羅成

1.概述

目前在建的廣東臺山核電站建設(shè)采用三代核電技術(shù)，該堆型是歐洲第三代先進(jìn)壓水堆核電站，采用4個環(huán)路，單臺發(fā)電能力為1 600MW，單機(jī)容量大，在經(jīng)濟(jì)性上極具競爭力，是現(xiàn)今國際上最先進(jìn)的核電堆型之一。臺山核電站采用RCC—M 2007規(guī)范設(shè)計建造，技術(shù)要求高，制造難度大。蒸汽發(fā)生器是反應(yīng)堆最關(guān)鍵部件之一，在核電站運(yùn)行過程中，一方面是反應(yīng)堆內(nèi)載熱劑的熱量傳遞到二回路，使水成為飽和蒸汽，從而推動汽輪機(jī)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。三代核電蒸汽發(fā)生器零部件多、材料種類多、焊接工藝評定多，除了一些成熟的工藝以外，產(chǎn)品焊接采用了多項新技術(shù)。

2.蒸汽發(fā)生器主要結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)

三代核電蒸汽發(fā)生器總長度23 260mm，上部筒體直徑為5 170mm，下部筒體直徑為3 800mm，總重量達(dá)488t。主要包括下封頭、管板、下部筒體組件、過渡錐筒體、套筒組件、管束組件、上封頭、上部筒體組件及汽水分離器等部件。結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)

蒸汽發(fā)生器是核電站核島的核心設(shè)備，三代蒸汽發(fā)生器的型號為79/19 TE型。下封頭與管板相連組成水室，管板另一側(cè)與二次側(cè)殼體相連。由于一次側(cè)的載熱劑具有放射性，為了保證一次側(cè)水中具有較高的耐腐蝕穩(wěn)定性，管板一次側(cè)表面需堆焊Inconel 690鎳基合金，下封頭內(nèi)表面需堆焊不銹鋼。接管與下封頭一起整體鍛造成形，每個接管都裝焊有經(jīng)鍛制而成的奧氏體不銹鋼安全端。管板上鉆有11 980個管孔。內(nèi)套筒上部裝有汽水分離器和干燥器。三代蒸汽發(fā)生器主要設(shè)計參數(shù)如表1所示，主要材料如表2所示。

3.RCC—M規(guī)范（2007版）焊接篇特點(diǎn)

RCC—M是法國核島設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則委員會制定的核電設(shè)備制造規(guī)范。在焊接篇中，相比較2002版具有以下特點(diǎn)：

（1）2007版在焊材化學(xué)成分驗(yàn)收結(jié)果中S、P含量要求提高，對雜質(zhì)元素限制更嚴(yán)格，這樣有利于保證沖擊性能和綜合力學(xué)性能。

（2）2007版新增了對于手工焊、半自動焊和自動焊的定義，內(nèi)容更充實(shí)。

表1 蒸汽發(fā)生器設(shè)計參數(shù)

表2 蒸汽發(fā)生器主要材料

（3）2007版在焊接工藝評定中新增了對于熱輸入量的要求。

（4）2007版有了更寬泛的適用范圍，S3000篇焊接工藝評定覆蓋范圍被放大。

4.主要材料

（1）主體材料 蒸汽發(fā)生器屬于核安全一級設(shè)備，RCC—M規(guī)范等級為一級，運(yùn)行工況十分惡劣，對材料的要求非常高。主體部分主要由下封頭、管板、高筒體、中筒體、下筒體、過渡錐筒體、上封頭、上筒體及接管筒體組成，采用20MND5錳鎳鉬低合金高強(qiáng)鋼鍛件。一次側(cè)接管安全端材料為2CND18—12（控氮）奧氏體不銹鋼，U形傳熱管材料為NC30Fe。這幾種材料的化學(xué)成分要求值如表3所示。

（2）焊接材料 焊接材料的確定是確保蒸汽發(fā)生器制造質(zhì)量的重要前提。根據(jù)設(shè)計要求和母材類別，確定了此次三代核電蒸汽發(fā)生器所用的焊接材料，主要涉及到四大類：低合金鋼、不銹鋼、鎳基合金和碳鋼。具體型號如表4所示。

5.關(guān)鍵接頭的焊接新技術(shù)

