AP1000堆芯補水箱的焊接

張 敏

（上海電氣核電設備有限公司，上海201306）

浙江三門1號、2號核電工程的核反應堆主設備之一的堆芯補水箱（Core Makeup Tank，CMT）是美國西屋公司設計的第三代核電產品，由上海電氣核電設備有限公司負責承制。CMT是核電廠冷卻系統中重要的應急冷卻設備。當反應堆冷卻系統發生突發事故時，由其提供冷卻硼酸溶液，從而保證了堆芯的冷卻和提供滿足反應堆關閉所需的時間。CMT是由兩球形封頭和一圓柱筒體組成的壓力容器，外型尺寸7 356.6mm×φ4 725.4mm，總質量約160t。AP1000項目是我國首次制造的第三代核電項目，CMT的制造依據標準為“美國機械工程師協會（American Society of Mechanical Engineers，ASME）鍋爐及壓力容器規范”（簡稱ASME）（1998版）及2000補遺，技術要求高，制造難度大。CMT的主體材料和使用的所有焊接材料均按ASME要求進行制造和采購。CMT的焊接特點包括：焊縫厚度大，最厚處達244mm；材料種類多，涉及低合金鋼、不銹鋼和鎳基合金等同種和異種金屬之間的焊接；不銹鋼耐蝕堆焊要求多，如不銹鋼堆焊過渡層309需要取樣分析；焊工考試復雜，既要符合ASME要求，也要滿足核安全法規（簡稱HAF）的要求；采用的焊接工藝方法較多且技術等級較高，如窄間隙埋弧自動焊、鎳基合金氬弧焊和手工焊條焊、多層不銹鋼帶極埋弧堆焊、儀表管與筒體封頭的J型坡口焊接等。

1 CMT結構和主要設計參數

圖1所示為CMT的結構簡圖［1］。

圖1 CMT的結構簡圖

CMT的主要設計參數如下：安全等級為一級；規范級別為一級；質保等級為QA1級；設計壓力為17.13Mpa；設計溫度為343℃；主要材料為SA－508Gr.3Cl.1；腐蝕余量為堆焊層5.6mm；容器類別為核容器；設計壽命60a。

2 材料要求與分析

2.1 主體材料

CMT主體材料采用 SA－508Gr.3Cl.1低合金鋼鍛件，主鍛件均向中國第二重型機械集團公司采購。接管－安全端采用SA－336GrF316LN不銹鋼鍛件材料。支柱板、吊耳等零部件采用SA－516Gr.70碳鋼材料。

上述3類材料的主要力學性能要求和實測典型值如表1［2］所示，各項性能嚴格按照設計要求采購，數據表明材料的綜合性能良好，雜質元素的含量均控制在較低的水平。

2.2 焊接材料

按CMT主體材料類型、技術條件要求和所采用的焊接工藝方法，應用的焊接材料分低合金鋼、不銹鋼、鎳基合金及碳鋼4種材料類別，共有8種類型，見表2［2］。表2中所列的不銹鋼焊帶／焊劑／焊絲是向瑞典SANDVIK（山特維克）公司采購，不銹鋼焊條向法國液化空氣焊接材料有限公司（Air Liquide Welding Preducts Company，SAF）采購，鎳基焊材向美國特種金屬焊接材料有限公司（Special Metals Welding Products Company，SMC）采購，低合金鋼及碳鋼焊接材料均向德國BOHLER公司采購。

焊材除了焊縫金屬各項性能必須滿足核級技術條件外，良好的工藝性能如脫渣性、焊道表面成型等是保證焊接質量的前提；因此，在專門制定的焊材采購和驗收規程中，對焊材工藝性提出了嚴格的要求［3］。

由于西屋公司對焊接材料技術有兩種不同要求；因此，在焊材采購進廠后又根據不同要求進行了焊材復試試驗，表3為部分材料復試結果。

3 焊接工藝評定

CMT的焊接工藝評定技術條件是設計院根據ASME規范制訂的。ASME規范中對焊接工藝評定有專門章卷進行說明：第Ⅸ卷焊接和釬接評定、第Ⅲ卷核設施部件制造規則［4］。

