“二代加”百萬千瓦級壓水堆核電機組蒸汽發(fā)生器焊接技術

李雙燕

(上海電氣核電設備有限公司，上海 201306)

我國嶺澳二期核電站在引進法國技術的基礎上進行了多項設計改進,這種“翻版+改進”的核電自主設計技術被稱為中國“二代加”改進型百萬千瓦級核電技術。目前,我國在建的紅沿河、寧德、方家山、陽江等核電站均采用這一技術?！岸印备倪M型三環(huán)路百萬千瓦級壓水堆核電站基本采用《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》(RCC-M)(2000版+2002補遺)規(guī)范設計建造,技術要求高,制造難度大。蒸汽發(fā)生器是反應堆的關鍵性部件,在核電站的運行過程中,蒸汽發(fā)生器一方面將反應堆所產(chǎn)生的熱量傳遞給二次側工作介質(zhì)水,使水成為飽和蒸汽從而推動汽輪機發(fā)電,另一方面起著將帶放射性的一回路系統(tǒng)與不帶放射性的二回路系統(tǒng)隔離的作用。百萬千瓦蒸汽發(fā)生器由我國自主設計、自主制造,主要特征表現(xiàn)為:零部件多,焊接部位多;材料特殊,涉及低合金鋼、不銹鋼和鎳基合金等同種與異種金屬之間的焊接;焊接材料種類多、焊材試驗多,包括焊材牌號的評定等;焊接工藝評定多,涉及對接、角接、堆焊、模擬補焊等;采用的焊接工藝方法多,除成熟的焊接工藝外,還包括了多項自主創(chuàng)新技術;焊接文件多,包括焊接數(shù)據(jù)包、焊縫及相關檢查清單等。

1 蒸汽發(fā)生器結構特征及主要設計參數(shù)

圖1 百萬千瓦蒸汽發(fā)生器結構簡圖

蒸汽發(fā)生器是核電站核島的核心裝置,百萬千瓦蒸汽發(fā)生器型號為55/19B,每個機組由3個環(huán)路組成,每個環(huán)路有一臺蒸汽發(fā)生器,結構簡圖如圖1所示。其中,管板一次側表面大面積堆焊至少8mm厚的Inconel 600鎳基合金堆焊層,下封頭表面堆焊至少5mm厚不銹鋼堆焊層。管板上鉆有8948個矩形排列的 φ 19.28mm管孔。二回路側 4474根φ 19.05mm×1.09mmU型Inconel 690傳熱管直段上分別由1塊流量分配板和9塊支撐板支撐。套筒的上端裝有16個一級汽水分離器和一個星形二級分離器。百萬千瓦蒸汽發(fā)生器主要設計參數(shù)如表1所示,主要材料如表2所示。

表1 百萬千瓦蒸汽發(fā)生器設計參數(shù)

表2 蒸汽發(fā)生器主要材料

(續(xù)表)

2 RCC-M(2000版+2002補遺)規(guī)范特點

RCC-M是法國核島設備設計和建造規(guī)則委員會(AFCEN)制定的核電設備的制造規(guī)范。RCC-M規(guī)則主要借鑒了美國機械工程師學會(American Society of Mechanical Engineers,ASME)鍋爐及壓力容器規(guī)范中的有關內(nèi)容,同時吸收了法國在工業(yè)發(fā)展實踐中所取得的成果,是法國核電規(guī)范最重要、內(nèi)容最完整并首先發(fā)行的壓水堆核島機械設備設計建造規(guī)范。RCC-M的制造與檢驗規(guī)則是法國核工業(yè)核電工程制造和檢驗實踐經(jīng)驗的具體體現(xiàn)[1-2]。

RCC-M(2000版+2002補遺)規(guī)范對焊接的要求具有以下3個特點。

(1)針對性強。RCC-M是針對壓水反應堆核島設備的專用標準,是一部針對性極強的制造標準[3]。針對焊接材料均給出了焊接填充材料的卡片,還將強輻照區(qū)用焊材與非強輻照區(qū)用焊材區(qū)分開。

(2)限制性強。RCC-M對焊接材料的選擇具用極強的限制性。焊接填充材料卡片給出了所用焊材的名稱,但卡片中沒有的材料不可以使用。另外,對于粉狀焊劑(與給定化學成分的焊絲或焊帶有關)、藥芯焊絲、藥皮焊條使用前需進行商標名稱評定,評定包括2部分:①由焊材供貨進行;②由設備制造廠進行。從這些規(guī)定可以看出,每種焊接材料必須進行大量試驗,包括焊材驗收、焊材評定、焊接工藝評定后才可用于產(chǎn)品。