設(shè)備制造過程中，在焊前和堆焊前，20MND5材料需進(jìn)行預(yù)熱，溫度≥175℃。焊接時，低合金鋼層間溫度≤250℃，鎳基合金≤225℃。焊后需立即進(jìn)行后熱處理，溫度為250～400℃，最短時間為4h。焊后消應(yīng)力熱處理保溫溫度為595～620℃，最大保溫時間為20h，350℃以上，升溫速率≤55℃/h，冷卻速度≤55℃/h，降到350℃以下空冷。

在三代蒸汽發(fā)生器制造中，采用了以下新技術(shù)：管板鎳基合金雙熱絲鎢極氬弧焊堆焊、下封頭進(jìn)出口接管安全端無隔離層鎳基合金自動TIG對接技術(shù)、主環(huán)縫窄間隙埋弧焊技術(shù)以及管子管板焊接技術(shù)。

（1）管板鎳基合金雙熱絲鎢極氬弧焊堆焊 蒸汽發(fā)生器管板長期接觸帶有放射性的介質(zhì)，按設(shè)備規(guī)格書要求管板平面和圓弧區(qū)域需堆焊Inconel 690鎳基合金，直段區(qū)域需堆焊不銹鋼。管板平面堆焊層厚度至少8mm，直段和圓弧區(qū)域厚度至少為5mm。

管板平面區(qū)域首次采用雙熱絲鎢極氬弧堆焊，相比其他焊接方法，鎢極氬弧焊的堆焊層屬于高純度焊縫，有利于提高管子管板焊縫質(zhì)量，使焊縫產(chǎn)生缺陷的概率降低。所使用的焊材為ERNiCrFe—7、規(guī)格為φ1.2mm焊絲，共堆焊4層，堆焊參數(shù)如表5所示。直段區(qū)域首次采用帶極埋弧堆焊，焊材為EQ309L/EQ308L不銹鋼焊帶。圓弧區(qū)域采用EniCrFe—7焊條堆焊。焊接設(shè)備采用SAF公司生產(chǎn)的自動鎢極氬弧焊機(jī)。

表3 幾種主體材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%)

表4 主要焊接材料類型

由于鎳基合金對熱裂紋影響比較敏感，因此，清潔干凈的焊接區(qū)域是保證堆焊層質(zhì)量的重要前提。堆焊時，嚴(yán)格控制外來污物，以限制S、P等雜質(zhì)元素進(jìn)入堆焊層。堆焊后進(jìn)行100%液體滲透和超聲波檢測。管板堆焊層后熱處理和表面打磨后，在產(chǎn)品堆焊層距表面2mm深度范圍內(nèi)取試樣進(jìn)行化學(xué)分析檢測。管板堆焊層如圖2所示，產(chǎn)品制造如圖3所示。

（2）下封頭進(jìn)出口接管安全端無隔離層鎳基合金自動TIG對接技術(shù) 蒸汽發(fā)生器接管安全端異種金屬焊接接頭是一種特殊的焊接結(jié)構(gòu)。為了減少焊接材料的填充量，此次安全端焊接接頭首次采用無隔離層堆焊，由20MND5低合金高強(qiáng)鋼直接與Z2CND18—12奧氏體不銹鋼焊接在一起，焊接材料采用膨脹系數(shù)介于奧氏體不銹鋼與低合金鋼之間的Inconel 690類鎳基合金焊接材料。接管安全端焊接坡口形式如圖4所示。焊接設(shè)備采用LIBURDI公司生產(chǎn)的自動鎢極氬弧焊機(jī)。

安全端異種鋼焊接的難點(diǎn)主要在于鎳基合金是一種焊接性較差的金屬材料。這種金屬材料的純度要求很高，稍有雜質(zhì)元素存在，就極易產(chǎn)生微裂紋。根據(jù)安全端焊接的這些特點(diǎn)，我們采用氣體保護(hù)的自動TIG焊接方法。焊材為ERNiCrFe—7氬弧焊絲，預(yù)熱160℃，焊后進(jìn)行后熱處理，最高層間溫度≤225℃，對接后進(jìn)行整體消應(yīng)力熱處理, 具體焊接參數(shù)如表6所示。熱處理后進(jìn)行100%液體滲透檢測、超聲波檢測和射線檢測，結(jié)果均合格，無任何缺陷顯示。

