楊巨文， 李雙燕， 徐　超， 張茂龍， 唐建文

(上海電氣核電設(shè)備有限公司， 上海 201306)

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核電技術(shù)

AP1000蒸汽發(fā)生器制造中的焊接與焊后熱處理

楊巨文， 李雙燕， 徐超， 張茂龍， 唐建文

(上海電氣核電設(shè)備有限公司， 上海 201306)

摘要：為保證三代AP1000核電蒸汽發(fā)生器的制造質(zhì)量，分析了蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點，確定了采用的焊接填充材料和焊接工藝方法，在設(shè)備制造過程中采用了多項焊接和焊后熱處理新技術(shù)。結(jié)果表明：焊接和焊后熱處理新技術(shù)的應(yīng)用以及產(chǎn)品的成功制造，為后續(xù)三代AP1000項目和CAP1400項目的順利實施有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：AP1000； 核電設(shè)備； 蒸汽發(fā)生器； 焊接； 焊后熱處理； ASME

目前我國在建的海陽、三門等核電站均采用三代AP1000核電技術(shù)，簡化的兩回路設(shè)計，60年設(shè)計壽期。蒸汽發(fā)生器采用ASME 1998版+2000補(bǔ)遺規(guī)范制造，技術(shù)要求高，制造難度大，產(chǎn)品帶泵殼總長度24.2 m，最大直徑為5 576 mm，筒體最大厚度為121 mm，管板與水室封頭環(huán)縫最大厚度達(dá)254 mm，關(guān)鍵主體材料和焊接材料均向國外采購。與二代加CPR1000核電項目相比，三代AP1000蒸汽發(fā)生器對焊接與焊后熱處理方面提出了多項特殊要求共約60項，如焊接材料、焊接方法、焊接工藝評定、預(yù)熱、后熱、臨時性附件、焊接順序、焊后熱處理等要求。為保證蒸汽發(fā)生器的制造質(zhì)量，在整個制造過程中上海電氣核電設(shè)備有限公司采用了多項焊接和焊后熱處理創(chuàng)新技術(shù)。

1焊接相關(guān)材料

1.1 焊接填充材料

焊接材料的選擇是焊縫質(zhì)量優(yōu)劣的重要前提，根據(jù)蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點、主體材料類別、設(shè)計要求進(jìn)行確定焊接材料類型。產(chǎn)品用焊接材料涉及到4大類，包括碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和鎳基合金。堆焊用不銹鋼和鎳基合金焊帶焊劑對其堆焊層熔敷金屬均要求考核焊態(tài)和熱處理態(tài)力學(xué)性能，且不銹鋼309L材料還需考核熱處理態(tài)力學(xué)性能。多數(shù)焊接材料焊后熱處理模擬保溫時間均達(dá)到48 h，且對于G類焊接材料在進(jìn)行焊接工藝評定時，制造商和牌號作為附加重要參數(shù)進(jìn)行考核。AP1000蒸汽發(fā)生器用焊接材料涉及17種，其種類、型號見表1。

表1　焊接材料種類、型號

1.2 焊接檔案材料

與二代加CPR1000核電項目相比，三代AP1000蒸汽發(fā)生器在制造過程中對每個機(jī)組設(shè)置了一套焊接檔案材料，分別代表管板與水室封頭焊縫、一次側(cè)進(jìn)口管嘴與安全端焊縫、過渡錐體與上筒體焊縫、管板與下筒體焊縫、上筒體與上封頭焊縫、主給水接管與上筒體焊縫、水室封頭出口管嘴與泵殼吸入管嘴焊縫等7個部位的焊縫。焊接檔案材料采用與產(chǎn)品相同的焊接材料、相同的焊接工藝，并由代表產(chǎn)品焊縫的焊工施焊，焊接后與所代表的產(chǎn)品經(jīng)受相同的焊后熱處理。

2焊接方法

AP1000蒸汽發(fā)生器制造過程中，根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)制造裝備、工藝技術(shù)水平和工程制造經(jīng)驗來確定焊接工藝方法。制造中采用了包括手工電弧焊、窄間隙絲極埋弧自動焊、帶極埋弧自動焊、手工鎢極氣體保護(hù)焊、自動冷絲鎢極氣體保護(hù)焊、自動熱絲鎢極氣體保護(hù)焊等多種焊接工藝方法，用于產(chǎn)品接頭的角接焊、對接焊、密封焊、堆焊和補(bǔ)焊。

