核電站關(guān)鍵部件的智能制造焊接解決方案探究

楊曉冬

（核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司，北京101300）

0 引言

近年來，全球能源緊缺具有顯著趨勢，能源多元化發(fā)展已成為必然方向。核電能源在節(jié)能、減排及環(huán)保等領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢，其發(fā)展進(jìn)程對增強(qiáng)國力、促進(jìn)我國長遠(yuǎn)發(fā)展發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著國家政策的持續(xù)改革，中國核電能源必將取得飛速發(fā)展。

1 穩(wěn)壓器電加熱元件管的智能制造焊接分析

1.1 穩(wěn)壓器焊接現(xiàn)狀

穩(wěn)壓器焊接主要采用在役更換焊接的方式。穩(wěn)壓器是核電站的核心設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)關(guān)乎核電站的運(yùn)行質(zhì)量。為實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的最大功率，穩(wěn)壓器的上封頭位置有63根電加熱元件，此元件可將設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，以達(dá)到周圍零部件降溫的作用，保證了核反應(yīng)堆的安全運(yùn)作。

加熱元件屬于損耗類部件，每隔一段時(shí)間需要進(jìn)行更換，其更換通常采用在役更換的方式。元件更換通常采用符合核運(yùn)作的不銹鋼材質(zhì)的元件，規(guī)格是ф32.5 mm×3.25 mm。由于更換空間較為狹小，所以只允許區(qū)域性打磨，焊接點(diǎn)在2G橫焊的位置，此焊接必須一次成型，焊接難度極大，相關(guān)焊接設(shè)備幾乎被國外壟斷，國內(nèi)有關(guān)發(fā)展受到極大阻礙。

1.2 穩(wěn)壓器元件焊接存在的問題及解決對策

在役更換的難題及相關(guān)解決方法通常包括如下幾點(diǎn)：

（1）焊槍頭設(shè)計(jì)，根據(jù)元件特點(diǎn)設(shè)計(jì)針對性的焊槍頭可解決電加熱元件更換難的問題，特殊焊槍頭可在狹小空間作業(yè)。由于在役更換會受到空間及設(shè)備的影響，焊接難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安裝難度。電加熱元件更換過程中，焊槍頭應(yīng)符合任意更換的狹小空間。

（2）智能化焊接電源控制程序，通過控制焊接電源可有效避免氦氣保護(hù)而造成的起弧難題。在應(yīng)用TIG（非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊）焊接過程中，由于壁厚較薄，很難應(yīng)用此焊接方式焊透成型，因此，運(yùn)用保護(hù)器提升焊接熔深十分重要，將氦氣作為其保護(hù)器可有效實(shí)現(xiàn)焊接的雙面成型，降低了操作難度。但是，運(yùn)用氦氣只局限于理想狀態(tài)，常規(guī)焊接電源無法在氦氣的環(huán)境下電離起弧，因此，需根據(jù)焊接要求專門定制可在氦氣環(huán)境下起弧的電源。

（3）嫻熟可靠的焊接工藝，設(shè)備固然重要，但焊接工藝是確保焊接成形的重中之重。可靠的焊接工藝可確保首次焊接達(dá)到圓滿的合格率。電加熱元件更換前，應(yīng)模擬焊接過程，更具焊接點(diǎn)模擬參數(shù)，確保焊接的合格率。目前，我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)核電站電加熱管的在役更換。

2 核島控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)CRDM中部Ω密封環(huán)焊縫解決方案

2.1 CRDM中部Ω密封環(huán)焊縫焊接現(xiàn)狀

本文將AP1000和“華龍一號”的控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)簡稱為“CRDM”，CRDM密封殼組件是很反應(yīng)堆一回路壓力邊界，該組件是核安全的首要部件。CRDM具體指核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)控手段，是一種依照安全標(biāo)準(zhǔn)伺機(jī)服務(wù)的組件。CRDM的功能是可根據(jù)核電廠反應(yīng)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)操作控制棒以達(dá)到范圍內(nèi)提升、調(diào)節(jié)和安全滯停的效果，CRDM的Ω密封環(huán)焊縫焊可避免應(yīng)焊接而產(chǎn)生的變形，由于其焊接設(shè)置類似于Ω形狀，所以，將其稱成特異密封焊接。常規(guī)條件下，此焊接在2G位置開始，每條“華龍一號”為61條焊縫，與“華龍一號”不同，AP1000為69條焊縫。

焊縫可根據(jù)技術(shù)要求運(yùn)用“填充環(huán)”采用TIG焊接的方式，避免人為焊接而造成的焊縫。以目前發(fā)展現(xiàn)狀看，TIG全方位自動焊焊接時(shí)占地約為2個月，嚴(yán)重影響了其他作業(yè)的順利開展。此外，AP1000的Ω密封環(huán)縫焊接主要在車間內(nèi)進(jìn)行，而“華龍一號”需在核電站現(xiàn)場進(jìn)行，因此，對焊縫的要求極高。

