Сварка нового поколения

Масштабный отраслевой проект по техническому перевооружению тепломонтажных работ инициирован Центром трансфера технологий и технической политики (ЦТТиТП) Инжинирингового дивизиона. «Проект стартовал в конце 2019 года: были приняты распоряжения об опережающем применении прорывных технологических инноваций при строительстве Курской АЭС‑2 и АЭС „Руппур“. В ноябре 2021 года была принята программа повышения конкурентоспособности АЭС большой мощности, а в апреле 2024 года — ​отраслевая программа оптимизации бизнес-­процессов сооружения АЭС. Конечные цели — ​повышение конкурентоспособности, сокращение сроков и стоимости строительства АЭС», — ​рассказал вице-президент по капитальному строительству АО АСЭ Николай Виханский.

ЦТТиТП ориентирован на поиск, отбор, экспертизу и широкое тиражирование технологических инноваций, а также инновационных решений на стадии высокой технологической готовности (TRL 8−9). Отраслевые эксперты и ведущие специалисты профильных НИИ, вузов и ассоциаций сформировали и ежегодно пополняют отраслевой Реестр инновационных технологий и решений высокопроизводительных технологий промышленного строительства мирового уровня. В него включены 112 технологий. В 2016—2024 годах было выполнено более 85 внедрений из этого реестра. Среди них — ​прорывные технологии сварки.

Автоматическая сварка порошковыми проволоками
Технология автоматической сварки порошковыми проволоками (ПП) относится к разряду критических технологий и более 20 лет применяется в высокотехнологичных отраслях России. ПП представляет собой металлическую фольгу (ленту), заполненную металлическим порошком и шихтой. Ее преимущества перед ручной дуговой и аргонодуговой сваркой полуавтоматом: высокая производительность благодаря высокой скорости сварки (скорость наплавки увеличивается до четырех раз), высокие качество и механические свойства за счет микрокапельного и куполообразного переноса металла, пониженное тепловложение. Применение П П обеспечивает высокое качество сварных швов во всех пространственных положениях на монтаже, снижает количество внутренних дефектов и разбрызгивания. ПП дает наибольший эффект при переходе на автоматическую сварку: уменьшается влияние человеческого фактора, потребность в сварщиках сокращается в 2−3 раза. В России широко применяется комплексное решение на базе универсального комплекса «Восход» для сварки отечественными порошковыми ­проволоками.

Сейчас в России для сварки низко- и высоколегированных сталей по технологии полного цикла ежегодно выпускается более 10 тыс. тонн ПП 22 типов. В атомной отрасли разрешена к применению пока только одна порошковая проволока — марки ПП-СВП1. Согласно введенному в 2019 году НП 104−18, это единственная ПП, включенная в сводный перечень разрешенных на АЭУ сварочных материалов. Ее применение обеспечивает высокое качество сварных швов, рост производительности и сокращение затрат. Она была разработана для автоматической сварки самых ответственных конструкций в судостроении, в том числе атомном, нефтегазовой отрасли и мостостроении.

В рамках проекта «Расширение применения и аттестации новых порошковых сварочных проволок для атомной отрасли (ПП)» поставлена задача разработать и освоить промышленное производство семи новых сварочных порошковых проволок для тепломонтажных работ (ТМР), сварки ответственного оборудования ОИАЭ, наплавки покрытий со специальными свой­ствами (с температурами эксплуатации сварных соединений до 350 °C). В ходе реализации проекта будут проведены оптимизация и аттестация технологии автоматической сварки ПП. По итогам аттестации новые материалы будут включены в Сводный перечень разрешенных сварочных материалов в атомной отрасли.

Для реализации этого сложного проекта впервые в практике госкомпаний сформирован технологический альянс с четким разделением ответственности и задач между участниками. Заказчиком выступает АО АСЭ, аттестационные испытания ПП выполняют одновременно три ведущие головные материаловедческие организации (ГМО) России. Технический интегратор — ​АО «Научно-­производственная фирма „Инженерный и технологический сервис“» (АО НПФ «ИТС»), технические консультанты — ​монтажные и проектные организации Инжинирингового дивизиона.

