□李雙燕 □徐 超

上海電氣核電設(shè)備有限公司 上海 201306

1 研究背景

目前，我國(guó)在建的海陽(yáng)核電站2號(hào)機(jī)組和三門(mén)核電站2號(hào)機(jī)組均采用最新的三代非能動(dòng)技術(shù)，簡(jiǎn)化的兩回路設(shè)計(jì)和60年設(shè)計(jì)壽命使三代非能動(dòng)蒸汽發(fā)生器尺寸更大，質(zhì)量更重，材料要求更高，設(shè)計(jì)和制造更復(fù)雜，堪稱(chēng)當(dāng)代熱交換器技術(shù)的最高水平。蒸汽發(fā)生器采用《鍋爐及壓力容器規(guī)范》ASME 1998版與2000補(bǔ)遺版制造，產(chǎn)品帶泵殼總長(zhǎng)度24.2 m，最大直徑5 576 mm，筒體最大厚度121 mm，管板與水室封頭環(huán)縫最大厚度達(dá)254 mm。三代非能動(dòng)蒸汽發(fā)生器在焊接與焊后熱處理方面相比二代加CPR1000核電項(xiàng)目有更多的技術(shù)要求，接近60項(xiàng)，主要包括焊接材料、焊接方法、焊接工藝評(píng)定、預(yù)熱、后熱、臨時(shí)性附件、焊接順序、焊后熱處理等。為保證產(chǎn)品的制造質(zhì)量，在生產(chǎn)過(guò)程中采用了多項(xiàng)焊接和焊后熱處理技術(shù)，并且通過(guò)合理安排制造工序、焊接工位、焊接順序、熱處理次數(shù)、探傷次數(shù)等來(lái)保證焊縫質(zhì)量。

2 焊接質(zhì)量控制

三代非能動(dòng)蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接接頭較多，包括低合金鋼對(duì)接縫的焊接、低合金鋼上不銹鋼耐蝕層和隔離層的堆焊、低合金鋼上鎳基合金耐蝕層和隔離層的堆焊、水室隔板與管板的焊接、水室隔板與水室封頭的焊接、管板的密封焊接、水室封頭出口接管與泵殼的焊接等。為保證這些接頭的焊接質(zhì)量，制造過(guò)程中需要合理安排制造工序，合理布置焊接工位，以及合理安排探傷次數(shù)和時(shí)機(jī)等。

2.1 上部殼體接管焊接

三代非能動(dòng)蒸汽發(fā)生器上部殼體上分布多個(gè)部件，在離筒體端部592 mm水平面上分布著兩個(gè)支撐座、一個(gè)主給水接管和一個(gè)啟動(dòng)給水接管。這四個(gè)部件均距離筒體端部較近，其中主給水接管距離端部最近處只有79 mm。這四個(gè)部件與上部殼體的焊接均采用雙面埋弧自動(dòng)焊，焊接位置為水平焊，采用雙面U形坡口。焊接時(shí)先進(jìn)行一側(cè)自動(dòng)對(duì)接焊，另一側(cè)清根后再進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊，焊前進(jìn)行預(yù)熱，全部焊完后去氫處理。主給水接管的焊接如圖1所示。

圖1 主給水接管焊接

四個(gè)部件距離筒體端部較近，焊接四個(gè)部件會(huì)引起較大的焊接變形，將會(huì)影響上部殼體的圓度，進(jìn)而影響干燥器和汽水分離器的裝配，以及后續(xù)筒體與錐體環(huán)縫的裝焊。為了保證接頭的焊接質(zhì)量，合理安排四個(gè)部件的開(kāi)孔順序、焊接順序，并增加熱處理次數(shù)，進(jìn)而控制焊接變形。采取的開(kāi)孔措施為在筒體端部適當(dāng)位置裝妥星形支撐[1]，開(kāi)孔時(shí)兩兩對(duì)稱(chēng)開(kāi)孔，以減小筒體的變形。采取的焊接順序?yàn)橄群附铀膫€(gè)部件的外壁焊縫，然后立即進(jìn)行中間熱處理，消除焊接應(yīng)力，再焊接四個(gè)部件的內(nèi)壁焊縫，使圓度得到明顯改善，進(jìn)而使焊接變形得到有效控制。

2.2 水室封頭出口接管隔離層堆焊

三代非能動(dòng)蒸汽發(fā)生器水室封頭出口接管隔離層需堆焊Inconel 690鎳基合金，堆焊厚度至少為38.1 mm。由于堆焊層厚度較大，鎳基合金材料熱裂紋敏感性高，堆焊金屬潤(rùn)濕性和流動(dòng)性差[2]，易產(chǎn)生未熔合、夾雜等缺陷，因此堆焊難度較大。