產(chǎn)品制造中，窄間隙絲極埋弧自動焊由于其線能量比較低，可使焊縫晶粒細(xì)化，熱影響區(qū)減小，焊接接頭綜合性能提高，主要用于殼體焊縫焊接；自動熱絲鎢極氣體保護(hù)焊由于其熔合比小(稀釋率低)、焊縫金屬雜質(zhì)含量少，焊接質(zhì)量穩(wěn)定效率高，主要用于水室封頭接管隔離層堆焊以及上封頭鎳基合金堆焊；自動冷絲鎢極氣體保護(hù)焊由于其由于其焊縫金屬雜質(zhì)含量少，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，主要用于水室封頭接管安全端對接焊；帶極埋弧自動焊由于其焊接效率高、母材稀釋率低，主要用于管板和水室封頭大面積耐蝕層堆焊。同時，手工電弧焊、埋弧焊不用于全焊透焊縫的根部焊道的焊接，除非進(jìn)行雙面焊接且焊縫根部在清除后進(jìn)行磁粉檢查或液體滲透檢查。部件焊后熱處理后不使用回火焊道法進(jìn)行補(bǔ)焊。

3產(chǎn)品焊接工藝

AP1000蒸汽發(fā)生器焊接制造前對不同接頭所用不同焊接方法的焊接工藝進(jìn)行了焊接工藝評定和試驗，其中對管板和水室封頭上大面積堆焊使用的高熱輸入量的帶極埋弧堆焊工藝，在產(chǎn)品堆焊前進(jìn)行堆焊層重疊區(qū)域下的低合金鋼熱影響區(qū)評估試驗。與水室隔板短筋焊接的管板堆焊層和與水室隔板焊接的水室封頭不銹鋼堆焊層，在產(chǎn)品堆焊前，均作為結(jié)構(gòu)性堆焊層按對接接頭進(jìn)行焊接工藝評定試驗和考核。

AP1000蒸汽發(fā)生器焊接制造過程中，除采用主環(huán)縫自動埋弧焊接等成熟的焊接工藝外，還采用了多項新技術(shù)。這些技術(shù)在海陽項目蒸汽發(fā)生器的制造過程中得到成功應(yīng)用。

3.1 主環(huán)縫的焊接

環(huán)縫焊接主要采用窄間隙(單邊1°，r=11 mm)、單絲(d=4.0 mm)直流電源埋弧自動焊，焊接位置平焊，坡口采用UV形窄間隙坡口。焊接時先進(jìn)行環(huán)縫內(nèi)壁手工電弧焊，外壁清根后再埋弧自動焊，整個焊接過程中均保持預(yù)熱，包括清根階段。焊接材料采用d=3.2 mm、d=4.0 mm和d=5.0 mm的E9018-G焊條與d=4.0 mm的EM2-M2埋弧焊絲/焊劑。焊前預(yù)熱，焊后去氫處理，焊后和熱處理后對焊縫進(jìn)行無損檢測，檢測結(jié)果合格。

3.2 管板堆焊與管子-管板密封焊

AP1000蒸汽發(fā)生器管板材料為錳-鎳-鉬低合金鋼，一回路側(cè)堆焊Inconel 690鎳基合金和不銹鋼材料。大面積堆焊的鎳基合金材料熱裂紋敏感性高、堆焊金屬潤濕性差[1]， 在管板堆焊后進(jìn)行的液體滲透檢測和超聲檢測過程中容易出現(xiàn)一些不超標(biāo)缺陷或不易發(fā)現(xiàn)的一些微小夾渣缺陷，管子-管板密封接頭的焊接對管口附近的堆焊層表面質(zhì)量非常敏感，這些微小缺陷在管子-管板密封接頭焊接過程中被翻卷出來，在接頭表面產(chǎn)生焊瘤或氣孔，部分存在于焊縫中形成缺陷[2]，從而引起管子-管板密封焊縫的質(zhì)量問題，造成焊后返修。堆焊質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響到管子與管板間焊縫的綜合性能。