Технологии автоматизированной сварки с применением новых ПП разделены по зонам ответственности ГМО. НИЦ «Курчатовский институт» и ЦНИИ КМ «Прометей» проводят испытания четырех порошковых проволок для ускорения и повышения качества сварочных работ в турбинном отделении; АО НПО «ЦНИИТМАШ» занимается испытаниями трех марок проволок, которые будут использованы для сварки и наплавки реакторного оборудования и трубопроводов 1−3 классов безопасности. Программы и методики аттестационных испытаний составлены по ГОСТ 50.04.06‑2018, они включают обширные и длительные испытания. Среди них: механические испытания на статический изгиб сварных соединений (СС), статическое растяжение металла шва и СС при различных температурах, ударный изгиб, испытания на циклическую прочность, коррозионную стойкость и определение физических свой­ств металла шва. Окончание аттестационных испытаний запланировано на I квартал 2026 года, когда будут завершены исследования термического старения.

АО НПФ «ИТС» обеспечил ГМО необходимыми материалами, изготовил более 1 тыс. заготовок для контрольных сварных соединений (КСС), предназначенных для исследования металла шва и собственно сварных соединений. Сварка всех КСС была проведена в присутствии представителей ГМО. КСС прошли обязательный неразрушающий контроль по отраслевым нормам и методикам и, если этого требовал технологический процесс, послесварочную термическую обработку. Всего было изготовлено более 600 КСС.

«С атомной отраслью мы работаем с 2000‑х годов. Поставляем сварочное оборудование и порошковые проволоки на АЭС, расположенные в Белоруссии, Бангладеш, Египте, Турции, — ​говорит директор АО НПФ „ИТС“ по науке и технике Светлана Карасева. — ​В рамках проекта ТЕПЛОТЕХ 4.0 АО НПФ „ИТС“ осуществляет аттестацию семи новых порошковых проволок. Мы предлагаем комплексные решения для повышения производительности сварочных процессов, в первую очередь автоматической сварки с применением порошковых проволок. АО НПФ „ИТС“ также координирует процесс одновременной деятельности пяти своих соисполнителей. Промышленная группа „ИТС“ — ​владелец ведущих заводов — ​изготовителей современного сварочного оборудования и материалов, поэтому мы можем быстро и эффективно осуществлять аттестацию, отработку технологии сварки и применять новые сварочные технологии в атомной отрасли».

НИЦ «Курчатовский институт» и ЦНИИ КМ «Прометей» провели комплекс аттестационных испытаний механических свой­ств металла, использовав более 1 тыс. образцов, сваренных новыми ПП. Полученные показатели соответствуют требованиям нормативной документации, установленным для атомной отрасли. При этом, например, характеристики сопротивления хрупкому разрушению при отрицательных температурах значительно превосходят существующие требования.

После выполнения всего комплекса аттестационных испытаний ПП в ГМО новые сварочные материалы будут разрешены к применению при сооружении АЭС и изготовлении ответственного оборудования ОИАЭ.

До окончания аттестационных испытаний семи новых ПП в опережающем порядке идет тиражирование технологии сварки с разрешенной отечественной маркой ПП-СВП1 комплексом «Восход» на Курской АЭС‑2, АЭС «Эль-­Дабаа». Курский филиал ООО «Трест РосСЭМ» в 2021 году произвел сварку циркуляционных водоводов, в 2023 году — ​металлоконструкций блоков наружной («юбка») и внутренней защитных оболочек. В итоге подтверждена высокая эффективность технологии автоматической сварки ПП: значительное ускорение тепломонтажных работ, сварка стыка возможна в одно заполнение, время сварки сократилось в 4−13 раз, приемка конструктива проходит с первого раза, нет замечаний от служб контроля СТК, СКК. Филиал разработал технологическую карту процесса, аттестовал технологию сварки и персонал по отраслевым нормам.

В переводе с английского — ​"замочная скважина". Такое название метод получил благодаря технологическим особенностям, обеспечивающим сквозной провар.

Новые автоматизированные аргонодуговые технологии сварки
На рабочей сессии по новым технологиям сварки, прошедшей в Петербурге в конце июня, главный сварщик АО «Энергоспецмонтаж» Андрей Леонтьев представил новую перспективную технологию сварки Keyhole TIG (K-TIG). Это высокотехнологичная версия аргонодуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом TIG.

