三代非能動壓水堆核電廠蒸汽發生器與主泵的焊接

200233 上海核工程研究設計院 上海|王弘昶

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三代非能動壓水堆核電廠蒸汽發生器與主泵的焊接

200233 上海核工程研究設計院 上海|王弘昶

摘要：三代非能動壓水堆核電設計中，蒸汽發生器與反應堆冷卻劑泵殼直接焊接。本文從ASME規范要求出發，介紹并分析了該焊縫的結構、焊接工藝，并對焊接過程中的難點予以了闡述。根據相關工程制造經驗的反饋，本文還對該焊縫的制造過程給出一些建議。關鍵詞：蒸汽發生器；主泵；鎳基合金

概述

在三代非能動壓水堆核電設計中，首次將反應堆冷卻劑屏蔽電機泵用于大型核電廠，反應堆冷卻劑泵（下文簡稱“主泵”）與蒸汽發生器（以下簡稱“SG”）的連接也隨之采用了新的結構設計。這種設計取消了主泵與SG之間的管道連接，將泵殼的吸入管嘴直接與SG的冷卻劑出口管嘴焊接。

與二代加核電常用的SG與主泵間采用主管道過渡段連接的設計相比，該設計優勢如下［1］：①降低了主管道內反應堆冷卻劑的流動阻力。②消除了特定位置小LOCA事故后造成堆芯裸露的可能性，提高電廠運行的安全性。③簡化了支撐系統，有利于環路隔間的布置，為反應堆的安裝、運行、在役檢測和維修活動提供了更大的空間。④減少了主管道焊縫數量，縮短工期，節省成本。

SG與泵殼直接焊接的設計在我國核電領域尚屬首次應用，考慮到該條焊縫制造要求高、焊接難度大，工程實踐中，其焊接和檢測通常由蒸汽發生器制造廠在車間內完成。

此焊縫作為蒸汽發生器出廠前的最后一道重要的壓力邊界焊縫，對制造廠的焊接和無損檢測等方面的能力提出了很高的要求。

蒸汽發生器與泵殼的焊接

a焊接要求

該焊縫焊接時，SG所有部件基本已經完成安裝，設備水平固定放置，SG與主泵間的環焊縫的焊接在5G位置進行，即焊縫位于豎直的平面、管嘴的軸線水平。

SG為SA-508 Gr.3 Cl.2低合金鋼鍛件，主泵泵殼為CF8A不銹鋼鑄件。低合金鋼強度較高，焊接時，尤其是接頭厚度較大時，會產生較大的殘余應力，造成焊縫及熱影響區開裂。為了避免上述問題發生，低合金鋼焊接完成后需在約600℃進行一定時間的焊后熱處理。在泵殼焊接時，SG所有部件已基本裝配而成，難以對SG與主泵之間的焊縫進行焊后熱處理。為了避免上述制造難點，需在SG冷卻劑出口管嘴處堆焊一定厚度的隔離層，使SG與主泵的焊縫變為無需進行焊后熱處理的隔離層材料與不銹鋼之間的焊接。

b焊接材料

SG與主泵間的焊縫以及隔離層采用690焊材（ERNiCrFe-7/7A）。

選用該焊材主要有如下原因：①690隔離層與不銹鋼鑄件焊接時，無需預熱和焊后熱處理，簡化了焊接工藝。②690焊材的強度和膨脹系數位于兩側母材之間，起到較好的過渡作用。③690焊材被廣泛應用于異種材料焊縫的焊接，制造廠對于這類焊材有一定的使用經驗。④690具有較強抗晶間腐蝕和一次水應力腐蝕開裂的能力。

但是，690焊材也存在一些缺陷，如熔池流動性較差、焊道間易產生氧化膜、具有一定的液化開裂和高溫失塑開裂傾向等問題，需制定合適的焊接工藝，盡量減少這些問題的發生。

c焊接工藝

在制定SG與主泵的焊接工藝時，需注意如下問題：①研究表明，690焊材的液化裂紋和高溫失塑裂紋的產生與熱輸入有較大的關系［2］，為了減小其開裂傾向，需采用低熱輸入的焊接方法。②由于現場裝配的問題，SG與主泵焊接后，對焊接的變形控制有較高要求。③該條焊縫厚度較大，在確保焊縫質量的同時，還需適當考慮提高生產效率。

綜合考慮上述因素，在實際工程制造中，通常采用低熱輸入的鎢極氣體保護自動焊，為了進一步提高效率，減小焊接變形，該焊縫通常采用窄間隙的坡口。一般采用雙面焊接的雙U形窄間隙坡口。與標準推薦的單U形坡口相比，雙U形坡口有以下優勢：①690焊道間易形成氧化膜，需要在道間進行打磨清理。采用單U形窄間隙坡口時，坡口窄而深，對于底層焊道打磨較為困難；采用雙U形坡口可以避免這一問題。②由于噴嘴設計的關系，保護氣體一般自坡口頂部排出，坡口越深，對保護氣體的流量以及送氣的穩定性要求也越高，焊接時混入空氣產生氣孔或氧化膜的幾率也越大。雙U形窄間隙坡口深度相對較小，有利于氣體保護。③雙U形坡口對稱性更高，焊接殘余應力和焊接變形也相對較小。

結論

三代非能動壓水堆核電設計中，采用了SG與反應堆冷卻劑泵殼直接焊接的設計，由此對SG的焊接制造提出了新的要求。該條焊縫的焊接制造應注意以下幾點：

a為避免環焊縫的熱處理，在SG水室封頭冷卻劑出口管嘴表面堆焊一定厚度鎳基隔離層。

b采用低熱輸入的鎢極氣體保護的全位置自動焊，并選用690焊接材料。

c選用雙U形窄間隙坡口，有利于提高焊接質量。

參考：

［1］孫漢虹 等. 第三代核電技術AP1000 中國電力出版社， 2010

［2］John N. DuPont， John C. Lippold，Samuel D. Kiser， Welding Metallurgy and Weldability of Nickel-base Alloys. A John Wiley & Sons， inc.， Publication，2009