3.2.1 管板鎳基合金堆焊

管板平面區(qū)域采用帶極埋弧堆焊技術(shù)，焊帶采用60 mm寬度的EQNiCrFe-7A類型。首先從外向內(nèi)環(huán)向進(jìn)行帶極堆焊，然后焊帶不能堆焊的中心部位采用手工電弧焊條堆焊。管板堆焊前預(yù)熱，堆焊兩層焊帶合并后熱去氫處理，進(jìn)爐中間熱處理，出爐后再繼續(xù)堆焊第三層。堆焊后進(jìn)行100%液體滲透和100%超聲波檢查。產(chǎn)品堆焊情況見圖1。所有堆焊層施焊時進(jìn)行清理和打磨，嚴(yán)格控制清潔度。

3.2.2 管子-管板密封焊

管板厚度較大，與其焊接的 10 025根Inconel 690 U形傳熱管較小且壁厚較薄，規(guī)格為d=17.48 mm，δ=1.01 mm。U形傳熱管與管板密封時，傳熱管端面與管板鎳基合金堆焊層表面平齊，焊接接頭見圖2。管子管板焊接的難度很大，管子壁厚很薄，全位置焊接時線能量控制不當(dāng)會使管子焊穿或產(chǎn)生超標(biāo)缺陷[3]。

管子-管板密封焊接的主要工藝難點是根部缺陷的控制和焊縫成形的控制，密封焊接時選擇不填絲全位置脈沖自動TIG焊方式，其優(yōu)點是可進(jìn)行不同位置分區(qū)控制焊接參數(shù)，保證接頭外形尺寸一致，熔深均勻，可實現(xiàn)焊接接頭質(zhì)量控制，同時提高焊接效率。焊接保護(hù)氣體采用氦氬混合氣體。接頭密封焊時，每一焊道焊完后立即用較細(xì)不銹鋼絲刷刷除焊縫表面黑色氧化物，并用布輪拋磨或干凈的白色面布清理，焊接前需嚴(yán)格控制清潔度，焊接過程中嚴(yán)格控制焊接參數(shù)。焊接后對接頭進(jìn)行目視檢查和尺寸檢查，在進(jìn)行氦檢漏檢查后再進(jìn)行100%液體滲透檢查，檢測結(jié)果合格。

3.3 水室封頭堆焊與接管安全端焊接

3.3.1 水室封頭內(nèi)壁堆焊

水室封頭內(nèi)壁所有堆焊層焊前預(yù)熱，堆焊至少5 mm后進(jìn)行去氫處理，后續(xù)堆焊預(yù)熱溫度降低至室溫。堆焊后和熱處理后均進(jìn)行100%液體滲透和100%超聲波檢測。

水室封頭大面積不銹鋼堆焊采用60 mm寬帶極埋弧堆焊技術(shù)，進(jìn)、出口管嘴內(nèi)壁不銹鋼堆焊采用30 mm寬帶極埋弧堆焊技術(shù)，焊帶均為0.5 mm厚EQ309L/EQ308L類型。PRHR接管內(nèi)壁不銹鋼堆焊直段采用自動氬弧堆焊技術(shù)，采用氬弧焊絲ER309L/ER308L堆焊，斜段采用手工焊條E309L/E308L堆焊。CVS接管對接處水室封頭內(nèi)孔堆焊采用鎳基合金自動脈沖GTAW橫堆焊，焊接材料為ERNiCrFe-7A類型。

3.3.2 水室封頭進(jìn)口接管安全端焊接

水室封頭進(jìn)口接管安全端焊縫結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，首先在低合金鋼接管側(cè)采用熱絲自動TIG堆焊鎳基合金隔離層，然后再與安全端接管進(jìn)行冷絲自動氬弧對接焊(見圖3)。母材分別為低合金鋼SA508Gr.3Cl.2和不銹鋼SA336 F316LN，對接焊縫金屬為鎳基合金Inconel 690。