Такой процесс сварки был разработан и запатентован несколько лет назад Австралийской правительственной организацией по научным и промышленным исследованиям (CSIRO). K-TIG используется в Австралии, США, Великобритании, Норвегии, Швеции, Дании, Тайване, Индии, Китае и других странах. Области применения — ​судостроение, производство цистерн, криогенная техника, нефтегазовая отрасль, производство электроэнергии, очистка воды, возобновляемые источники энергии, ядерная и оборонная продукция, трубопроводы. Американская General Electric (GE) использует эту технологию при изготовлении самых больших и современных в мире газовых турбин.

K-TIG сварку проводят на больших (600~650 A) токах для формирования сильного давления дуги на малую площадь. Под действием таких высоких режимов сварки электромагнитная усадка дуги повышается, ее проникающая способность значительно увеличивается. Горелка K-TIG спроектирована таким образом, чтобы преобразовывать сильноточную дугу в плазменную струю, полностью проникающую в материал и создающую сварочную ванну с высоким поверхностным натяжением на нижней стороне материала.

Технология K-TIG обеспечивает преимущества, доступные ранее только дорогостоящим лазерным или электронно-­лучевым установкам. Среди них: низкое тепловложение, узкая зона термического влияния, малые деформации основного металла, высокая производительность, сварка с глубоким проваром за один-два прохода. Она обеспечивает автоматическую высококачественную сварку деталей любого размера.

K-TIG имеет в восемь раз бо́льшую глубину проплавления, чем стандартный способ TIG. Это позволяет выполнять сварные швы в материалах толщиной до 16 мм за один проход без необходимости снятия фаски с кромок. Сварные швы выполняются в 100 раз быстрее по сравнению с обычной сваркой TIG и в соответствии с самыми строгими промышленными стандартами качества. Расход газа снижается более чем на 90 %, расход проволоки — ​более чем на 90 % или даже полностью исключается. Микроструктура и механические свой­ства получаемого сварного шва лучше, чем при TIG сварке. В K-TIG аппарате все сварочные операции автоматизированы. Регулировка параметров сварки осуществляется с помощью компьютерной программы. Существует модификация оборудования для монтажных условий — ​TIP TIG Focus 800.

АО «Энергоспецмонтаж» (входит в Инжиниринговый дивизион Росатома) рассматривает возможность применения этой технологии как в заводских условиях для сварки трубных блоков, так и на тепломонтажных работах при сооружении АЭС.

По инициативе ЦТТиТП и АО НПФ «ИТС» АО «Энергоспецмонтаж» апробировало инновационную технологию сварки TigSpeed, разработанную одним из мировых лидеров — ​компанией EWM. Это технология для подачи холодной и горячей проволоки сплошного сечения, созданная для TIG сварки. Ее суть заключается в непрерывном автоматическом движении проволоки вперед-­назад, частота которого регулируется с помощью гибких настроек цифровой панели управления в диапазоне 1−15 раз/с. Таким образом TigSpeed делает сварочный процесс легким, качественным и стабильным. Главное преимущество оборудования — ​высокая скорость работы, как при импульсной полуавтоматической аргонодуговой сварке, но с минимальным разбрызгиванием, возможностью ручной и автоматической сварки на одном аппарате, минимальным нагревом при высокой мощности, минимизацией деформаций и подрезов на поверхности изделия.

Пробную сварку нахлесточных и тавровых соединений средней протяженности из нержавеющей стали аустенитного класса провели на крышке-­площадке и лестнице оборудования для Курской АЭС‑2. Использовали присадочный материал из аустенитной стали диаметром 1,2 мм. В результате самым значимым преимуществом новой технологии признали повышенную производительность в сравнении с классической ручной аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом. Она достигается механизацией подачи проволоки. Один из недостатков — ​большие габариты механизма подачи проволоки, ограничивающие работу в стесненных, труднодоступных и монтажных условиях. Его целесообразно применять на продолжительных по длине швах и при больших объемах работ.

