蒸汽發(fā)生器管板制造的幾個(gè)關(guān)鍵工藝

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(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233)

蒸汽發(fā)生器是核電站核島關(guān)鍵設(shè)備之一，屬于核電站第二道放射性防護(hù)的屏障[1]。蒸汽發(fā)生器通過傳熱管將一回路的熱量傳遞到二回路，產(chǎn)生滿足要求的合格蒸汽以推動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電，同時(shí)起到隔離一回路和二回路的重要作用[2]。

蒸汽發(fā)生器主要包括一次側(cè)壓力邊界、二次側(cè)壓力邊界和內(nèi)件組成。其中管板同時(shí)是一次側(cè)和二次側(cè)的壓力邊界，其長(zhǎng)期接觸一回路帶有放射性和腐蝕性的反應(yīng)堆冷卻劑，在高溫高壓的環(huán)境中工作，管板的質(zhì)量直接關(guān)系到蒸汽發(fā)生器的壽命及核電站的安全運(yùn)行。

隨著核電站單機(jī)容量不斷增加，蒸汽發(fā)生器管板的尺寸也在不斷增大，幾種不同堆型核電站中蒸汽發(fā)生器的管板尺寸如表1所示。

表1 蒸汽發(fā)生器管板尺寸Table 1 Dimension of steam generator tube sheet

1 蒸汽發(fā)生器制造的特點(diǎn)

蒸汽發(fā)生器在制造廠正式開工一般是從管板焊接臨時(shí)吊耳，一次側(cè)堆焊開始。蒸汽發(fā)生器的制造周期一般為3～4年。其中，管板從堆焊到熱處理到最終完成鉆孔加工需要大半年時(shí)間，再考慮到制造過程中可能出現(xiàn)不符合項(xiàng)等因素，其制造周期可能會(huì)更長(zhǎng)。因此管板的制造對(duì)整個(gè)蒸汽發(fā)生器的進(jìn)度起著至關(guān)重要的影響，管板的制造技術(shù)會(huì)直接影響蒸汽發(fā)生器的產(chǎn)品質(zhì)量。

對(duì)某制造廠蒸汽發(fā)生器制造過程中出現(xiàn)的不符合項(xiàng)NCR(Non-conform Report)統(tǒng)計(jì)如圖1所示。從圖1中可以看出蒸汽發(fā)生器制造過程中的不符合項(xiàng)主要表現(xiàn)在機(jī)加工、人為操作、機(jī)械性能、焊接熱處理、無損檢測(cè)等方面。其中機(jī)械性能和機(jī)加工等因素占比例較大，機(jī)械性能主要體現(xiàn)在原材料或產(chǎn)品熱處理后性能不能滿足文件要求。

圖1 蒸汽發(fā)生器制過程中NCR分布Fig.1 NCR distribution for steam generator manufacture

按照HAF003《核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定》第十章規(guī)定不符合項(xiàng)的處理有四種方式：照用(use as is)，返修(repair)，返工(rework)，報(bào)廢(reject)[3]。其中，返工為使不合格產(chǎn)品符合要求而對(duì)其所采取的措施，是把不合格品變成合格品。返修，為使不合格產(chǎn)品滿足預(yù)期用途而對(duì)其所采取的措施，返修處理后的產(chǎn)品始終還是非良品。從統(tǒng)計(jì)分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，蒸汽發(fā)生器零部件中因機(jī)械性能的不符合報(bào)廢的較多，其他因素通過返工、返修等途徑大部分可以達(dá)到可接受的程度。

2 管板鍛造

管板鍛件直徑及厚度很大，在實(shí)際生產(chǎn)中，鍛造難度大，質(zhì)量控制難。影響鍛件的質(zhì)量很多，其中主要包括鋼錠的性能，鍛造工藝及鍛造后熱處理。鍛造比是衡量鍛造工藝的一個(gè)重要參數(shù)。鍛造比的選擇主要考慮金屬材料種類、鍛件性能要求、工序種類及鍛件的形狀尺寸等因素。鍛造過程隨著鍛造比的增大，鍛件的縱向和橫向力學(xué)性能均得到明顯提高。鍛造比的大小影響金屬的力學(xué)性能和鍛件質(zhì)量，若鍛造比選擇過小，鍛件達(dá)不到性能要求；如鍛造比過大，一方面增加工作量且對(duì)材料性能無貢獻(xiàn)作用，另一方相反可能強(qiáng)化材料的各項(xiàng)異性趨勢(shì)反而不利于材料性能的提高[4]。因此，合理的選擇鍛造比是保證鍛件質(zhì)量的一個(gè)重要工藝因素。