（3）主環(huán)縫窄間隙埋弧焊技術(shù) 三代蒸汽發(fā)生器殼體材料為Mn-Ni-Mo低合金高強(qiáng)鋼，最大厚度為131mm。對于主環(huán)縫，由于壁厚尺寸大、焊接工作量大，為了減少焊接材料的填充量，采用窄間隙埋弧焊方法。與普通坡口的埋弧焊相比，窄間隙焊坡口窄、焊縫金屬填充量少，可以節(jié)省大量的焊材和工時；同時由于窄間隙焊接時熱輸入量相對較低，使焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織晶粒明顯細(xì)化，從而提高其力學(xué)性能，特別是塑性和韌性。在每層兩道的窄間隙埋弧焊焊接中，為了保證坡口側(cè)壁的良好熔合而不出現(xiàn)夾渣等焊接缺陷，在每一個焊道焊接時，焊絲端頭必須偏向各自接近的坡口側(cè)壁，坡口形式如圖5所示，焊接參數(shù)如表7所示。

焊接材料采用EF3類低合金鋼埋弧焊絲和焊劑。焊接設(shè)備采用ESAB公司生產(chǎn)的埋弧焊機(jī)。焊后和熱處理后對焊縫進(jìn)行100%磁粉、超聲波和射線檢測。產(chǎn)品主環(huán)縫焊接見證件設(shè)置在高筒體與錐筒體上。在完成焊接后，見證件分成兩部分：一部分與產(chǎn)品進(jìn)行同爐熱處理；另一部分不進(jìn)行熱處理，用于分析見證件性能偏差的原因。

表5 管板平面堆焊參數(shù)

圖2 管板堆焊層

圖3 管板堆焊

圖4 安全端焊接坡口

表6 安全端產(chǎn)品焊接參數(shù)

（4）管子管板焊接技術(shù) 蒸汽發(fā)生器管板材料為20MND5低合金鋼鍛件，總厚度622mm，一次側(cè)表面鎳基合金堆焊層至少為8mm。管板上鉆有三角形排列的管孔，管子規(guī)格為φ19.05mm×1.09mm，材料為NC 30Fe。焊接設(shè)備采用POLYSOUDE公司生產(chǎn)的焊機(jī)。焊接坡口形式如圖6所示，焊接參數(shù)如表8所示。

管子管板焊接的難點(diǎn)在于：管子壁厚很薄，如果熱輸入控制不當(dāng)將使管子變形超標(biāo)；根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，焊接位置為全位置；焊接接頭為焊接性較差的鎳基合金。

為此，蒸汽發(fā)生器管子管板連接形式采用脹接加焊接。制造工藝是先定位脹，然后進(jìn)行管子管板焊接。焊接采用不填絲全自動脈沖氬弧焊一圈，焊接過程中嚴(yán)格控制清潔度。焊接參數(shù)控制包括：起弧位置、焊接脈沖頻率、焊接速度、熄弧電流、氣體純度及氣體流量等。產(chǎn)品焊接后對焊縫進(jìn)行目視檢查、尺寸檢查、100%液體滲透檢查、氦檢漏檢查和6%射線檢查，結(jié)果均滿足技術(shù)條件要求。

產(chǎn)品管子管板焊接見證件要求：每個焊工和焊接操作工在每次焊接產(chǎn)品焊縫前，需焊接一個見證件，檢測合格后才能進(jìn)行產(chǎn)品焊接。每個焊接操作人員焊完100根管子之后設(shè)1個見證件，每次輪班的時候在檢查員的監(jiān)督下焊一個見證件。產(chǎn)品焊縫需進(jìn)行補(bǔ)焊時，應(yīng)對補(bǔ)焊工藝焊1個見證件接頭。產(chǎn)品見證件焊縫考核要求包括宏觀金相和微觀金相。

表7 主環(huán)縫焊接參數(shù)

圖5 主環(huán)縫坡口示意

圖6 管子管板焊接坡口示意

6.結(jié)語

（1）通過蒸汽發(fā)生器的制造，我國基本掌握了三代核島主設(shè)備蒸汽發(fā)生器的整體制造技術(shù)，形成了一套滿足RCC—M 2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的焊接工藝和文件體系。

（2）三代蒸汽發(fā)生器多項創(chuàng)新焊接技術(shù)的成功運(yùn)用為批量化生產(chǎn)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時也提高了質(zhì)量和生產(chǎn)效率，大大降低了生產(chǎn)成本。

表8 管子管板產(chǎn)品焊接參數(shù)