表1 主要材料的力學性能 （1／4T，縱向）［2］

表2 焊接材料類型［2］

根據產品結構和規范要求，CMT共完成了25項焊接工藝評定，包括低合金鋼對接焊、不銹鋼耐蝕層堆焊、鎳基合金堆焊、不銹鋼和鎳基合金對接焊、低合金鋼與碳鋼對接焊、低合金鋼與鎳基合金對接焊、不銹鋼對接焊等；覆蓋了產品所有接頭和臨時性附件的焊接條件，以及各種補焊的工況條件。

4 主要接頭的焊接

CMT含有對接、角接等各類焊接接頭70多條，容器（SA－508Gr.3Cl.1材料）的所有內壁包括接管內壁均需堆焊至少5.6mm厚的不銹鋼耐蝕層。焊接是CMT制造過程中十分重要和關鍵的工序，工作量很大，焊接質量是制造質量的重要組成部分。制造過程中，所采用的焊接工藝方法主要包括窄間隙埋弧自動焊、手工電弧焊、手工鎢極氬弧焊、帶極埋弧堆焊、自動鎢極氬弧堆焊等。

4.1 主環縫窄間隙埋弧自動焊

厚壁筒體環縫的焊接國內外一般均采用手工焊條焊打底、窄間隙埋弧自動焊填充蓋面的工藝，具有效率高、成本低、焊縫性能好、工藝成熟等優點，具體工藝上有單絲和多絲、直流和交流之分，焊絲主要為直徑φ4.0～5.0mm。CMT主環縫的焊接同樣采用了該工藝。焊接設備采用ESAB公司EHD焊接系統，焊接材料為直徑φ4.0mm的Union S3NI－MO2焊絲和UV 420TTR燒結型焊劑。采用每層兩道的焊接方法。坡口形式如圖2所示。焊接設備為伊薩焊接切割器材有限公司生產的CaB 815C12×10型窄間隙焊接操作機。

表3 焊接材料進廠復試力學性能

圖2 主環縫坡口形式示意圖

4.2 人孔座與筒體馬鞍形焊縫窄間隙埋弧自動焊

人孔座與筒體之間的焊縫形狀為馬鞍形，特別是當焊縫厚度較大時，給焊接帶來了一定的難度，如清理焊渣、底部焊道焊接時焊絲位置和角度的調整、焊工的操作條件等。該類接頭的結構形式有插入式和貼合式兩種，目前應用較多的主要為插入式，焊接工藝方法多為埋弧自動焊。坡口形式有雙面U形、單面U形、I形帶襯墊式等。CMT采用的是雙面U形的坡口形式，如圖3所示。CMT人孔座外徑為φ1 310mm，最大馬鞍落差達140mm。焊接材料為直徑φ4.0mm的Union S3NIMO2焊絲和UV 420TTR燒結型焊劑。主要的焊接規范參數如表4。采用平焊焊接位置，圖3中①區和③區焊縫焊道不連續，以焊平落差區域；②區焊縫采用連續回轉平焊的方法；清根后焊妥。焊接設備為北京中電華強焊接工程技術有限公司開發生產的ZMA 2000＊180型馬鞍形埋弧自動焊機。圖4為接管與筒體馬鞍形焊接。

圖3 接管馬鞍形焊縫坡口形式結構簡圖（mm）

表4 馬鞍形焊縫焊接主要規范參數

圖4 接管與筒體馬鞍形焊接

4.3 不銹鋼耐蝕層的堆焊

不銹鋼耐蝕層的堆焊工藝方法有帶極埋弧堆焊、帶極電渣堆焊、自動鎢極氬弧堆焊、等離子堆焊、手工藥皮焊條堆焊等。CMT內壁不銹鋼耐蝕層的絕大部分采用兩層帶極埋弧堆焊工藝，接管內壁采用自動鎢極氬弧堆焊工藝。其他小部分內壁區域采用手工藥皮焊條堆焊工藝。帶極埋弧堆焊采用EQ309L和EQ308L型焊帶，過渡層采用EQ309L焊帶，面層采用EQ308L焊帶，焊帶尺寸為60mm×0.5mm。焊帶和焊劑牌號見表1，堆焊規范參數如表5所示。手工藥皮焊條堆焊第一層采用E309L型焊條，后續層均采用E308L型焊條。鎢極氬弧堆焊第一層采用ER309L型焊絲，后續層均采用ER308L型焊絲。圖5為CMT封頭內壁不銹鋼埋弧堆焊。