對(duì)蒸汽發(fā)生器管板用SA-508 Gr.3 Cl.2鍛件進(jìn)行了不同鍛造比的試驗(yàn)。不同鍛造比條件下材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度如圖2所示。圖中表明，鍛造比小于4時(shí)，隨著鍛造比的增大材料的性能明顯得到改善；鍛造比在4～6時(shí)材料的性能變化趨于緩和；鍛造比大于6時(shí)材料的性能不再有顯著變化。在蒸汽發(fā)生器管板的鍛造過程中，通常推薦選擇鍛造比為6左右。

圖2 SA-508 Gr.3 Cl.2鍛造比與強(qiáng)度關(guān)系Fig.2 The relationship between theforging ratio and strength of SA-508 Gr.3 Cl.2

3 管板堆焊

蒸汽發(fā)生器管板為了滿足強(qiáng)度需求通常采用低合金鋼，但是管板的一次側(cè)與反應(yīng)堆冷卻劑截止接觸，為了保證抗腐蝕性能，需要在管板的一次側(cè)表面堆焊耐腐蝕的鎳基或者不銹鋼堆焊層。

管板的堆焊方法通常分為帶極自動(dòng)堆焊、絲極自動(dòng)堆焊和手工焊。帶極堆焊的原理與絲極堆焊基本相同，最主要的區(qū)別在于用焊帶取代焊絲。帶極堆焊相對(duì)絲極的主要的優(yōu)勢(shì)：非常均勻的焊道熔深；更低的母材稀釋率水平，允許以更少的堆焊層達(dá)到化學(xué)成分及性能要求；更高的生產(chǎn)率，可減少堆焊焊道數(shù)量及搭接數(shù)量。手工焊主要用在管板的拐角區(qū)域及自動(dòng)焊機(jī)無法到達(dá)的邊緣區(qū)域。蒸汽發(fā)生器管板大平面的鎳基帶極堆焊如圖3所示。

影響管板堆焊質(zhì)量因素主要包括管板母材的焊接性能，焊材的特性，焊接工藝，焊接工人的操作水平等。

圖3 管板堆焊Fig.3 Cladding weld for the tube sheet

3.1 管板母材的焊接性能

管板母材為SA-508 Gr.3 C1.2，其化學(xué)成分如表2所示。鋼材中決定可焊性的影響因素主要是碳及合金元素的含量。為了方便表達(dá)這些元素對(duì)焊接性能的影響，通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)單的用碳當(dāng)量來表示。

表2 管板母材的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of tube sheet SA-508 Gr.3 C1.2

根據(jù)國(guó)際焊接協(xié)會(huì)推薦的Ceq的計(jì)算公式為[5]：

(1)

式中，w為鋼材中相應(yīng)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。碳當(dāng)量越高，焊接性能越差，當(dāng)Ceq<0.4%時(shí)，材料塑性良好，淬硬傾向不明顯，焊接性良好；當(dāng)Ceq在0.4%～0.6%時(shí)，鋼材的塑性下降，淬硬傾向逐漸增加，焊前工件需適當(dāng)預(yù)熱，焊后需要緩冷防止裂紋；當(dāng)Ceq>0.6%時(shí)，鋼材的塑性變差，淬硬傾向和冷裂傾向變大，工件必須預(yù)熱到較高的溫度，要采取減少焊接應(yīng)力和防止開裂的技術(shù)措施，焊后還要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?。蒸汽發(fā)生器管板材料SA-508 Gr.3 C1.2按照公式(1)計(jì)算得到碳當(dāng)量為0.7%超過了0.6%，因此管板母材進(jìn)行堆焊前后，一定要注意預(yù)熱和后熱，以減小焊接前后的溫差，降低冷卻速度，減少焊接應(yīng)力，從而防止裂紋的產(chǎn)生。

3.2 管板堆焊NCR原因分析

管板堆的焊層完成需要通過無損檢測(cè)確保堆焊層的質(zhì)量，當(dāng)堆焊層無損檢測(cè)出現(xiàn)缺陷時(shí)，通常需要打磨去除缺陷，然后進(jìn)行補(bǔ)焊。管板制造過程中產(chǎn)生不符合項(xiàng)歸納起來原因如下：

