壓水堆核電站在役機(jī)組更換控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)自動焊工藝研究

左智成，李 杰，孫士杰，陳英杰，張建平

（1.中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東 深圳 518000；2.大亞灣核電運(yùn)營管理有限公司，廣東深圳 518000）

0 前言

由于反應(yīng)堆壓力容器在運(yùn)行過程中始終處于高溫、高壓及高放射性環(huán)境中，壓水堆核電機(jī)組控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)（CRDM）多次出現(xiàn)焊縫泄漏的故障[1-2]。目前，針對在役機(jī)組CRDM密封焊縫泄漏的維修主要有CRDM切割再更換及密封焊縫堆焊修復(fù)（Overlay）兩種技術(shù)。其中，國內(nèi)在役機(jī)組CRDM密封焊縫堆焊修復(fù)主要被美國WSI（Welding Service Inc.）/SI（Structural Integrity Associates）公司壟斷，CRDM更換則主要被法國AREVA公司壟斷，國內(nèi)尚無一家公司具備在役機(jī)組CRDM更換的能力，開發(fā)一套完整的CRDM在役更換工藝具有十分重要的意義。本文介紹了一套新開發(fā)研制的壓水堆核電站在役機(jī)組控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)更換涉及的下部密封焊縫自動焊接設(shè)備，結(jié)合設(shè)備試驗(yàn)過程，給出合適的操作參數(shù)，為后續(xù)控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的在役更換提供借鑒指導(dǎo)。

1 控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)及自動焊空間狀況

1.1 控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)是反應(yīng)堆控制和保護(hù)系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)。其功能是根據(jù)反應(yīng)堆控制和保護(hù)系統(tǒng)的指令，驅(qū)動控制棒組件在堆芯內(nèi)上、下運(yùn)動，保持控制棒組件在指令高度或斷電落棒，完成反應(yīng)堆啟動、調(diào)節(jié)功率、保持功率、安全停堆和事故停堆。它的耐壓殼是反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)壓力邊界的組成部分[3]。

在CPR1000堆型的核電站中，每臺機(jī)組的反應(yīng)堆壓力容器頂蓋上方裝有61根控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)?？刂瓢趄?qū)動機(jī)構(gòu)由驅(qū)動桿部件、鉤爪部件、耐壓殼部件、線圈部件、棒位探測器等部件組成，其中，耐壓殼屬于承壓邊界，整個(gè)耐壓殼由棒行程套管和密封殼兩部分組成，耐壓殼上有上、中、下共3道密封焊縫，從上至下分別連接端塞、棒行程套管、密封殼、管座4個(gè)零件，構(gòu)成3處可拆密封結(jié)構(gòu)，整個(gè)機(jī)構(gòu)豎直安裝在反應(yīng)堆壓力容器頂蓋的管座上。反應(yīng)堆壓力容器堆頂最大化拆除后示意如圖1所示。

圖1 反應(yīng)堆壓力容器堆頂最大化拆除后示意Fig.1 Schematic view of maximum demolition of reactor pressure vessel top

1.2 更換控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)自動焊的空間狀況

本研究的自動焊設(shè)備及工藝均以CPR1000堆型的反應(yīng)堆壓力容器頂蓋為基礎(chǔ)。CPR1000堆型核電廠每臺機(jī)組相鄰控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)中心軸線之間的距離為304.11mm，耐壓殼之間的最小間隙為101mm，位于控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)耐壓殼下部區(qū)域。反應(yīng)堆壓力容器頂蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在進(jìn)行控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)耐壓殼密封焊縫更換切割操作前，需對堆頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行最大化拆除，僅保留反應(yīng)堆壓力容器頂蓋本體（包含管座）、通風(fēng)罩支承、控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)耐壓殼部件（內(nèi)含鉤爪部件）、熱電偶柱陰法蘭等，如圖2所示。

圖2 控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)更換試驗(yàn)工裝Fig.2 CRDM replacement test fixture

2 更換控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的焊接設(shè)備

2.1 更換控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)工裝

為了使設(shè)備及工藝能與現(xiàn)場實(shí)際工況相匹配適應(yīng)，試驗(yàn)工裝部件及空間尺寸完全模擬CPR1000堆型的反應(yīng)堆壓力容器頂蓋在役機(jī)組現(xiàn)場工況，相鄰控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)模擬管束中心軸線之間的距離為304.11 mm，相鄰控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)模擬管束耐壓殼之間的最小間隙為101 mm。在役機(jī)組控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)更換工藝試驗(yàn)涉及的焊接設(shè)備開發(fā)、焊接工藝開發(fā)以及控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部密封焊縫的切割、坡口整形、再焊接、無損檢測等一整套試驗(yàn)均依托該工裝進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)選取工裝中間的模擬件管束作為試驗(yàn)對象。