Технология TigSpeed хорошо показала себя в ходе реализации пилотного проекта в цеху укрупненной сборки. Она была рекомендована для сварки баков, емкостей, резервуаров, а также для облицовки стен и полов помещений в здании обстройки и реакторном отделении. Метод оптимален для нахлесточных и тавровых швов средней и большой протяженности с катетом не более 7 мм.

Технология автоматической аргонодуговой орбитальной сварки неповоротных стыков трубопроводов прошла пилотирование на площадке сооружения Белорусской АЭС и Курской АЭС‑2 в 2022 году. Она востребована при сварке труб малого диаметра для систем трубопроводов реакторного здания из легированных сталей.

Орбитальная сварка промышленно применяется на АЭС «Руппур» (Бангладеш) с 2021 года. Варят большой объем трубопроводов диаметром 14−57 мм. Используются три автоматических аппарата аргонодуговой сварки (ААДС) и один аппарат аргонодуговой сварки методом автопрессовки. Такие аппараты выполняют швы примерно на 15 % быстрее человека, обеспечивая стабильно высокое качество соединений. Опыт применения на Нововоронежской АЭС показал, что автоматика снижает вероятность брака практически до нуля.

Лазерная очистка поверхностей и лазерная сварка
Во всем мире системы лазерной очистки металла активно вытесняют ручной, механический, пескоструйный и химический способы. В современном оборудовании используются волоконные лазеры — ​результат многолетнего развития физики и оптики. Такой лазер — практически идеальный преобразователь световой энергии в лазерное излучение, имеющий высокий КПД. У способа широкий спектр применения: строительство и эксплуатация АЭС, нефтехимия, авиастроение. Выгоды очевидны: отсутствие повреждений поверхности основного металла и металла шва, незаменимость в труднодоступных местах.

Основные преимущества этой технологии: отсутствие расходных материалов, в частности, абразивных и травильных; возможность зачистить самые труднодоступные места; меньшая травмоопасность по сравнению с механической зачисткой шлифовальными машинами. Трудозатраты на очистку сварных соединений этим способом в 5−10 раз меньше по сравнению с ручной зачисткой инструментом. Работа лазерных систем допускается в обычных условиях и промышленных помещениях с вытяжкой. Не нужно утилизировать отходы и останавливать производство. Внедрение данной технологии может дать приличный экономический эффект: достигается снижение стоимости очистки сварных соединений и основного металла в пять и более раз.

Технология лазерной очистки поверхностей прошла промышленные испытания и адаптацию в условиях монтажных площадок сооружения Белорусской АЭС и Курской АЭС‑2. Для очистки ООО «Трест „РосСЭМ“» и АО «ЭСМ» применяли лазерное оборудование компании Pokkels — ​модели «Ранец» и «Стойка». Оборудование тестировали на площадке монтажа системы трубопровода спринклерной системы пожаротушения Курской АЭС‑2. Работы проводили на соединениях нержавеющих трубопроводов среднего диаметра. Лазерной чисткой обезжиривали кромки перед сваркой, а после сварки очищали сварной шов от цветов побежалости. Способ оказался эффективным для очистки основного металла закладных деталей сложной формы, оборудования после проведения холодно-­горячей обкатки и т. п. В результате были подтверждены основные преимущества данного оборудования, а также высокое качество зачистки металла шва и околошовной зоны от цветов побежалости и следов масла на кромках металла. В качестве одного из недостатков была названа высокая стоимость оборудования.

В итоге компании высоко оценили способ и оборудование Pokkels. АО «АСЭ» разработала инструкцию по применению устройств лазерной очистки металлических поверхностей и сварных соединений. Это легализует применение метода в Инжиниринговом дивизионе Росатома. Предполагаются дальнейшее использование данного метода на российских и зарубежных площадках строительства АЭС, расширение области его применения.

Промышленное тестирование лазерной полуавтоматической сварки было организовано АО «АСЭ» на площадке строительно-­монтажной базы Курской АЭС‑2. Установлено, что лазерная сварка воздуховодов систем вентиляции в четыре раза сокращает время сварки по сравнению с аргонодуговой. При этом сварку выполнили обычной сплошной сварной проволокой, разрешенной к применению и включенной в сводный перечень ФНП.