隔離層采用d=1.2 mm的ERNiCrFe-7A類型焊絲進(jìn)行堆焊。由于隔離層堆焊厚度較厚，同時堆焊的鎳基合金流動性較差，易產(chǎn)生未熔合、夾雜等缺陷，在堆焊過程中必須控制焊道間搭邊量，每道每層進(jìn)行打磨清理。為保證堆焊層質(zhì)量，接管周圍及接管內(nèi)壁采取防風(fēng)措施，防止氣體對流，并且堆焊過程中多次進(jìn)行100%液體滲透和100%超聲波檢查。

對接接頭采用單面U形坡口形式和d=0.9 mm的ERNiCrFe-7A類型焊絲，采用專用焊接設(shè)備進(jìn)行工件旋轉(zhuǎn)條件下的自動水平焊接。由于鎳基合金高溫下流動性較差且易被氧化而產(chǎn)生低熔點的氧化物雜質(zhì)，在焊接過程中極易產(chǎn)生側(cè)壁未熔合、微裂紋以及夾渣等缺陷，因此在焊接過程中注意焊道之間的搭邊量，每一焊道表面清理，每一層焊后進(jìn)行打磨并清除氧化膜等雜物。為保證對接接頭焊縫質(zhì)量，焊接一半厚度時和全部焊完后均進(jìn)行100%液體滲透、100%超聲波和100%射線檢查，檢測結(jié)果合格。對接過程中保護(hù)罩充分遮蓋進(jìn)行氣體保護(hù)，且采取防風(fēng)措施進(jìn)行密閉空間施焊。

4產(chǎn)品熱處理工藝

4.1 預(yù)熱、后熱、層間溫度控制

蒸汽發(fā)生器本體材料為SA508 Gr.3 Cl.2鍛件，屬于Mn-Ni-Mo系高強(qiáng)度低合金鋼，焊前必須預(yù)熱。最低預(yù)熱溫度為121 ℃，且預(yù)熱溫度保持至整個接頭焊接完成。若焊完之前需中止焊接和預(yù)熱，焊縫至少焊完25 mm厚或焊縫厚度的25%中的較小值，同時后熱溫度為204 ℃，保持至少2 h。SA508 Gr.3 Cl.2材料上耐腐蝕堆焊及隔離層堆焊時，最低預(yù)熱溫度為121 ℃，熔敷厚度達(dá)到至少4.8 mm且進(jìn)行了去氫處理，后續(xù)堆焊預(yù)熱溫度降低至室溫。對于預(yù)熱無任何規(guī)定的材料，最低預(yù)熱溫度至少10 ℃。

SA508 Gr.3 Cl.2材料的焊接或堆焊后進(jìn)行后熱消氫處理，后熱溫度為232～315 ℃，保持4 h，之后溫度降低至室溫。使用超低氫焊接材料時，后熱最低溫度降低至204 ℃。

碳鋼、低合金鋼材料間的焊接最大層間溫度為250 ℃，不銹鋼和鎳基合金母材金屬的焊縫最大層間溫度為177 ℃。

4.2 焊后熱處理

焊后熱處理分為局部熱處理和整體熱處理，整個蒸汽發(fā)生器制造過程中，除了最終兩條環(huán)縫，即上筒體與錐筒體環(huán)縫、水室封頭與管板環(huán)縫進(jìn)行局部熱處理外，其余所有焊縫均進(jìn)爐熱處理。熱處理后均記錄每次熱處理的最短保溫時間和最長保守累積時間。設(shè)備制造過程中按ASME NB4000規(guī)定，在595～620 ℃對承壓焊縫進(jìn)行焊后熱處理，350 ℃以上加熱速度≤55 K/h，冷卻速度≤55 K/h，降到350 ℃以下冷卻，加熱方式為爐內(nèi)加熱或電紅外加熱。水室封頭碗面大面積堆焊后為了保證堆焊層質(zhì)量，最短累積熱處理保溫時間至少12 h。

4.2.1 管板與水室封頭環(huán)縫局部熱處理

蒸汽發(fā)生器在管束組件裝入殼體工序完成后與水室封頭焊接，因此水室封頭與管板環(huán)縫焊后熱處理只能采取局部熱處理方式。局部熱處理既要達(dá)到有效消除水室封頭與管板間焊縫的焊接殘余應(yīng)力，又不能由于過高的熱處理溫度作用而造成靠近焊縫的管子管板脹接區(qū)的脹接力松馳，以及管子管板焊縫的機(jī)械性能損害。