2.2 更換控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的焊接設(shè)備

因在役機(jī)組控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的更換操作空間十分狹窄，加之其管座處接觸劑量率約為10～50mSv/h，距離管座100mm位置環(huán)境劑量率約也可達(dá)1mSv/h，考慮到操作空間、工具的耐輻照性、人員輻照劑量限制等問題，在役機(jī)組控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)更換的全過程必須使用遠(yuǎn)程控制方法實(shí)施。

根據(jù)遠(yuǎn)程控制的需要，中廣核核電運(yùn)營公司研制了專用的遠(yuǎn)程自動焊接設(shè)備CRDM焊接機(jī)頭及適配的PC600-3電源，如圖3所示。

圖3 自動焊接設(shè)備電源Fig.3 Power source of automatic welding equipment

該自動焊接設(shè)備主要功能和特性為：

（1）自動焊接設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了現(xiàn)場空間布置尺寸限制，具有較好的可調(diào)節(jié)性，各組件間一體化控制，能確保在設(shè)備吊裝、固定以及操作過程中不對鄰近部件產(chǎn)生不利損傷。

（2）設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)能夠有效降低放射性環(huán)境對設(shè)備的影響。

（3）自動焊接設(shè)備的電源及控制部分位于遠(yuǎn)程平臺上，可保證操作員能在距離施工部位20 m外，通過控制臺實(shí)現(xiàn)對焊接設(shè)備的遠(yuǎn)程定位，并遙控鎖緊和松脫焊機(jī)機(jī)頭。機(jī)頭在鎖緊狀態(tài)時(shí)不會和耐壓殼組件有相對運(yùn)動，鎖緊過程中不會對耐壓殼殼體造成損傷。

（4）自動焊接設(shè)備機(jī)頭具有鎢極位置軸向和徑向遠(yuǎn)程調(diào)整模塊，實(shí)現(xiàn)鎢極的精準(zhǔn)定位以配合機(jī)頭定位及焊接；同時(shí)機(jī)頭具備AVC控制模塊，在焊接過程中實(shí)時(shí)調(diào)整鎢極與待焊坡口之間的距離。

（5）自動焊接設(shè)備機(jī)頭配備視頻監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控圖像顯示清晰、穩(wěn)定，視頻能存儲為常用視頻格式，并可復(fù)制輸出，監(jiān)控系統(tǒng)可以在輻照環(huán)境下連續(xù)、穩(wěn)定工作。

（6）自動焊接設(shè)備配備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣的精度和采樣頻率滿足焊接工藝分析的需求，采樣數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控裝置上，同時(shí)具備數(shù)據(jù)的閾值設(shè)置與報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲及打印等功能。

（7）自動焊接設(shè)備及工裝在控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)更換實(shí)施過程中，具備異物收集功能，包括收集切割及坡口加工過程中的金屬碎屑。

3 更換控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)焊接試驗(yàn)

3.1 控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部密封焊縫模擬件

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)更換所涉及焊縫為耐壓密封殼與管座連接下部密封焊縫。焊接試件尺寸、形狀均與現(xiàn)場產(chǎn)品一致。為達(dá)到重復(fù)試驗(yàn)并節(jié)約試驗(yàn)成本的目的，控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部密封焊縫的上、下部件分別設(shè)計(jì)成可與耐壓密封殼及管座自由拆裝的兩部分獨(dú)立試件，密封焊縫的上、下部件與控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)耐壓密封殼及管座采用螺栓連接，該設(shè)計(jì)未改變控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的整體形狀及結(jié)構(gòu)。密封焊縫的上、下部件的制備采用機(jī)械加工方法進(jìn)行，結(jié)構(gòu)圖及待焊部位尺寸如圖4所示；密封焊縫的上、下部件的材質(zhì)也與現(xiàn)場相對應(yīng)部位的材質(zhì)一致，均為法國牌號的Z2CN19-10（控氮），其化學(xué)成分如表1所示。

圖4 控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部密封焊縫上、下部件（單位：mm）Fig.4 Upper and lower parts of CRDM seal weld(mm)

表1 控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部密封焊縫模擬件化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of welding simulation for lower seal weld of CRDM %

下部密封焊縫上、下部件加工完成后需測量坡口唇邊端面外徑及唇邊厚度，確保上部件坡口唇邊端面外徑Da1=163.57±0.05 mm、下部件坡口唇邊端面外徑 Da2=163.58±0.05 mm、唇邊厚度 e=1.9±0.1 mm。測量唇邊尺寸時(shí)應(yīng)避免坡口加工后唇邊毛刺對尺寸測量的影響。

3.2 Y型熔化填充環(huán)及點(diǎn)焊裝配

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)耐壓密封殼與管座（密封焊縫的上、下部件）的焊接采用材質(zhì)為308L不銹鋼的Y型熔化填充環(huán)作為焊接填充材料。Y型熔化填充環(huán)化學(xué)成分如表2所示。焊接過程中焊縫正面及背面的保護(hù)氣體為純度99.999%的氬氣。

表2 焊材及其熔敷金屬化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of welding materials and deposited metals %