堆焊過(guò)程中通過(guò)控制焊接參數(shù)、增加焊接保護(hù)與探傷次數(shù)來(lái)提高堆焊層質(zhì)量。接管隔離層堆焊應(yīng)用熱絲自動(dòng)鎢極氬弧堆焊技術(shù)，采用φ1.2 mm的ERNiCrFe-7A焊絲進(jìn)行堆焊，在堆焊過(guò)程中控制焊道間搭邊量，使焊道間搭邊量至少為焊道寬度的1/2，每道每層進(jìn)行打磨清理。接管隔離層的堆焊如圖2所示。為更好地保證堆焊層質(zhì)量，接管周?chē)O(shè)置擋風(fēng)布，接管外壁和內(nèi)壁均使用氣體保護(hù)工裝，堆焊時(shí)嚴(yán)禁使用風(fēng)扇、氣管等，防止氣體對(duì)流，減小堆焊層產(chǎn)生缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。此外，堆焊過(guò)程中堆焊至不同厚度時(shí)需要進(jìn)行100%超聲波檢查，以控制堆焊層的質(zhì)量[3-4]。

圖2 接管隔離層堆焊

2.3 水室隔板焊接

對(duì)于水室隔板與管板，以及水室隔板與水室封頭的焊接，三代非能動(dòng)蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)要求中并未給出。為了后續(xù)能更好地進(jìn)行射線檢測(cè)，制造過(guò)程中在水室隔板兩側(cè)各留出一個(gè)缺口。在最終水室封頭環(huán)縫與水室隔板連接時(shí)，采用一塊與缺口適配的補(bǔ)板來(lái)填補(bǔ)水室隔板與環(huán)縫內(nèi)壁堆焊層之間的間隙，將兩者焊接即可。補(bǔ)板的結(jié)構(gòu)如圖3所示。補(bǔ)板的焊接難度在于需要避免焊接后水室隔板與水室封頭環(huán)縫內(nèi)壁堆焊層出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。此外，通過(guò)合理安排焊接順序與探傷時(shí)機(jī)等來(lái)保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量。

在補(bǔ)板焊接前，加大堆焊層厚度，即在環(huán)縫內(nèi)壁不銹鋼堆焊層上補(bǔ)堆Inconel 690鎳基合金堆焊層，之后再焊接補(bǔ)板。補(bǔ)板采用與水室隔板相同的坡口形式和尺寸，雙面坡口對(duì)稱(chēng)交替焊接。合理布置補(bǔ)板周?chē)臈l焊縫的對(duì)接順序，以避免應(yīng)力集中于堆焊層側(cè)。焊接過(guò)程中進(jìn)行多次液體滲漏檢查。焊縫清根時(shí)，注意補(bǔ)板和堆焊接合面的清根方式，避免堆焊層厚度減小。全部焊接完成后，在環(huán)縫外壁對(duì)焊縫位置進(jìn)行超聲波檢查，以確保補(bǔ)板與堆焊層焊接區(qū)域無(wú)任何缺陷[5-6]。

圖3 補(bǔ)板結(jié)構(gòu)

2.4 水室封頭出口接管與泵殼焊接

三代非能動(dòng)蒸汽發(fā)生器水室封頭出口接管需要與泵殼連接，且兩者在水壓試驗(yàn)后進(jìn)行焊接，泵殼材料為鑄造不銹鋼。兩者連接如圖4所示，兩者之間的位置、直線度和角度尺寸有一定要求。技術(shù)難點(diǎn)在于兩者僅能在蒸汽發(fā)生器處于水平位置時(shí)進(jìn)行裝配和焊接，焊接空間受到一定限制。要滿足兩者的裝配要求，焊接過(guò)程中需控制焊接變形。兩者接頭厚度約140 mm，焊接的同時(shí)需考慮裝配要求，可見(jiàn)焊接難度較大。

圖4 水室封頭出口接管與泵殼連接示意圖

針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)合理安排焊接順序與設(shè)置激光監(jiān)測(cè)變形來(lái)控制焊接質(zhì)量。采用全位置焊接方式進(jìn)行對(duì)接焊，采用雙面非對(duì)稱(chēng)對(duì)接坡口，并采用自動(dòng)鎢極氬弧焊接方法進(jìn)行雙面交替焊接。焊接過(guò)程中設(shè)置激光全程監(jiān)測(cè)，跟蹤測(cè)量直線度和角度。根據(jù)變形情況調(diào)整焊接參數(shù)和焊接順序，進(jìn)而減小焊接變形，保證接管裝配質(zhì)量[7]。

3 熱處理質(zhì)量控制

3.1 焊后熱處理要求

焊后熱處理分為局部熱處理和整體熱處理兩部分，整個(gè)三代非能動(dòng)蒸汽發(fā)生器制造過(guò)程中，除了最終兩條環(huán)縫，即上筒體與錐筒體環(huán)縫、管板與水室封頭環(huán)縫進(jìn)行局部熱處理外，其余所有焊縫均進(jìn)爐進(jìn)行整體熱處理。熱處理后記錄每次熱處理的最短保溫時(shí)間和最長(zhǎng)保守累積時(shí)間。設(shè)備制造過(guò)程中按ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第III卷NB分卷規(guī)定，在595～620℃對(duì)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℃以下進(jìn)行冷卻，加熱方式為爐內(nèi)加熱或電紅外加熱[8]。