По результатам испытаний была подготовлена дорожная карта по аттестации технологии лазерной сварки для более ответственных конструкций на Курской АЭС‑2. Уже проведены первые испытания аттестационных образцов (КСС) и отработаны параметры режимов сварки. Принято решение о продолжении аттестационных испытаний и отработке технологических режимов с контролем качества визуально-­измерительными методами, капиллярной дефектоскопией и радиографией с участием ГМО — ​АО «НИКИМТ».

Цифровая рентгенография
Это современный метод неразрушающего контроля качества сварных швов. Он основан на использовании рентгеновского излучения и цифровых детекторов для получения изображения сварного соединения. Цифровая рентгенография позволяет выявлять дефекты сварки (поры, трещины, непровары и другие), оценивать их размер и местоположение. Она широко применяется в ряде высокотехнологичных отраслей России, в частности, на Белоярской АЭС.

Технология имеет очевидные преимущества. Во-первых, высокая скорость получения информации о состоянии сварного соединения. Радиографические снимки доступны в течение 10−20 минут после завершения неразрушающего контроля; кроме того, исключаются трудоемкие и длительные операции (проявка, сушка пленок и т. п.). Во-вторых, безопасное и длительное хранение информации о сварных соединениях в цифровых базах данных. В-третьих, при традиционном рентгенографическом контроле 260 тыс. стыков трубопроводов энергоблока расходуется 350 литров проявочных реактивов, 250 м² целлулоидной пленки 230 x  300 мм. Применение Ц Р обеспечивает сокращение или полное исключение расхода этих дорогостоящих материалов.

В 2023 году ЦТТиТП и АО «Энергоспецмонтаж» провели промышленные испытания технологии (на базе отечественного оборудования) беспроводной ЦР «Цифракон». Были разработаны рекомендации по ее применению для тепломонтажных работ. Оборудование Ц Р представляет собой программно-­аппаратный комплекс для обнаружения дефектов в структуре материала. Просвечивание осуществляется на цифровой плоскопанельный детектор. Программная часть комплекса представлена инструментами для достоверной расшифровки снимков в реальном времени. Комплекс подходит для контроля кольцевых соединений труб и водоводов диаметром 20−2200 мм с радиационной толщиной до 100 мм по стали. Промышленные испытания проводились в цеху филиала МСУ — ​5 АО «Энергоспецмонтаж» в городе Курчатове.

Технология беспроводной ЦР прошла промышленное тестирование также на площадке Белорусской АЭС и лабораторное тестирование — ​на базе Научно-­исследовательской лаборатории радиографического контроля института НИКИМТ (Отраслевая ГМО — ​АО «НИКИМТ-Атомстрой»).

Следующий шаг — ​изучение возможности применения методов цифровой радиографии для контроля ОИАЭ, а также сопоставление результатов контроля по унифицированным методикам рентгенографического контроля и методикам с применением DDA-систем. Также готовятся предложения по актуализации действующей НТД: рассмотреть возможность получения, хранения и обработки информации о состоянии металла и сварных соединений в цифровом виде.

Перспективы
В ближайшей и среднесрочной перспективе Центр трансфера технологий и технической политики АО «Атомстройэкспорт» продолжит тиражировать прорывные технологические инновации, включенные в отраслевую базу НДТ на строительных площадках АЭС. Этот процесс включает комплексное (инженерное и сервисное) сопровождение, реализацию пилотных проектов, разработку и корректировку НТД, сертификацию, организацию технических туров и тренингов, обучение персонала. Необходимо масштабировать успешный опыт создания технологических альянсов.

* База НДТ — ​отраслевой «Реестр инновационных решений, продукции, современных технологий, материалов, изделий, высокотехнологичных услуг и перспективных разработок для капитального строительства ОИАЭ». Это реестр технологий мирового уровня, находящихся на стадии высокой технологической готовности (уровни TRL 8−9), имеющих не менее двух успешных промышленных применений, обладающих высокой конкурентоспособностью и рыночным потенциалом как в России, так и за рубежом и рекомендованных к широкому применению в проектах сооружения ОИАЭ и промышленном строительстве России.