核電站反應堆冷卻劑系統主管道安裝焊接

劉新利

（山東核電有限公司，山東 海陽 265116）

秦山核電二期工程是我國第一座獨立自主設計、建造和運營的商用核電站，每臺機組額定功率為650 M W。反應堆采用目前世界上技術成熟、安全可靠的壓水堆型，每個堆的反應堆冷卻劑系統包括兩個對稱的300 M W標準環路，每個環路由一個熱段、一個冷段和一個過渡段組成，如圖1所示。熱段和冷段的中心標高為＋8.920 m，分別布置在蒸汽發生器和主泵隔間，熱段連接反應堆壓力容器冷卻劑出口和蒸汽發生器冷卻劑入口，冷段連接反應堆壓力容器冷卻劑入口和主泵冷卻劑出口；過渡段的中心標高為＋6.010 m，布置于蒸汽發生器和主泵隔間之間，連接蒸汽發生器冷卻劑出口和主泵冷卻劑入口，從而構成了一個封閉的回路，即一回路（也稱主回路）。

主管道的主管段由超低碳奧氏體不銹鋼離心鑄造而成，材質牌號為Z3CN20.09M，其上各類管嘴也為鑄件，材質牌號為Z2CND18.12。其中熱段長（6 001±3）mm，管徑φ873×68.5 mm，重9.714 t；冷段長（7 157±3）m m，管徑φ828×64.75mm，重9.466 t；過渡段長（2 685.8＋1 521＋350.8）m m，管徑φ932×72.3 mm，重14.544 t。

主管道屬于核一級管道，連接著反應堆壓力容器、蒸汽發生器和主泵，是一回路反應堆冷卻劑系統壓力邊界的重要組成部分，運行中長期承受反應堆冷卻劑的高溫、高壓，其安裝焊接質量直接關系到核電站的安全運行。因此，安裝焊接質量要求高，技術難度大。

主管道對接焊縫為RCC-M1級，質保等級為QA1級，抗震等級為Ⅰ類，主管道清潔度、存放區和工作區都為Ⅱ級。

圖1 主管道、主泵、蒸汽發生器相互位置示意圖Fig.1 RCP ,PP and SG relative location layout

1 主管道的安裝焊接

1.1 主管道安裝前的準備工作

在主管道現場安裝焊接前，負責此項質量控制工作的工程師首先應編寫《核電站反應堆冷卻劑系統主管道安裝焊接質量監督工作程序》，并按照該程序對下述相關活動進行監督檢查：

（1）組織機構。現場應具備健全的施工組織及管理機構，要做到管理上有人負責，技術上有人把關。

（2）施工方案。主管道安裝、焊接方案必須經監理公司及業主審查，批復后方可用于指導現場施工。

（3）主管道焊接工藝評定。主管道焊接工藝評定根據技術要求以及現場實際安裝情況，共做了三項評定（見表1），經監理工程師及業主審查合格。

（4）焊工資格。為了確保主管道焊接質量，現場精心挑選的14名焊工經過培訓，并根據HAF0903進行焊工考試，考試結果經監理工程師及業主審查合格后方可擔任主管道的焊接工作。

（5）設備就位情況。主管道一、二環冷熱段應在反應堆壓力容器最終就位后、蒸汽發生器和主泵泵殼吊裝前吊入各自相應的隔間。

（6）現場條件。為了保證主管道安裝Ⅱ級工作區的要求，在所有施焊部位，應用三合板和彩條布加以圍攔，形成一個相對獨立的施工空間，以滿足整個施工現場對清潔度的要求。

（7）材料驗收。原材料（主管道、焊材等）經過驗收且質保文件和復驗報告齊全。

（8）施工工機具。應對主管道焊接時所用的焊機標定情況進行認真檢查，兩次標定間隔不得大于3個月。

表1 主管道焊接工藝評定Table 1 RCP welding process qualification

1.2 主管道安裝焊接分析

秦山核電二期工程的主管道由兩個以壓力容器為中心對稱的環路組成，因此一、二環路可以同時展開焊接，互不影響。現以一環主管道安裝焊接為例，對主管道安裝焊接順序進行詳細分析，如圖2所示。