2.2 CRDM中部Ω密封環(huán)焊縫焊接研究難點(diǎn)及攻克措施

CRDM中部Ω密封環(huán)焊縫焊接研究難點(diǎn)及攻克措施主要分為如下幾點(diǎn)：

（1）根據(jù)作業(yè)需要，需對焊接頭機(jī)構(gòu)安裝進(jìn)行深入研究。通過分體式側(cè)面安裝的方式可有效解決TIG焊設(shè)備吊裝行車占地的問題。所謂分體式TIG焊，就是采用U形盤進(jìn)行卡緊操作，通過回旋盤實(shí)現(xiàn)Ω密封環(huán)焊接。具體操作為一人夾緊焊槍，或通過遙控的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程焊接。

（2）研究焊槍頭。為有效解決AP1000廠內(nèi)焊接不加填充環(huán)的自動填充焊接問題，應(yīng)借助填絲和不填絲多角度焊頭，通過自動化控制的方式在電源處進(jìn)行操作。

（3）焊接電源的研究。穩(wěn)定且可靠的數(shù)字化焊接電源是確保焊接順利開展的基礎(chǔ)，全方位一體化自動焊電源應(yīng)具備數(shù)據(jù)采集、圖像監(jiān)控和相關(guān)數(shù)據(jù)記錄的能力。焊接過程可通過遠(yuǎn)程操作，通過監(jiān)控成像為焊接提供便利條件。同時(shí)焊接電源也應(yīng)用具備存儲數(shù)據(jù)的能力，便于后續(xù)作業(yè)的開展。

（4）研究可完全重現(xiàn)焊縫的軟件系統(tǒng)，焊縫問題需通過重現(xiàn)性的WPS工藝進(jìn)行模擬重現(xiàn)，以此實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)且有效的控制線能量輸入，達(dá)成一面焊雙面成型的效果。同時(shí)，也要保證焊縫寬度大小相同，讓焊縫具備一致性。焊縫顏色通常為銀白色，焊縫形態(tài)必須嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

焊接之前，焊接工藝需進(jìn)行核一級不銹鋼鍛造棒制造的模擬件評定，依照CPX44601073N52144SS的CRDM小Ω密封環(huán)焊接工藝，有效開展焊機(jī)工藝試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行工藝評定。常規(guī)條件下，主要通過控制焊接工藝試驗(yàn)確定焊接實(shí)際作業(yè)可能出現(xiàn)的問題，通過分析氣流量、保護(hù)氣預(yù)送時(shí)間、焊接速度及電壓等參數(shù)確保焊接的順利進(jìn)行。實(shí)際作業(yè)中不可變更任何參數(shù)，需按照事先測試成功的參數(shù)嚴(yán)格執(zhí)行。

3 放射源端面焊接

3.1 放射源背景

最為常見的放射源為鈷60，該元素是元素鈷的同位性放射元素，此元素在國內(nèi)通常在秦山第三核電站重水生產(chǎn)。鈷60放射性極強(qiáng)，需在封閉的防輻射熱室中借助遙控的手段將此元素放到符合核反應(yīng)的不銹鋼容器內(nèi)，通過機(jī)械手臂進(jìn)行斷面密封封裝焊接。焊接過程中會產(chǎn)生大量的熱量，容易加熱包殼內(nèi)的空氣，很容易造成焊接封裝不充分的現(xiàn)象，由于空氣溫度高，焊接封裝容易形成氣孔。

3.2 端面焊研究難題及解決方案

首先，應(yīng)研究符合熱室條件且穩(wěn)定性較強(qiáng)的自動焊設(shè)備，以耐輻照為焊接重點(diǎn)。其次，應(yīng)研究穩(wěn)定可靠的自動焊接工藝方法及相應(yīng)的冷卻措施，解決空氣溫度高的問題，從而避免因溫度過高而產(chǎn)生焊接缺陷的問題。

4 結(jié)語

本文主要對放射源端面、CRDM及穩(wěn)壓器電加熱元件管3個部件進(jìn)行智能制造焊接分析，并對放射源斷面焊、核島控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)CRDM中部Ω密封環(huán)焊縫解決方案、穩(wěn)壓器電加熱元件管的智能制造焊接進(jìn)行詳細(xì)論述。其中，“華龍一號”作為國內(nèi)安全可靠的新一代核電站能源代表，不僅承載著國家發(fā)展的美好祈愿，還實(shí)現(xiàn)了機(jī)組高國產(chǎn)化率，為我國“裝備的智能化之路”發(fā)展提供了明確方向。核電站作為衡量國家發(fā)展進(jìn)程的關(guān)鍵指標(biāo)，進(jìn)一步降本增效，可有效提升我國國際化競爭力。