(3)具體性強。由于RCC-M是一部針對性極強的標準,因此對設備的焊接要求非常具體。設備制造開工前需準備焊接數(shù)據(jù)包,焊接數(shù)據(jù)包大致包括9部分內(nèi)容,即焊縫標識圖、主要制造流程、焊接工藝規(guī)程清單、焊接工藝評定清單、產(chǎn)品焊接見證件清單、熱處理清單、焊縫及相關檢查清單、焊接工藝規(guī)程、焊接工藝評定指導書。對于焊接工藝評定,RCC-M對每種焊接類型均給出了具體詳細的要求,并且要求進行模擬補焊試驗。RCC-M還給出了產(chǎn)品焊縫見證件的設置要求。

3 主要材料

3.1 主體材料

蒸汽發(fā)生器作為核電站核島主設備之一,屬核安全一/二級設備,運行工況十分苛刻,對材料的要求非常高,大量采用具有較高綜合性能的優(yōu)質(zhì)鍛件材料。百萬千瓦蒸汽發(fā)生器殼體由8部分組成,其中上筒體上、上筒體下采用18MND5錳鎳鉬低合金鋼板材卷制而成,上封頭、錐形筒體、下筒體上、下筒體下、管板、下封頭均采用18MND5錳鎳鉬低合金鋼鍛件。一次側接管安全端材料為Z2CND18.12(N2)奧氏體不銹鋼;U型管材料為NC30Fe鎳基合金。蒸汽發(fā)生器的所有原材料包括主體材料均自主采購。

3.2 焊接材料

焊接材料的選擇是焊縫質(zhì)量優(yōu)劣的重要前提,實踐中根據(jù)百萬千瓦蒸汽發(fā)生器的結構特征、原材料類別、設計要求及生產(chǎn)設備和工程經(jīng)驗確定焊接工藝方法,從而確定焊接材料類別及尺寸。焊接材料入廠后進行焊材驗收和焊材牌號評定。

百萬千瓦蒸汽發(fā)生器用焊接材料涉及到4大類、19種,其中焊劑(與給定化學成分的焊絲或焊帶有關)和焊條需按RCC-M S5000進行商標名稱評定,評定時需考慮焊絲或焊帶、焊條的尺寸。這些焊接材料主要用于承載焊縫、非承載焊縫、堆焊層、隔離層、密封焊縫和補焊焊縫。具體種類、型號及規(guī)格如表3所示。百萬千瓦蒸汽發(fā)生器用焊接材料除J507焊條外均向國外采購,J507碳鋼焊條屬國產(chǎn)焊材,主要用于蒸汽發(fā)生器內(nèi)部構件(包括干燥器、汽水分離器、套筒、排污管等組件),國產(chǎn)焊材的使用尚屬首次,大大推動了核電國產(chǎn)化焊材的進程。

表3 百萬千瓦蒸汽發(fā)生器用焊接材料種類、型號及規(guī)格

4 主要焊接技術

百萬千瓦蒸汽發(fā)生器制造中的零部件包括遵守RCC-M的部件、部分遵守RCC-M的部件和不遵守RCC-M的部件。其中,遵守RCC-M 部件的焊接,焊工考核按HAF603要求進行,焊接工藝評定按設計要求和RCC-M規(guī)范第Ⅳ卷S3000執(zhí)行,焊接材料按設計文件和RCC-M規(guī)范第Ⅳ卷S2000采購和驗收。不遵守 RCC-M部件的焊接,焊工考核按HAF603要求進行,焊接工藝評定按ASME規(guī)范第Ⅸ卷或RCC-M規(guī)范第Ⅳ卷執(zhí)行,焊接材料按ASME規(guī)范第Ⅱ卷C篇或RCC-M規(guī)范采購。不遵守RCC-M的部件主要包括汽水分離器(一級分離器)、干燥器(二級分離器)、給水環(huán)等組件。其中,汽水分離器和干燥器由原來的國外整體采購實現(xiàn)國內(nèi)分包制造。