焊縫1C1、1F1、1U1可以同時焊接；

1C4、1F4在1C1、1F1焊接厚度超過50%以上，且其組對間隙、錯邊滿足要求時，方可進行焊接；

在主管道冷、熱段及1U1焊接完成以后，通過測量確定過渡段調整段的加工余量后，方可進行過渡段的安裝焊接。

（1）主管道熱段的安裝焊接分析

圖2 主管道焊縫分布示意圖Fig.2 RCP welding seam location layout

圖3 主管道熱段的焊接分析Fig.3 Hot leg welding analysis

在主管道熱段與蒸汽發生器組對前，首先應將蒸汽發生器由焊接前的熱態中心位置移動到冷態位置。由于主管道熱段蒸汽發生器側彎頭具有一定的角度θ，如圖3所示，因此在焊接時由于焊接收縮將發生水平與豎直兩個方向的收縮，即LX和LZ，因此，在組對1C1焊口時須將蒸汽發生器沿冷態中心線反向平移一個LX′(LX′＞LX)。1C1組對后，熱段與壓力容器出口接管中心在水平面內左右方向應對齊，在垂直面內熱段中心線應向下偏移一個焊接收縮量的豎直分量LZ（現場取5 mm)。在焊接1C1過程中，利用百分表時刻對焊口1C4進行監測，通過及時調整焊接不同部位的順序，以使1C4焊口在水平面內左右方向的錯邊始終控制在允許的范圍內。當1C1焊接厚度超過50%以上，且1C4錯邊滿足要求時（≤0.5 mm），水平移動蒸汽發生器組對1C4焊口（組對間隙：1～4 mm），采用點固棒（φ50×50）進行六點固定，并開始焊接。在1C4焊接過程中，質量控制人員必須檢查蒸汽發生器的各種約束是否解除，以保證蒸汽發生器能夠沿冷態中心線方向自由移動。通過觀測懸掛在蒸汽發生器底封頭中心的磁力線墜與投放在地板上的坐標點的相對位置，調整焊接不同部位的順序，確保焊后蒸汽發生器位置滿足設計要求，并保證蒸汽發生器的垂直度。

（2）主管道冷段的安裝焊接分析

同樣，由于主管道冷段壓力容器側彎頭也具有一定的角度θ，如圖4所示，故在焊接時將發生水平面內LX和LY的收縮，因此在組對1F1時，可將主泵泵殼沿冷態中心反向平移一段距離。1F1組對后，冷段與主泵出口管嘴中心在垂直平面內上下應對齊，在水平面內偏移一個焊接收縮量LY（現場取4 mm)。其焊接過程和注意事項與熱段相同。冷段焊接完畢，質量控制人員應檢查主泵中心坐標及法蘭面的水平度是否滿足設計要求。

（3）主管道過渡段的安裝焊接分析

過渡段40°彎頭的1U1焊口可與冷段、熱段同時焊接，通過控制焊接變形來保證彎頭下管口平面的水平度。

由于主泵及蒸汽發生器的垂直支腿為鉸接形式，設備的中心位置只有在主管道冷、熱段焊接完成后才能最終確定。因此，過渡段的水平直管和垂直直管都留有現場安裝調節余量，坡口未加工。待主管道冷、熱段焊接完成以后，通過測量以下幾組數據（見圖5），計算出其調整段的加工余量，在車間進行劃線、切割、坡口加工，再運抵現場進行安裝（過渡段可從主泵間吊裝孔進行運輸）。焊接前先點固1U2、1U4焊口，1U6處于自由狀態，并保證水平管上口中心與主泵泵殼入口中心向主泵方向偏移一個焊接收縮量L。然后先施焊1U4焊口，質量控制人員可通過設置在1U6口的百分表來監測其對口情況。當1U4焊接厚度達50%以上，且1U6對口間隙、錯邊都滿足要求時，可同時施焊1U2、1U6焊口（此時1U4暫停焊接），當1U2、1U6焊接厚度達50%以上時，可同時施焊1U4至100%。

根據過渡段水平管和垂直管的已知尺寸C、G及測得的尺寸A1、B1，可推出：

垂直段加工后尺寸E=C+B1

水平段加工后尺寸F=A1－G+L－D

式中：D為坡口間隙；L為焊接收縮量；A1為40°彎頭下管口中心至主泵入口接管嘴中心之間的水平距離；B1為40°彎頭下管口中心至主泵入口接管嘴中心之間的垂直距離。

過渡段加工量的確定是主管道過渡段安裝焊接的關鍵，為此在主管道冷、熱段焊接完成后，測量工程師應對影響過渡段加工的各尺寸一一進行測量、計算，以保證過渡段安裝焊接的順利完成。

