核島主設備蒸汽發生器主承壓焊縫焊接工藝研究

（中廣核工程有限公司，廣東深圳518124）

0 前言

壓水堆核電站由核島與常規島及BOP系統組成。核島系統主要由反應堆壓力容器、蒸汽發生器等核島主設備構成[1]。蒸汽發生器將反應堆壓力容器產生的熱量通過熱交換傳給蒸汽發生器二次側，產生蒸汽對常規島的汽輪機做功。蒸汽發生器是分割核島與常規島的壓力邊界，是一回路與二回路的交換樞紐[2]。在核島運行過程中蒸汽發生器需承受熱交換過程中的高溫、高壓與高輻射。蒸汽發生器一般由大型鍛件殼體與封頭組合焊接形成。大型鍛件之間的焊縫即為蒸汽發生器的主承壓焊縫。

蒸汽發生器主承壓焊縫的焊接質量關系核島正常運行的基本條件。本文總結了國內各種堆型蒸汽發生器主承壓焊縫的焊接工藝，比較了不同焊接工藝下的焊縫性能。

1 蒸汽發生器主結構與材料牌號

1.1 蒸汽發生器的結構

目前我國大陸在建的壓水堆核電機組主要包括 CPR1000（二代改進型）、AP1000、EPR、華龍 1號堆型，上述堆型均為百萬千瓦級堆型。核島系統主要由反應堆壓力容器，蒸汽發生器等核島主設備構成。蒸汽發生器整體結構主要由上封頭、上部筒體、錐形筒體、下部筒體、管板與水室封頭等8、9個大型鍛件裝焊組合而成[3]，以華龍1號蒸汽發生器為例，如圖1所示，每臺蒸汽發生器的主承壓焊縫為7、8條。

圖1 蒸汽發生器結構示意

1.2 蒸汽發生器鍛件母材

蒸汽發生器的大型鍛件的母材均為低合金高強度鋼。不同堆型的蒸汽發生器母材牌號如表1所示，其中18MND5與20 MND5屬于RCC-M標準體系材料牌號，SA508Gr3Cl2屬于ASME標準材料。20MND5主要應用于EPR堆型項目，其他應用核電項目較少，且其性能與18MND5相近。為便于總結比較，相關討論主要基于18MND5與SA508Gr3Cl2牌號材料。

表1 不同堆型蒸汽發生器鍛件母材牌號

根據RCC-M標準2007版第Ⅱ卷[4]，18MND5材料的成分組成見表2。根據ASME標準2007版第Ⅱ卷A分卷[5]，SA508Gr3Cl2材料的成分見表3。

2 焊接材料與焊接工藝

2.1 焊接材料

因蒸汽發生器鍛件母材為SA508Gr3Cl2或18MND5，常用焊接工藝有焊條電弧焊和埋弧焊，按照母材與焊材匹配原則，焊條電弧焊工藝選用的焊材為E9018-G低合金鋼焊條，其低合金鋼焊條熔敷金屬化學成分要求如表4所示。

埋弧焊焊絲為F9A8-EG-F3N，其熔敷金屬化學成分要求如表5所示。

表2 18MND5材料化學成分 %

表3 SA508Gr3Cl2材料化學成分 %

表4 低合金鋼焊條熔敷金屬化學成分 %

表5 低合金鋼埋弧焊絲/焊劑熔敷金屬化學成分 %

2.2 焊接工藝

2.2.1 主承壓焊縫結構

主承壓焊縫對接形式基本為兩個大型鍛件筒體在軸線方向的對接，如圖2所示。

圖2 主承壓焊縫對接示意

焊縫處的母材厚度約為100～200 mm。絕大部分焊縫接近或超過100 mm，部分焊縫厚度約180 mm。

2.2.2 焊接位置

蒸汽發生器主承壓焊縫焊接基本采用平焊位置，將蒸汽發生器組件放置在滾輪架上，焊接過程中蒸汽發生器繞自身軸線旋轉，以實現焊接過程中的平焊位置，如圖3所示。如采用埋弧焊工藝，受工藝本身所限，只能采用平焊位置。如采用焊條電弧焊工藝，為保證焊接質量，優先采用平焊位置，在平焊無法實現的情況下，可采取立焊（向上）或仰焊。

圖3 平焊焊接位置示意

2.2.3 焊接工藝與設備

主承壓焊縫的焊接工藝有埋弧焊[6-7]與焊條電弧焊。為提高生產效率和焊接質量，絕大部分主承壓焊縫的焊接均采用埋弧焊。在無法實現焊縫背面清根的焊縫，會先采用焊條電弧焊在主環縫內壁進行焊接，然后進行外壁清根，清根后在主環縫外壁進行埋弧焊焊接。相比埋弧焊，焊條電弧焊效率低，易產生夾渣、氣孔等缺陷。埋弧焊設備示意如圖4所示，埋弧焊采用直流反接，焊條電弧焊示意如圖5所示，埋弧焊采用直流反接。

圖4 埋弧焊焊接設備

圖5 焊條電弧焊焊接設備

2.2.4 主承壓焊縫坡口

蒸汽發生器焊縫形式主要有兩種[8]：一種為雙面坡口，經常采用U+V型坡口，即V型部分為焊條電弧焊，U型部分為埋弧焊，如圖6所示；另一種為單面U型坡口，全部采用埋弧焊，如圖7所示。

