三代核電核島主設備蒸汽發生器關鍵焊接技術

羅成

1.概述

目前在建的廣東臺山核電站建設采用三代核電技術，該堆型是歐洲第三代先進壓水堆核電站，采用4個環路，單臺發電能力為1 600MW，單機容量大，在經濟性上極具競爭力，是現今國際上最先進的核電堆型之一。臺山核電站采用RCC—M 2007規范設計建造，技術要求高，制造難度大。蒸汽發生器是反應堆最關鍵部件之一，在核電站運行過程中，一方面是反應堆內載熱劑的熱量傳遞到二回路，使水成為飽和蒸汽，從而推動汽輪機發電；另一方面起著將帶放射性的一回路系統與不帶放射性的二回路系統隔離的作用。三代核電蒸汽發生器零部件多、材料種類多、焊接工藝評定多，除了一些成熟的工藝以外，產品焊接采用了多項新技術。

2.蒸汽發生器主要結構及設計參數

三代核電蒸汽發生器總長度23 260mm，上部筒體直徑為5 170mm，下部筒體直徑為3 800mm，總重量達488t。主要包括下封頭、管板、下部筒體組件、過渡錐筒體、套筒組件、管束組件、上封頭、上部筒體組件及汽水分離器等部件。結構簡圖如圖1所示。

圖1 蒸汽發生器結構

蒸汽發生器是核電站核島的核心設備，三代蒸汽發生器的型號為79/19 TE型。下封頭與管板相連組成水室，管板另一側與二次側殼體相連。由于一次側的載熱劑具有放射性，為了保證一次側水中具有較高的耐腐蝕穩定性，管板一次側表面需堆焊Inconel 690鎳基合金，下封頭內表面需堆焊不銹鋼。接管與下封頭一起整體鍛造成形，每個接管都裝焊有經鍛制而成的奧氏體不銹鋼安全端。管板上鉆有11 980個管孔。內套筒上部裝有汽水分離器和干燥器。三代蒸汽發生器主要設計參數如表1所示，主要材料如表2所示。

3.RCC—M規范（2007版）焊接篇特點

RCC—M是法國核島設備設計和建造規則委員會制定的核電設備制造規范。在焊接篇中，相比較2002版具有以下特點：

（1）2007版在焊材化學成分驗收結果中S、P含量要求提高，對雜質元素限制更嚴格，這樣有利于保證沖擊性能和綜合力學性能。

（2）2007版新增了對于手工焊、半自動焊和自動焊的定義，內容更充實。

表1 蒸汽發生器設計參數

表2 蒸汽發生器主要材料

（3）2007版在焊接工藝評定中新增了對于熱輸入量的要求。

（4）2007版有了更寬泛的適用范圍，S3000篇焊接工藝評定覆蓋范圍被放大。

4.主要材料

（1）主體材料 蒸汽發生器屬于核安全一級設備，RCC—M規范等級為一級，運行工況十分惡劣，對材料的要求非常高。主體部分主要由下封頭、管板、高筒體、中筒體、下筒體、過渡錐筒體、上封頭、上筒體及接管筒體組成，采用20MND5錳鎳鉬低合金高強鋼鍛件。一次側接管安全端材料為2CND18—12（控氮）奧氏體不銹鋼，U形傳熱管材料為NC30Fe。這幾種材料的化學成分要求值如表3所示。

（2）焊接材料 焊接材料的確定是確保蒸汽發生器制造質量的重要前提。根據設計要求和母材類別，確定了此次三代核電蒸汽發生器所用的焊接材料，主要涉及到四大類：低合金鋼、不銹鋼、鎳基合金和碳鋼。具體型號如表4所示。

5.關鍵接頭的焊接新技術

設備制造過程中，在焊前和堆焊前，20MND5材料需進行預熱，溫度≥175℃。焊接時，低合金鋼層間溫度≤250℃，鎳基合金≤225℃。焊后需立即進行后熱處理，溫度為250～400℃，最短時間為4h。焊后消應力熱處理保溫溫度為595～620℃，最大保溫時間為20h，350℃以上，升溫速率≤55℃/h，冷卻速度≤55℃/h，降到350℃以下空冷。

在三代蒸汽發生器制造中，采用了以下新技術：管板鎳基合金雙熱絲鎢極氬弧焊堆焊、下封頭進出口接管安全端無隔離層鎳基合金自動TIG對接技術、主環縫窄間隙埋弧焊技術以及管子管板焊接技術。

（1）管板鎳基合金雙熱絲鎢極氬弧焊堆焊 蒸汽發生器管板長期接觸帶有放射性的介質，按設備規格書要求管板平面和圓弧區域需堆焊Inconel 690鎳基合金，直段區域需堆焊不銹鋼。管板平面堆焊層厚度至少8mm，直段和圓弧區域厚度至少為5mm。

管板平面區域首次采用雙熱絲鎢極氬弧堆焊，相比其他焊接方法，鎢極氬弧焊的堆焊層屬于高純度焊縫，有利于提高管子管板焊縫質量，使焊縫產生缺陷的概率降低。所使用的焊材為ERNiCrFe—7、規格為φ1.2mm焊絲，共堆焊4層，堆焊參數如表5所示。直段區域首次采用帶極埋弧堆焊，焊材為EQ309L/EQ308L不銹鋼焊帶。圓弧區域采用EniCrFe—7焊條堆焊。焊接設備采用SAF公司生產的自動鎢極氬弧焊機。

表3 幾種主體材料的化學成分（質量分數） （%)