根據(jù)工程經(jīng)驗，對環(huán)縫區(qū)域，管板一、二次側(cè)表面區(qū)域通過熱電偶進(jìn)行溫度控制，對進(jìn)口管嘴安全端焊縫區(qū)域、出口管嘴隔離層區(qū)域、PRHR管嘴安全端焊縫區(qū)域、管板附近手孔等區(qū)域的溫度通過熱電偶進(jìn)行溫度監(jiān)測。熱處理電加熱板和保溫棉采用整套裝置，便與安裝與拆除。

4.2.2 環(huán)縫熱處理過程中傳熱管壓痕防止技術(shù)

管板與水室封頭環(huán)縫局部熱處理時，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)下部內(nèi)件已安裝完成，焊后熱處理會使得各個部件發(fā)生熱膨脹，部件間熱膨脹不均勻會導(dǎo)致管子支撐板變形，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時，使得傳熱管產(chǎn)生壓痕。為了防止此類現(xiàn)象的發(fā)生，在熱處理前進(jìn)行了大量試驗以及熱處理數(shù)值模擬計算，研究局部熱處理時的溫度場情況、過程中各部件的熱膨脹和變形情況、空氣導(dǎo)流情況等。在熱處理過程中采用加熱和冷卻裝置對二次側(cè)內(nèi)腔空氣溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得各個部件變形趨于同步，從而有效避免管子支撐板彎曲，防止傳熱管產(chǎn)生壓痕。同時，通過布置在頂部支撐板上的角度測量設(shè)備進(jìn)行變形監(jiān)控，通過傳熱管內(nèi)不同距離處的熱電偶進(jìn)行溫度監(jiān)控。熱處理溫度降至室溫以后，通過對蒸汽發(fā)生器外圈U形管進(jìn)行內(nèi)部渦流檢測，以驗證傳熱管是否產(chǎn)生壓痕現(xiàn)象。

5結(jié)語

為保證核電蒸汽發(fā)生器的設(shè)備質(zhì)量，需要不斷進(jìn)行工藝改進(jìn)，用以提高設(shè)備制造中的焊接質(zhì)量和效率，降低成本，并提高技術(shù)先進(jìn)性。

通過自主制造，我國基本掌握了三代AP1000蒸汽發(fā)生器制造中的整個焊接與焊后熱處理技術(shù)，為其批量化生產(chǎn)積累了豐富經(jīng)驗，也為CAP1400項目的順利實施打下了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會. 焊接手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2] 李雙燕. 1 000 MW級壓水堆核島主設(shè)備蒸氣發(fā)生器管板堆焊技術(shù)[J]. 焊接，2011(10)：36-41.

[3] 李雙燕. 百萬千瓦級壓水堆核電站核島主設(shè)備蒸汽發(fā)生器焊接技術(shù)[J]. 壓力容器，2011，28(2)：38-43.

Welding and Postweld Heat Treatment of AP1000 Steam Generators

Yang Juwen, Li Shuangyan, Xu Chao, Zhang Maolong, Tang Jianwen

(Shanghai Electric Nuclear Power Equipment Co., Ltd., Shanghai 201306, China)

Abstract：To ensure the manufacturing quality of the third generation nuclear steam generator, many new technologies of welding and postweld heat treatment are developed by analyzing the structural features of the steam generator, including determination of welding filler materials and welding processes for the manufacturing process. Results show that the successful application of above new technologies in the manufacture of the third nuclear steam generator has laid a solid foundation for the subsequent AP1000 third generation and CAP1400 projects.

Keywords：AP1000; nuclear power equipment; steam generator; welding; postweld heat treatment; ASME

中圖分類號：TM 623.91； TL 353.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)02-0095-04

作者簡介：楊巨文(1983—)，男，工程師，主要從事核電設(shè)備和化工壓力容器焊接與熱處理技術(shù)工作。E-mail: yangjw@shanghai-electric.com

收稿日期：2015-07-03