圖6 主承壓焊縫U+V型坡口

2.2.5 預后熱與層間溫度

圖7 主承壓焊縫單U型坡口

18MND5與SA508Gr3Cl2均為低合金高強度鋼，合金元素含量相對較高。因此兩種材料在焊接過程中的冷裂紋敏感性都比較高。相關研究結果表明：SA508Gr3Cl2的碳當量比18MND5高，其冷裂紋敏感性高于18MND5[9]。此外主承壓焊縫焊接均采用低合金鋼焊材，焊材的熔敷金屬同樣具有較高的冷裂紋敏感性。

為降低主環縫的冷裂紋發生傾向，需要在承壓焊縫焊接前進行預熱處理，焊后進行后熱，焊接過程控制層間溫度以降低焊接過程中焊縫的拘束應力，減少焊縫金屬及母材的氫含量，從而達到控制焊接冷裂紋的目的[10]。

在核島蒸汽發生器主環縫焊接過程中：

（1）預熱溫度≥150℃。如部分鍛件的碳當量或冷裂紋敏感系數偏高，或部分焊縫母材厚度偏厚，可以適當提高至175℃。

（2）層間溫度控制≤250℃。

（3）后熱溫度溫度范圍一般為200～450℃，后熱時間為至少2 h。加熱范圍：焊接及鄰近150 mm母材范圍。在實際焊接過程中，后熱工序一般采用250～400℃，后熱時間為4 h。如焊接完成后立即進行消應力熱處理操作，則后熱操作可不必單獨執行。

2.2.6 焊接參數

埋弧焊焊接參數如表6所示。焊條電弧焊焊接參數如表7所示。

表6 不同堆型蒸汽發生器鍛件母材牌號

2.2.7 消應力熱處理

為降低主承壓焊縫焊接過程中產生的拘束應力，在主環縫焊接完成后需進行消應力熱處理。消應力熱處理優先采用進爐熱處理，將蒸汽發生器主環縫相關組件整體進行進爐熱處理。熱處理一般采用大型燃氣爐，如圖8所示。

表7 焊條電弧焊焊接參數

圖8 大型燃氣熱處理爐

部分主承壓焊縫因條件受限，無法進行整體進爐熱處理。需采取部分局部熱處理工藝進行消應力熱處理。環縫區域采用環縫整圈包電加熱板及保溫設施進行局部熱處理，如圖9所示。

圖9 局部消應力熱處理示意

熱處理過程中，室溫～350℃為自由加熱溫度區間。350～595℃區間的升降溫速率應控制在≤55℃/h。消應力熱處理保溫溫度范圍為595～620℃，熱處理保溫時間為t，t應根據主環縫的厚度進行計算，熱處理溫度曲線如圖10所示。

3 焊縫力學性能與金相檢驗

對18MND5與SA508Gr3Cl2分別進行焊條電弧焊和埋弧焊焊接試驗。焊接參數如表6、表7所示。焊后進行24 h模擬消應力熱處理，待PT、UT、RT等無損檢測合格后進行理化分析檢測。

圖10 熱處理溫度曲線

3.1 化學成分

采用E9018-G低合金鋼焊條進行焊條電弧焊。焊縫未稀釋熔敷金屬化學成分見表8。采用低合金鋼埋弧焊絲焊劑進行埋弧焊，焊縫未稀釋熔敷金屬化學成分見表9。

3.2 力學性能

按RCC-M 2007標準相關工藝評定試驗要求執行18MND5的力學性能試驗，按ASME標準相關試驗要求執行SA508Gr3Cl2的力學性能試驗。兩種材料的力學性能試驗結果見表10、表11。18MND5與SA508Gr3Cl2的手工焊和埋弧焊試板的拉伸性能良好，試驗性能穩定，均能滿足相關標準設計要求。

3.3 金相檢測

焊縫區金相照片如圖11～圖14所示。由微觀金相圖可知，18MND5與SA508Gr3Cl2的手工焊和埋弧焊的焊縫組織均為貝氏體+鐵素體，其中鐵素體呈針狀，貝氏體為粒狀組織。

表8 E9018-G低合金鋼焊條熔敷金屬化學成分 %

表9 低合金鋼埋弧焊絲焊劑熔敷金屬化學成分 %

表10 18MND5焊接試驗力學性能試驗結果

表11 SA508Gr3Cl2焊接試驗力學性能試驗結果

4 結論

（1）蒸汽發生器用鍛件18MND5與SA508Gr3Cl2材料均為低合金鋼高強度鋼，冷裂紋敏感性較高。焊接前后必須進行預熱處理。SA508Gr3Cl2材料的冷裂紋敏感系數要高于18MND5。

（2）蒸汽發生器主承壓焊縫焊接后需進行消應力熱處理，以降低焊接過程產生的拘束應力。

（3）蒸汽發生器主承壓焊縫的焊接材料一般采用低合金鋼焊條與低合金鋼埋弧焊絲焊劑。

圖11 SA508Gr3Cl2手工焊焊縫金相組織

圖12 SA508Gr3Cl2埋弧焊焊縫金相組織

圖13 18MND5手工焊焊縫金相組織

（4）在全焊縫能實現埋弧焊的焊縫，可采用單U型坡口，只使用埋弧焊進行主承壓焊縫焊接，以提高焊接效率與焊接質量。

圖14 18MND5埋弧焊焊縫金相組織

（5）在不能避免手工焊的焊縫，采用U+V型坡口，先進行主承壓焊縫內壁的焊條電弧焊；外壁清根后，再進行外壁埋弧焊接。

（6）采用合適的焊接參數，焊條電弧焊焊縫與埋弧焊焊縫的化學成分與力學性能均能滿足標準要求。