對于遵守RCC-M的部件,18MND5焊前和堆焊前預熱溫度均≥150℃。焊接時,道間溫度為低合金鋼≤250℃,不銹鋼≤250℃,鎳基合金≤225℃。后熱處理溫度為200～300℃,至少2 h。焊后熱處理溫度為595～620℃,最大保溫時間20 h,350℃以上加熱速度≤55℃/h,冷卻速度≤55℃/h,降到350℃以下冷卻,加熱方式為爐內(nèi)加熱或電紅外加熱。

在遵守RCC-M部件的焊接過程中,除采用成熟的焊接工藝外還采用了5項自主創(chuàng)新技術,這些技術在紅沿河核電廠一期工程一號機組蒸汽發(fā)生器的制造過程中得到成功應用。成熟焊接工藝包括主環(huán)縫手工電弧焊(SMAW)+埋弧焊(SAW)焊接、縱縫SAW 焊接、人孔座與筒體SAW焊接、給水接管與筒體SAW 焊接等,自主創(chuàng)新技術包括:①管板大面積Inconel 600鎳基合金帶極電渣堆焊技術;②下封頭內(nèi)壁大面積帶極埋弧堆焊技術;③下封頭進出口接管內(nèi)壁帶極埋弧堆焊技術;④下封頭進出口接管安全端不銹鋼鎢極氬弧焊(TIG)+SAW隔離層堆焊、SAW對接焊技術;⑤Inconel 600堆焊層+Inconel 690管子的不填絲TIG管子-管板焊接技術。

4.1 主環(huán)縫、縱縫焊接

百萬千瓦蒸汽發(fā)生器殼體材料為 Mn-Ni-Mo低合金高強鋼18MND5,所有主環(huán)縫均采用U+V型坡口形式,焊接方式為內(nèi)壁SMAW焊,外壁清根后SAW焊。上筒體縱縫均采用V+V型坡口形式,焊接方式為內(nèi)壁SAW焊,外壁清根后SAW焊。坡口型式和尺寸如圖2。焊接材料采用E9018-G焊條與F9A8-EG-F3N埋弧焊絲/焊劑。焊后和熱處理后對焊縫均進行100%磁粉檢查(MT)、100%超聲波檢查(UT)和100%射線檢查(RT)。產(chǎn)品焊接見證件設置為管板與下筒體環(huán)縫焊縫見證件、錐形筒體與上筒體環(huán)縫焊接見證件、上筒體縱縫見證件。焊接見證件在完成焊接和焊后消氫處理后,見證件分成2部分:①理化部分見證件與產(chǎn)品進行同爐熱處理;②保留部分不進行熱處理,用于分析見證件性能的偏差原因或可能的復驗試驗。

圖2 坡口型式和尺寸示意

4.2 管板堆焊

蒸汽發(fā)生器管板一回路側長期接觸帶有放射性和腐蝕性的載熱劑介質(zhì),按產(chǎn)品技術要求須全部堆焊鎳基合金Inconel 600材料,以保證一定的耐蝕性。管板直段堆焊至少8mm,R邊緣區(qū)堆焊7～9mm。直段區(qū)域首次采用帶極電渣堆焊技術,焊帶采用EQNiCr-3類型,尺寸60mm×0.5mm。為更好地保證堆焊質(zhì)量,共堆焊3層(見圖3)。首先在管板中心區(qū)域直焊道堆焊約φ 800mm的范圍,再采用環(huán)向堆焊方法。堆焊前預熱溫度≥150℃,全部堆焊后進行后熱處理。R邊緣區(qū)采用ENiCrFe-3焊條進行堆焊,焊接時第2層所用焊條的尺寸不得大于第1層所用焊條尺寸。由于堆焊層質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響管子與管板間焊縫的綜合性能,所有堆焊層堆焊時需進行清理、打磨,嚴格控制清潔度。堆焊后對所有堆焊層進行100%液體滲透檢查(PT)和100%UT。管板電渣堆焊層進行后熱消氫處理后,在產(chǎn)品最后一層上距表面2mm深度范圍內(nèi)直接取樣進行化學成分分析。在堆焊的第1條焊道上取一次試樣,然后在每間隔300mm的第n條焊道上取一次試樣。當使用新批次的焊帶焊劑時,在批次改變后堆焊的第1條焊道上取一次試樣,然后在每間隔300mm的第n條焊道上取一次試樣。

