，热量未来得及散开，焊接应力加大。

开裂位置如图7a所示。根据以上分析，凿开墙体附近50mm混凝土，并去除开裂位置背部砂浆，降低开裂区域及附近所受的应力。对开裂位置进行打磨以消除缺陷（见图7b），打磨前先钻止裂孔防止打磨过程中裂纹会产生扩展[6]，按照类似板材对接形式进行坡口预制，采用管道背部防风措施及分段退焊等工艺措施进行焊接，维修完成后，各项检测合格，最后恢复墙体混凝土与背部砂浆结构。修复后的形貌如图7c所示。

图7开裂位置及修复后的形貌

3.3实例3：贴片补焊

L2S E C103V E钢筒外径为1296m m，设计壁厚8mm，钢筒管道靠墙侧局部壁厚腐蚀减薄，减薄区域面积约为200m m×50m m。焊接方法采用G T A W，焊丝为E R70S-3，直径1.6m m，焊接电流74～135A，焊前无预热，控制层间温度在250℃以内。现场采用贴片补焊，即在钢筒管道外表面贴一块200mm宽等效材料、相同厚度的钢板进行贴补补焊加强，相当于给BONNA管再穿上一层铠甲，有效避免了BONNA管原位置外表面受到直接腐蚀，提高管道抗腐蚀裕度。为防止钢筒与钢筒搭接焊缝处所受的拘束过大，贴片钢板尽可能覆盖或靠近钢筒搭接焊缝处，导致靠墙侧焊缝距墙过近，无法正常施焊。焊接前对墙体混凝土进行凿开处理，凿墙深度及宽度达到焊工施焊操作要求。另外，因为环境较为潮湿，所以在钢筒管道防腐层去除后，短时间内很快就会产生浮锈情况，影响焊接质量及焊缝成形。针对钢筒管道浮锈情况，焊前使用白胶带保护，每次焊接前检查焊接区域表面状态，浮锈区域使用抛光机进行清理，并在焊接过程中随时观察焊接区域表面状态，以控制焊接质量。贴片补焊修复前后对比如图8所示。

图8贴片补焊修复前后对比

3.4维修方法

根据上述的维修工艺试验与现场工程实例，可制定出一套相对全面的现场维修方法，见表3。

表3维修方法

注：1.当孔洞区域长宽比>5时，视作条状孔洞，否则视为圆形孔洞。2.同一管道上2处损伤最近距离≤4δ（钢筒壁厚）时，2处损伤视为1处损伤。

4、结束语

1）针对钢筒腐蚀情况，进行了维修工艺试验，试件性能检测均符合要求，可按照维修工艺方法进行现场维修。

2）现场维修时，需根据维修位置情况与环境条件，保证维修成功。如对外径超过1000mm的钢筒，维修区域面积大，位置受限，需先凿开部分墙体，并露出钢筒搭接焊缝，避免维修过程中焊缝或钢筒受力开裂；当壁厚较薄时，应考虑焊前清除背部砂浆以防止穿孔。

3）通过工艺试验与现场维修，形成了一套可适用于现场的维修钢筒混凝土管的维修方法。

参考文献:

[1]余洪方,沈丽华.国内预应力钢筒混凝士管技术现状调查与分析[J] .混凝土与水泥制品, 2005(4).26-29.

[2]窦铁生,燕家琪.预应力钢筒混凝土管(PCC P )的破坏模式及原因分析[J] .混凝土与水泥制品, 2014(1):29-33.