Y型熔化填充環(huán)與密封耐壓殼（密封焊縫上部件）的固定方式采用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行點(diǎn)焊，點(diǎn)焊直徑不大于2 mm，焊點(diǎn)間距20～30 mm。點(diǎn)焊前需要對密封焊縫上、下部件坡口及其鄰近區(qū)域進(jìn)行目視檢查，確保坡口清理干凈，無凹痕、刮傷、毛刺或沉積物等影響到裝配或焊接操作的表面缺陷。另外還需對密封焊縫上、下部件坡口及其鄰近區(qū)域進(jìn)行液體滲透檢查，不得有任何缺陷顯示。

密封焊縫上部件與Y型熔化填充環(huán)點(diǎn)焊完成后，需要檢查的項(xiàng)目及驗(yàn)收要求如下：（1）Y型熔化填充環(huán)兩個(gè)端頭相接處的間隙應(yīng)小于0.6 mm；（2）Y型熔化填充環(huán)與密封耐壓殼（密封焊縫上部件）坡口的間隙Gap1應(yīng)小于0.04 mm；定位焊點(diǎn)應(yīng)外觀光潔，無氧化物或缺陷（收縮孔洞）；（3）Y型熔化填充環(huán)定位焊后應(yīng)進(jìn)行清潔性檢查，坡口和Y型熔化填充環(huán)應(yīng)完全清潔，無污染物（水、油脂、滲透劑、氧化物等）。若不滿足上述要求，應(yīng)去除Y型熔化填充環(huán)并更換新的。

Y型熔化填充環(huán)與密封焊縫上部件點(diǎn)焊后，將密封焊縫上部件與控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)耐壓密封殼通過螺栓連接為一個(gè)整體，繼而將控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)耐壓密封殼通過螺紋結(jié)構(gòu)旋緊至管座上進(jìn)行焊接組對裝配。裝配前通過遠(yuǎn)程整形設(shè)備的處理可控制裝配后Y型熔化填充環(huán)與管座坡口（密封焊縫下部件）上表面之間的間隙Gap2保持在0.08～0.10 mm之間，滿足上游文件規(guī)定的0.04～0.25 mm[4]。

3.3 焊接試驗(yàn)及檢測

在實(shí)施控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部密封焊縫焊接前再次檢查確認(rèn)密封焊縫的上、下部件坡口及其鄰近區(qū)域是否干凈，有無油脂等影響焊接質(zhì)量的因素。

本試驗(yàn)焊接設(shè)備為專用的遠(yuǎn)程自動焊接設(shè)備CRDM焊接機(jī)頭及適配的PC600-3電源，實(shí)施過程為遠(yuǎn)程控制，應(yīng)對焊接過程進(jìn)行在線視頻監(jiān)測。焊接開始時(shí)起弧位置在Y型熔化填充環(huán)中心線位置向上偏移0.3mm，焊接試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。完成控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部密封焊縫焊接后，需按照RCC-M S7710要求對密封焊縫進(jìn)行無損檢測[5]。

目視檢查確認(rèn)焊縫寬度為6.5～9 mm，焊縫正面余高不大于1 mm，焊縫形狀規(guī)整，無裂紋、凹坑、未熔合、咬邊、表面氣孔、夾雜等缺陷。焊接試驗(yàn)前、后相關(guān)參數(shù)檢查記錄如表4所示。

表3 制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部密封焊縫焊接主要參數(shù)Table 3 Mainly welding parameters for lower seal weld of CRDM

對完工焊縫實(shí)施水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力22.8 MPa，維持壓力0.5 h無壓降。水壓試驗(yàn)前后兩次對完工焊縫及鄰近母材區(qū)域進(jìn)行液體滲透檢測，無任何缺陷顯示，如圖5所示。

完成焊縫無損檢測后對搭接區(qū)域取樣進(jìn)行宏觀及微觀金相試驗(yàn)，在10倍放大鏡下觀察宏觀金相，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未焊透、未熔合、凹陷以及氣孔等缺陷，Y型熔化填充環(huán)完全熔化；在200倍放大率的顯微鏡下觀察微觀金相，未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋和影響接頭性能的沉淀物。

表4 焊接試驗(yàn)前、后相關(guān)參數(shù)檢查記錄Table 4 Record of parameters before and after welding test

4 結(jié)論

采用自動TIG焊在役更換CPR1000堆型的機(jī)組控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)時(shí)，使用Y型熔化填充環(huán)作為填充材料，焊接操作前確保密封焊縫上、下部件和Y型熔化填充環(huán)的尺寸及材質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)格控制點(diǎn)焊裝配間隙，選用合適的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行自動焊接操作，可獲得滿足現(xiàn)場需求的產(chǎn)品焊縫，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)CPR1000堆型在役機(jī)組故障控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程更換工作，有效消除控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)故障引起的放射性物質(zhì)泄漏和控制棒滑步失步等現(xiàn)象，大大提高運(yùn)行機(jī)組的可靠性。

圖5 焊接件焊后液體滲透檢測Fig.5 Liquid penetration test after welding