圖3 管板帶極電渣堆焊

4.3 下封頭堆焊

按設計要求,下封頭內(nèi)壁所有與載熱劑接觸的表面均需堆焊至少5mm厚的超低碳奧氏體不銹鋼,其中水室隔板焊接處堆焊至少5.25mm。下封頭大面積堆焊采用帶極埋弧堆焊技術,焊帶采用EQ309L/EQ308L類型,尺寸為60mm×0.5mm,共堆焊3層(見圖4)。進/出口管嘴內(nèi)壁首次采用帶極埋弧堆焊技術進行堆焊,焊帶為 30mm×0.5mm EQ309L/EQ308L。焊帶堆焊前預熱≥150℃,堆焊第1層過渡層后進行后熱處理,之后預熱≥15℃堆焊不銹層。下封頭中心區(qū)域、進/出口管嘴內(nèi)壁拐角區(qū)域、人孔內(nèi)壁和拐角區(qū)域均采用手工焊條E309L/E308L焊接,焊接時第1層過渡層E309L使用采購的最大尺寸,E308L不銹層的第1層焊條尺寸不大于過渡層E309L使用的尺寸。堆焊前預熱≥150℃,堆焊過渡層后進行后熱處理,之后預熱≥15℃堆焊不銹層。堆焊后對堆焊層進行100%PT和100%UT。

圖4 下封頭內(nèi)壁帶極埋弧堆焊

下封頭堆焊后,在產(chǎn)品堆焊層上直接取樣進行化學成分分析,在最后1層堆焊層上距表面2mm深度范圍內(nèi)取樣。對60mm寬焊帶堆焊的大面積堆焊層區(qū)域,在堆焊的第1條焊道上取一次試樣,然后在每間隔600mm的第n條焊道上取一次試樣。當使用新批次的填充材料時,在批次改變后堆敷的第1條焊道上取一次試樣,然后每間隔600mm的第n條焊道上取一次試樣。對30mm寬焊帶堆焊的進/出口管嘴內(nèi)壁區(qū)域,在第1條焊道上取一次試樣。對手工堆焊層,在下封頭中心區(qū)、進/出口管嘴內(nèi)壁拐角區(qū)、人孔內(nèi)壁等每個區(qū)域均取一次試樣。

4.4 下封頭進出口接管安全端焊接

接管安全端焊接接頭為異種鋼焊接接頭,由于設計及使用要求,在18MND5低合金鋼焊接坡口面上預先堆焊不銹鋼隔離層后,再與Z2CND18.12(N2)奧氏體不銹鋼進行對接焊。接管安全端焊接接頭坡口形式為單面U型坡口(見圖 5)。

圖5 接管安全端焊接坡口示意

此接頭的焊接首次采用不銹鋼 TIG+SAW 隔離層堆焊、SAW 對接焊技術。18MND5低合金鋼側不銹鋼隔離層的過渡層焊接(見圖6(a))采用法國Polysoude公司的PC600熱絲TIG焊機堆焊φ 1.2mm ER309L焊絲,不銹層采用φ 3.0mm ER308L焊絲和燒結型焊劑進行SAW堆焊。不銹鋼對接焊縫采用φ 3.0mmER308L焊絲和燒結型焊劑進行SAW焊接(見圖 6(b))。隔離層全部預熱≥150℃,焊完后進行后熱去氫處理,對接焊后進行整體熱處理。產(chǎn)品接管和焊接見證件(每個產(chǎn)品設置一個)對接焊焊至厚度和全厚度后,按照技術條件要求進行100%PT和100%RT,結果均合格。接管安全端接頭焊接見證件各項性能均滿足產(chǎn)品技術條件的要求。結果證明,下封頭進出口接管安全端焊接采用隔離層熱絲TIG+SAW堆焊工藝,對接焊SAW焊接工藝是可行的。

在接管嘴安全端產(chǎn)品隔離層堆焊時,焊完每一個產(chǎn)品的第1層(309L)后,在焊道的開始、中部和結束位置焊態(tài)表層打磨0.5mm后、2mm深范圍內(nèi)分別進行化學成分見證試樣取樣。取樣后碳(C)、鉻(Cr)和鎳(Ni)元素含量均滿足設計要求。

圖6 接管安全端接頭焊接

4.5 管子-管板焊接

管板材料為18MND5低合金鋼鍛件,總厚度557mm,Inconel 600鎳基合金堆焊層至少8mm。管板上鉆有8948個正方形排列的管孔,孔徑為φ 19.28mm,管子節(jié)距為27.43mm。與管板焊接的4474根 U型傳熱管材料為NC30Fe(Inconel 690),規(guī)格為φ 19.05mm×1.09mm。傳熱管端面與管板堆焊層表面平齊。管子管板焊接接頭如圖7所示。管子管板焊接(見圖8)的難度很大,不僅因為堆焊層和管子的材料不同,而且管子壁厚很薄,全位置焊接時線能量控制不當會使管子變形超標。