3.2 管板與水室封頭環(huán)縫焊后熱處理

三代非能動(dòng)蒸汽發(fā)生器在管束組件裝入殼體工序完成后進(jìn)行管板與水室封頭的焊接，因此管板與水室封頭環(huán)縫焊后的熱處理只能采取局部熱處理方式。局部熱處理既要有效消除管板與水室封頭間焊縫的焊接殘余應(yīng)力，又不能因?yàn)檫^(guò)高的熱處理溫度而造成靠近焊縫的管板脹接區(qū)脹接力松馳，以及管板焊縫的機(jī)械性能損害[9]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)環(huán)縫區(qū)域、管板一次側(cè)與二次側(cè)表面區(qū)域通過(guò)熱電偶進(jìn)行溫度控制，對(duì)進(jìn)口管嘴安全端焊縫區(qū)域、出口管嘴隔離層區(qū)域、非能動(dòng)余熱導(dǎo)出管嘴安全端焊縫區(qū)域、管板附近手孔區(qū)域等的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。熱處理電加熱板和保溫棉采用整套裝置，便于安裝和拆除。管板與水室封頭環(huán)縫焊后熱處理如圖5所示。

圖5 管板與水室封頭環(huán)縫焊后熱處理

3.3 局部熱處理傳熱管防凹痕技術(shù)

當(dāng)環(huán)縫進(jìn)行局部熱處理時(shí)，由于管板一次側(cè)表面溫度高于二次側(cè)表面溫度，管板會(huì)向一次側(cè)表面方向發(fā)生隆起變形，帶動(dòng)支撐板拉桿向一次側(cè)表面方向位移，使支撐板邊緣發(fā)生角位移，導(dǎo)致傳熱管與支撐板梅花孔間的間隙變化，嚴(yán)重時(shí)可能造成傳熱管受梅花孔直段頂壓，出現(xiàn)凹痕。在環(huán)縫局部熱處理保溫結(jié)束后的降溫階段，管板由隆起恢復(fù)至原始狀態(tài)，導(dǎo)致支撐板拉桿反向位移，使支撐板邊緣發(fā)生反向角位移，再次引起傳熱管與支撐板梅花孔間的間隙變化，嚴(yán)重時(shí)同樣可能造成傳熱管受梅花孔直段頂壓，出現(xiàn)凹痕。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，避免局部熱處理過(guò)程中傳熱管出現(xiàn)凹痕，采用熱風(fēng)機(jī)和冷風(fēng)機(jī)對(duì)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)內(nèi)腔空氣溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使支撐板拉桿與管板變形趨于同步，從而可以有效避免支撐板彎曲，防止傳熱管產(chǎn)生凹痕。熱處理過(guò)程中通過(guò)布置在管板、U形管內(nèi)壁等多個(gè)部位的熱電偶進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，并通過(guò)布置在頂部支撐板四個(gè)位置的角位移測(cè)量?jī)x進(jìn)行支撐板變形監(jiān)控。熱處理結(jié)束后，對(duì)支撐板外圈U形管進(jìn)行內(nèi)部電渦流檢測(cè)，以驗(yàn)證傳熱管是否產(chǎn)生凹痕。實(shí)踐確認(rèn)，熱處理過(guò)程中通過(guò)加熱設(shè)備和冷卻設(shè)備進(jìn)行空氣溫度調(diào)節(jié)，應(yīng)用不同距離和不同位置的溫度監(jiān)測(cè)與支撐板變形監(jiān)控，配合電渦流檢測(cè)等措施，可以保證三代非能動(dòng)蒸汽發(fā)生器焊后熱處理質(zhì)量[10]。

4 結(jié)束語(yǔ)

三代非能動(dòng)蒸汽發(fā)生器尺寸大，制造復(fù)雜，質(zhì)量要求高，筆者通過(guò)設(shè)備的自主制造，基本掌握了三代非能動(dòng)蒸汽發(fā)生器制造中的焊接與焊后熱處理技術(shù)，形成了一套滿足規(guī)范的焊接技術(shù)和焊接文件體系。三代非能動(dòng)蒸汽發(fā)生器的制造為批量化生產(chǎn)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，也為我國(guó)核壓水堆示范工程項(xiàng)目的順利實(shí)施打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，三代非能動(dòng)蒸汽發(fā)生器的焊接技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，當(dāng)然，為保證設(shè)備質(zhì)量，還需不斷進(jìn)行工藝改進(jìn)，并開(kāi)發(fā)出新的工藝技術(shù)，用以提高質(zhì)量和效率，降低成本，并始終保持技術(shù)領(lǐng)先。

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