圖4 主管道冷段的焊接分析Fig.4 Cold leg welding analysis

圖5 主管道過渡段的焊接分析Fig.5 Transition leg welding analysis

1.3 主管道的焊接

（1）主管道焊接要求

根據主管道現場焊接技術條件的要求，主管道焊接過程中必須注意以下事項：

坡口表面應清洗干凈，無水、油脂、氧化物和其他可能影響焊接質量的物質；

焊接作業應避免在相對濕度大于90%、打底焊時風速大于2 m/s、手弧焊時風速大于10 m/s等惡劣的環境下進行；

環境溫度如果低于－10 ℃，則禁止施焊，焊件的溫度至少保持在+5 ℃以上；

焊接過程控制層間溫度＜173 ℃；

采用對稱焊、窄焊道焊接方法，并注意及時調整施焊順序以控制焊接變形；

層道間清理要干凈，焊至半厚時，坡口兩側邊緣100 mm范圍內均勻涂抹白堊粉，防止飛濺并防止電弧焊煙塵和熔渣的污染；

打磨時，應防止在打磨中出現過熱區；

禁止在管道表面起弧，TIG焊焊接具備遠距離起弧裝置；

在任何情況下，嚴禁主管道與鐵素體接觸；

焊口不允許強行組對，在第一道及最后一道焊縫上禁止錘擊。

（2）主管道的焊接參數

現場根據焊接工藝評定確定出電流的種類、直流電的極性或脈沖電極性、電流參數的范圍以及Ar氣流量制定了焊接工藝參數。主管道2GT位置焊接時所采用的焊接工藝參數見表2所示。

（3）主管道焊接過程檢查

在焊接過程中，為了保證焊接質量，質量控制人員應對下述內容進行過程檢查：

焊接區域濕度檢查：濕度應≤90%；

焊接參數檢查：應控制在焊接工藝卡規定的范圍內；

焊道層間溫度檢查；應控制在173 ℃以內；

檢查變形監控儀表的讀數。

1.4 主管道的焊接見證件

根據核安全法規和技術規格書的要求，為了驗證主管道焊縫的質量和保證現場焊接實施條件與焊接工藝評定試驗所確定的焊接工藝相一致，每個反應堆冷卻劑系統主管道，都應分別在水平軸線固定管及垂直軸線固定管兩種位置制備焊接見證件接頭，并在主管道現場施焊兩個月后立即開始施焊焊接見證件。見證件所用的母材為廠供離心鑄造直管，其規格為φ934×73 mm，每段管長不小于150 mm，與現場實際產品同規格、同牌號、同一爐批號，并由焊過相應產品焊縫的焊工完成，采用與產品焊縫相同的焊接參數和相同類型的焊接設備。

現場每焊完一個焊接見證件后，都在規定的兩個月內盡快地完成了對其的各項檢驗（包括無損檢驗和破壞性試驗）和評定，結果全部滿足設計要求，證明了這種焊接工藝是穩定可靠的，主管道的焊接質量滿足設計要求。2GT焊接見證件機械性能及化學試驗項目和結果如下（見表3和表4）。

表2 主管道焊接工藝參數Table 2 Welding process parameter

1.5 主管道的焊接質量檢查

在主管道焊接過程中，根據技術要求現場共進行了如下無損檢驗（見表5）。

主管道（一、二環）共16道焊口，分別在五個階段進行了RT檢驗，共拍片640張。監理公司和業主由無損檢驗工程師對全部RT底片進行了審查，一次拍片合格率100%。

2 主管道安裝焊接經驗及注意事項

在主管道安裝焊接過程中，質量控制人員堅持重點工序旁站監督，堅持見證與巡視相結合，發現了一些質量隱患并及時督促施工人員進行了整改，避免了質量問題的發生。

2.1 焊接收縮量 L

在主管道安裝焊接過程中，在冷、熱段組對以及過渡段調整段的劃線、切割時，都曾用到一個重要的數據：焊接收縮量（L）。在實際應用時，根據法國制造圖紙的建議及現場工藝評定的結果，現場選用L=8～8.5 mm，而在實際焊接中都證實了此焊接收縮量數值的選用比較合理，也與質量控制人員審查施工方案時采用的大壁厚管道焊接收縮量傳統經驗公式的計算結果一致。