圖7 管子管板焊接接頭示意

圖8 管子管板焊接

管子管板連接方式采用脹接加焊接。制造工藝為先機械定位脹,再進行管子管板焊接,再進行液壓脹。管子管板采用不填絲脈沖自動TIG焊接一圈,焊接設備采用Polysoude公司的TS25/PS406焊機,保護氣體選用75%氦(He)+25%氬(Ar)混合氣體。焊接前需嚴格控制清潔度,焊接過程中需控制起弧位置、預送氣時間、預熔電流和時間、氣體流量、脈沖頻率、脈沖電流和時間、焊接速度、熄弧電流、滯后停氣時間等參數(shù)。焊接后對接頭進行目視檢查、尺寸檢查、100%PT、氦檢漏以及6%焊縫的RT,結果均合格。

每一個焊工或焊接操作工在每一次產(chǎn)品焊縫施焊前,應焊接一個管子-管板見證件焊縫,合格后才能進行產(chǎn)品焊接。采用自動焊施焊時,每焊100條產(chǎn)品焊縫,至少應焊一個管子-管板見證件焊縫。見證件應包括管板上用不同堆焊工藝焊接的區(qū)域,對于其中每一不同堆焊工藝區(qū)域,至少施焊10個見證焊縫。當產(chǎn)品焊縫出現(xiàn)補焊時,應對每種補焊工藝焊一個焊接見證件接頭。見證件試板厚度至少90mm(不包括堆焊層),每根管子長度至少150mm。焊縫考核要求包括最小泄漏通道(焊喉)測量、焊接接頭宏觀金相和微觀金相試驗。結果應滿足:焊喉平均值≥0.9e,焊喉單個值≥0.66e(e為管壁厚度);不允許有裂紋,只有局部最短的泄露途徑＞0.66e時,才允許存在氣孔和夾雜物;根部不連續(xù)≤0.1mm。同時,還需從管子-管板見證件不同堆焊層區(qū)域上取一個試樣進行 Fe,鍶(Si),鈮(Nb)+鉭(Ta)元素化學成分分析。

4.6 管板-下封頭環(huán)縫補堆焊

由于管板側為鎳基合金堆焊層,下封頭側為不銹鋼堆焊層,管板與下封頭環(huán)縫焊接后需進行補堆焊。補堆焊情況如圖9所示。以環(huán)縫中心線為界,靠近管板側堆焊鎳基合金,靠近下封頭側堆焊不銹鋼。堆焊后,在鎳基合金補堆焊區(qū)域和不銹鋼補堆焊區(qū)域各取一次試樣進行化學成分見證試樣分析。

圖9 管板-下封頭環(huán)焊縫補堆焊示意

5 結 語

(1)通過自主設計、原材料自主采購、設備自主制造,我國基本掌握了“二代加”改進型百萬千瓦蒸汽發(fā)生器的整體制造技術,形成了一套滿足RCC-M標準規(guī)范的焊接工藝和焊接文件體系。

(2)百萬千瓦蒸汽發(fā)生器的完全自主化以及成熟焊接工藝和多項創(chuàng)新焊接技術的成功運用為其批量化生產(chǎn)積累了豐富經(jīng)驗,也為第3代核電AP1000與EPR項目的順利制造打下了堅實的基礎。

(3)多項焊接新技術的應用不但提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率,還大大降低了生產(chǎn)成本,其中的管板帶極電渣堆焊使生產(chǎn)效率提高了一半。百萬千瓦蒸汽發(fā)生器的焊接技術已經(jīng)達到了國際同類產(chǎn)品焊接技術的先進水平。

(4)國產(chǎn)碳鋼焊條的使用為核島主設備用焊接材料的國產(chǎn)化起到了推動作用。

[1]法國核島設備設計建造規(guī)則協(xié)會.壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則(RCC-M)[S].北京:核工業(yè)第二研究設計院,1993.

[2]法國核島設備設計、建造及在役檢查規(guī)則協(xié)會.法國壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則RCC-M(2000版)及2002補遺[S].北京:[s.n.],2010.

[3]劉洪杰.核電站核承壓設備用鋼剖析[J].東方鍋爐,2007(4):23.