表5 帶極埋弧堆焊主要規范參數

圖5 封頭內壁不銹鋼埋弧堆焊

4.4 接管－安全端異種金屬鎳基合金焊接

接管－安全端異種金屬接頭是CMT焊接難點之一，主要體現在焊接材料是可焊性較差的鎳基合金，母材為低合金鋼與不銹鋼的異種金屬。焊接工藝方法主要有手工藥皮焊條焊接、手工氬弧焊、窄坡口冷絲或熱絲鎢極氬弧焊等。CMT有2條出入口接管－安全端接頭（內徑φ173mm，焊縫厚度23mm），其結構如圖6所示。出口、入口接管材料為低合金鋼鍛件SA－508Gr.3Cl.1，安全端材料為不銹鋼鍛件SA－336GrF316LN，焊接材料為690鎳基合金。焊接方法為手工鎢極氬弧焊打底及手工焊條焊填充蓋面，焊接位置為平焊。主要焊接規范參數見表6。

圖6 接管－安全端接頭結構示意圖

表6 接管－安全端焊接主要規范參數

4.5 儀表管座與筒體／封頭J型接頭的焊接

CMT的17個儀表管座與筒體／封頭之間的J型接頭是異種金屬焊接，即小直徑不銹鋼管座與低合金鋼鎳基堆焊層的焊接。采用的焊接方法是手工鎢極氬弧焊，焊材為690鎳基合金，直徑φ2.0mm。由于材料是鎳基合金，而且焊接位置特殊，焊接過程中必須加強打磨、清理等輔助工藝措施，以保證焊接質量。

5 產品焊接存檔試板［5］

CMT共設置了7付產品焊接存檔試板，包括：筒體與上／下封頭環焊縫焊接存檔件（2付），出／入接管與上／下封頭焊接存檔件（2付），出／入接管與安全端焊接存檔件（2付）、人孔座與筒體馬鞍形焊接存檔件（1付）。焊接試板的母材與對應的產品焊接接頭的母材同牌號，試板與產品在同一時期按完全相同的工藝、人員、設備、焊材和操作環境進行焊接并進行熱處理。對所有試板進行的無損檢驗均滿足了技術條件的要求。

6 結 語

第三代核電是由西屋設計公司設計的安全型核電，主設備有：壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器、堆芯補水箱（CMT）。其中全球第一套機組設在浙江三門。主設備中，壓力容器、蒸汽發生器在韓國斗山制造，穩壓器及堆芯補水箱在本公司制造。現階段已完成2臺堆芯補水箱的制造，穩壓器在制中。由于第三代核電與以往的兩代及兩代加有很大的不同，在制造技術上也有差異。作為第三代核電項目核電主設備之一CMT的制造完成，體現了我國在核電設備的制造技術水平又上了一個臺階，相應的焊接技術也得到了提高。CMT所有焊縫的無損檢驗結果表明：產品焊接接頭質量滿足了技術條件的要求，接頭性能均勻和穩定，質量可靠。低合金鋼筒體的窄間隙大厚度自動埋弧焊得到成熟應用。不銹鋼大面積堆焊工藝的提高。通過CMT的制造，不銹鋼自動堆焊技術得到進一步推廣。大接管與筒體的焊接技術得到提升，通過馬鞍形焊接設備的應用，使自動焊技術得以充分應用，從而提高了效率和焊接質量。接管安全端的異種金屬焊接，通過嚴格控制焊接材料及焊接過程的質量控制，可提高此類接頭的一次合格率。

［1］ASME鍋爐及壓力容器委員會.ASME鍋爐及壓力容器規范 第Ⅱ卷：材料，1998版及2000補遺［S］.北京：石油工業出版社，2000.

［2］西屋設計公司.AP1000堆芯補水箱設計規格書［M］.3版.美國：西屋設計公司，2011.

［3］張茂龍.600MW反應堆壓力容器的焊接［C］／／于溯源.核動力院第十二屆全國反應堆結構力學會議論文專輯.北京：［s.n.］，2002：305－308.

［4］ASME鍋爐及壓力容器委員會.ASME鍋爐及壓力容器規范 第Ⅸ卷：焊接和釬焊評定，1998版及2000補遺［S］.北京：石油工業出版社，2000.

［5］ASME鍋爐及壓力容器委員會.ASME鍋爐及壓力容器規范 第Ⅲ卷：核設施部件建造規則，第1冊NB分卷，1998版及2000補遺［S］.北京：石油工業出版社，2000.