1)堆焊區(qū)域的待焊面打磨不夠圓滑或不平整產(chǎn)生的未熔合，如多層焊時(shí)，前一層焊縫表面未修磨圓滑，焊道之間凹下量較大等；

2)同一層焊道之間搭接錯(cuò)位，焊接過程中殘?jiān)謇聿粡氐?，在起弧、收弧處沒有清理徹底導(dǎo)致微小氣孔或未熔合；

3)管板焊后熱處理不當(dāng)產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致的缺陷；

4)堆焊時(shí)人為因素(如未按規(guī)程操作、參數(shù)不正確等)造成的不符合。

針對(duì)管板母材本身的焊接特性及制造過程中出現(xiàn)NCR的原因，管板焊堆焊時(shí)應(yīng)注意合理選擇焊接工藝參數(shù)；管板堆焊層與層之間應(yīng)該打磨徹底，且打磨區(qū)域應(yīng)圓滑過度以利于第二層焊接的良好融合；嚴(yán)格按照評(píng)定合格的焊接工藝規(guī)程進(jìn)行操作；嚴(yán)格執(zhí)行穩(wěn)定可靠的預(yù)熱、后熱、焊后熱處理等熱處理工藝。

4 管板熱處理

管板堆焊過程中進(jìn)行的熱處理主要包括預(yù)熱、后熱以及焊后熱處理等。預(yù)熱是為了延長(zhǎng)焊接時(shí)熔池凝固時(shí)間，減少溫度梯度，降低焊接應(yīng)力，提高抗裂性；后熱是焊接后立即對(duì)焊件全部或局部進(jìn)行加熱、保溫，是加快擴(kuò)散氫逸出的工藝措施，主要目的是消氫；焊后熱處理是待管板焊接完成后，將其加熱到一定的溫度，保持一定的時(shí)間，然后以一定的速度冷卻下來，焊后熱處理的目的是降低焊接殘余應(yīng)力，改善金相組織和提高綜合性能。

依照管板母材SA-508 Gr.3 C1.2的特點(diǎn)和ASME的要求[6]，管板母材堆焊前進(jìn)行預(yù)熱溫度150～250 ℃；焊后進(jìn)行后熱溫度控制在250～400 ℃，保溫時(shí)間4～5 h；焊接完成后的整體熱處理保溫溫度為595～620 ℃，保溫時(shí)間≥1 h，保守累計(jì)時(shí)間≤5 h。圖4是管板焊后熱處理過程中五組熱電偶的溫度曲線。溫度控制包括保溫時(shí)間和保守累計(jì)時(shí)間，保溫時(shí)間是指管板上所有布置的熱電偶顯示超過595 ℃至所有熱電偶中有一組熱電偶溫度開始低于595 ℃。保守累計(jì)保溫時(shí)間是指管板上有一組熱電偶溫度高于595 ℃開始至加熱結(jié)束管板上所有布置的熱電偶顯示都低于595 ℃，累積保溫時(shí)間主要控制材料在整個(gè)服役期內(nèi)熱處理總時(shí)間不得超過經(jīng)評(píng)定合格的熱處理時(shí)間限定。

圖4 焊后熱處理溫度曲線Fig.4 The curve of post weld heat treatment

在管板焊后熱處理過程中，管板上任何相距4.5 m的兩點(diǎn)間溫度差不得超過140 ℃，同時(shí)，溫度高于425 ℃時(shí)加熱和冷卻速度不超過220 ℃/h除以材料熱處理的最大厚度(英寸)。

管板熱處理完成，經(jīng)無損檢驗(yàn)合格后方能進(jìn)行傳熱管孔的深孔鉆，鉆孔結(jié)束后將對(duì)管板管孔的一、二次側(cè)進(jìn)行工裝保護(hù)，至此管板的加工完畢，將進(jìn)行管板與水室封頭和下筒體組件等部件的組裝。

5 結(jié) 論

本文對(duì)管板制造的幾個(gè)關(guān)鍵工藝如鍛造、焊接、熱處理進(jìn)行了分析和討論。管板鍛造過程需要根據(jù)母材的特性選擇合理的鍛造比，同時(shí)對(duì)于管板的見證件需要和管板有相近的鍛造比；管板的堆焊需要選取合理的焊接工藝參數(shù)并嚴(yán)格按照評(píng)定合格的工藝規(guī)程執(zhí)行，同時(shí)配套一定的熱處理工藝，避免堆焊層出現(xiàn)熱裂紋、冷裂紋等缺陷；管板的熱處理(預(yù)熱、后熱、焊后熱處理)需要注意保溫溫度，保溫時(shí)間，加熱冷卻的速率等因素。