表4 主要焊接材料類型

由于鎳基合金對熱裂紋影響比較敏感，因此，清潔干凈的焊接區域是保證堆焊層質量的重要前提。堆焊時，嚴格控制外來污物，以限制S、P等雜質元素進入堆焊層。堆焊后進行100%液體滲透和超聲波檢測。管板堆焊層后熱處理和表面打磨后，在產品堆焊層距表面2mm深度范圍內取試樣進行化學分析檢測。管板堆焊層如圖2所示，產品制造如圖3所示。

（2）下封頭進出口接管安全端無隔離層鎳基合金自動TIG對接技術 蒸汽發生器接管安全端異種金屬焊接接頭是一種特殊的焊接結構。為了減少焊接材料的填充量，此次安全端焊接接頭首次采用無隔離層堆焊，由20MND5低合金高強鋼直接與Z2CND18—12奧氏體不銹鋼焊接在一起，焊接材料采用膨脹系數介于奧氏體不銹鋼與低合金鋼之間的Inconel 690類鎳基合金焊接材料。接管安全端焊接坡口形式如圖4所示。焊接設備采用LIBURDI公司生產的自動鎢極氬弧焊機。

安全端異種鋼焊接的難點主要在于鎳基合金是一種焊接性較差的金屬材料。這種金屬材料的純度要求很高，稍有雜質元素存在，就極易產生微裂紋。根據安全端焊接的這些特點，我們采用氣體保護的自動TIG焊接方法。焊材為ERNiCrFe—7氬弧焊絲，預熱160℃，焊后進行后熱處理，最高層間溫度≤225℃，對接后進行整體消應力熱處理, 具體焊接參數如表6所示。熱處理后進行100%液體滲透檢測、超聲波檢測和射線檢測，結果均合格，無任何缺陷顯示。

（3）主環縫窄間隙埋弧焊技術 三代蒸汽發生器殼體材料為Mn-Ni-Mo低合金高強鋼，最大厚度為131mm。對于主環縫，由于壁厚尺寸大、焊接工作量大，為了減少焊接材料的填充量，采用窄間隙埋弧焊方法。與普通坡口的埋弧焊相比，窄間隙焊坡口窄、焊縫金屬填充量少，可以節省大量的焊材和工時；同時由于窄間隙焊接時熱輸入量相對較低，使焊縫金屬和熱影響區的組織晶粒明顯細化，從而提高其力學性能，特別是塑性和韌性。在每層兩道的窄間隙埋弧焊焊接中，為了保證坡口側壁的良好熔合而不出現夾渣等焊接缺陷，在每一個焊道焊接時，焊絲端頭必須偏向各自接近的坡口側壁，坡口形式如圖5所示，焊接參數如表7所示。

焊接材料采用EF3類低合金鋼埋弧焊絲和焊劑。焊接設備采用ESAB公司生產的埋弧焊機。焊后和熱處理后對焊縫進行100%磁粉、超聲波和射線檢測。產品主環縫焊接見證件設置在高筒體與錐筒體上。在完成焊接后，見證件分成兩部分：一部分與產品進行同爐熱處理；另一部分不進行熱處理，用于分析見證件性能偏差的原因。

表5 管板平面堆焊參數

圖2 管板堆焊層

圖3 管板堆焊

圖4 安全端焊接坡口

表6 安全端產品焊接參數

（4）管子管板焊接技術 蒸汽發生器管板材料為20MND5低合金鋼鍛件，總厚度622mm，一次側表面鎳基合金堆焊層至少為8mm。管板上鉆有三角形排列的管孔，管子規格為φ19.05mm×1.09mm，材料為NC 30Fe。焊接設備采用POLYSOUDE公司生產的焊機。焊接坡口形式如圖6所示，焊接參數如表8所示。

管子管板焊接的難點在于：管子壁厚很薄，如果熱輸入控制不當將使管子變形超標；根據結構特點，焊接位置為全位置；焊接接頭為焊接性較差的鎳基合金。

為此，蒸汽發生器管子管板連接形式采用脹接加焊接。制造工藝是先定位脹，然后進行管子管板焊接。焊接采用不填絲全自動脈沖氬弧焊一圈，焊接過程中嚴格控制清潔度。焊接參數控制包括：起弧位置、焊接脈沖頻率、焊接速度、熄弧電流、氣體純度及氣體流量等。產品焊接后對焊縫進行目視檢查、尺寸檢查、100%液體滲透檢查、氦檢漏檢查和6%射線檢查，結果均滿足技術條件要求。

產品管子管板焊接見證件要求：每個焊工和焊接操作工在每次焊接產品焊縫前，需焊接一個見證件，檢測合格后才能進行產品焊接。每個焊接操作人員焊完100根管子之后設1個見證件，每次輪班的時候在檢查員的監督下焊一個見證件。產品焊縫需進行補焊時，應對補焊工藝焊1個見證件接頭。產品見證件焊縫考核要求包括宏觀金相和微觀金相。

表7 主環縫焊接參數

圖5 主環縫坡口示意

圖6 管子管板焊接坡口示意

6.結語

（1）通過蒸汽發生器的制造，我國基本掌握了三代核島主設備蒸汽發生器的整體制造技術，形成了一套滿足RCC—M 2007標準規范的焊接工藝和文件體系。

（2）三代蒸汽發生器多項創新焊接技術的成功運用為批量化生產積累了豐富的經驗，同時也提高了質量和生產效率，大大降低了生產成本。

表8 管子管板產品焊接參數