最大焊接收縮量Lmax=0.2×AH/t；

最小焊接收縮量Lmin=0.2×AH/t－0.5；

式中:AH為焊縫坡口截面積、t為管道壁厚。

為了進一步掌握焊接過程中焊縫收縮量的變化規律，現場施工人員在主管道的兩端上、下、左、右分別打上樣沖眼作為測量參考點，以測量焊接收縮量的變化值。測量可分以下5個階段進行：

表3 焊縫拉伸試驗結果Table 3 Welding sean tensile testing result

表4 熔敷金屬化學分析Table4 Melting metal chemical analysis 單位：%（ 質量分數）

表5 主管道無損檢驗Table 5 Non-destructive test 單位：%（ 質量分數）

焊口定位點焊固定后；

焊縫根部氬弧焊打底完成后；

焊接厚度達到9 mm后；

焊接厚度達到50%以后；

焊接厚度達到100%。

通過對現場16道焊口的實際測量發現，焊厚在0%～50%時，收縮量較大。因此，在該階段應密切監測焊接收縮引起的變形。

2.2 主管道焊接前后主設備的位置關系

反應堆處于運行狀態時主泵及蒸汽發生器的中心位置稱為熱態中心位置，反應堆處于冷態時主泵及蒸汽發生器的中心位置稱為冷態中心位置。為了減小熱應力對反應堆冷卻劑系統主管道及主設備的影響，從設計上考慮將主泵和蒸汽發生器的垂直支腿設計成鉸接式。這樣，主泵和蒸汽發生器在一回路升溫過程中可以逐漸從安裝焊接后的冷態位置向熱態位置移動并最終定位在運行狀態下的熱態位置，而反應堆壓力容器的中心位置在整個過程中始終保持不變。這樣，主設備在運行時才處于最佳的受力狀態。

根據主泵和蒸汽發生器安裝技術規格書的要求，主泵泵殼和蒸汽發生器的安裝調整是在熱態位置進行的。主管道焊接完成后主設備應處于冷態位置，因此主管道與主設備組對時，應將主泵、蒸汽發生器推移至冷態中心位置。質量控制人員必須正確理解主設備在安裝狀態與運行狀態的位置關系，才能保證一回路系統設備的最終安裝焊接成功。

2.3 焊接工機具的標定

主管道安裝焊接所用的工機具應進行嚴格的標定、檢查。質量控制人員應特別檢查焊接時所使用的焊機，其儀表標定期為3個月，而一般焊機標定期都為一年，很容易產生疏忽。

2.4 設備約束的解除

在主管道冷、熱段焊接過程中，質量控制人員應檢查蒸汽發生器和主泵的各種臨時橫向支承是否解除，這樣蒸汽發生器和主泵在焊接過程中才能夠沿冷態中心線方向自由移動，有利于減小焊接殘余應力。

2.5 主管道焊接所用充氬裝置

為了保證焊接質量，針對主管道大管徑不銹鋼焊接的內部充氬，現場制作了高效環形氬氣室，如圖6所示，所有現場焊縫焊后背面呈銀白色，起到了良好的防氧化保護效果。

圖6 主管道充氬保護裝置Fig.6 Argon addition protective device

3 小結

1號機組主管道從1999年6月28日開始施工，至2000年1月27日全部結束，歷時7個月，共18道焊口（包括兩個見證件），拍片720張，一次拍片合格率100%，高質量地完成了主管道的安裝、焊接工作。鑒于該物項的重要性，參建各方都投入了大量的人力和物力，負責此項工作的質量控制人員從人、機、料、法環等方面在整個安裝、焊接過程中按照預先制定的監督程序進行了嚴格有效的控制，在安裝過程中提出了許多寶貴建議并被現場采納，為保證主管道的安裝、焊接質量作出了貢獻，也為今后核電建設積累了寶貴的財富。

[1] 沈俊雄. 大亞灣核電站建設經驗匯編[M]. 北京：原子能出版社，1994.

[2] 王平德. 秦山核電二期工程建設經驗匯編[M]，北京：原子能出版社，2004.

[3] 中國核動力研究設計院. 主管道安裝技術要求（文件編號：891S-44700-JT1）[D].

[4] 中國核動力研究設計院. 主管道現場焊接工藝評定技術條件（文件編號：891S-40000-JT1）[D].

[5] 中國核動力研究設計院. 主管道現場焊接技術條件（文件編號：891S-40000-JT9）[D].

[6] 中國核動力研究設計院. 主管道現場焊接焊接見證件技術條件（文件編號：891S-40000-JT5）[D].

[7] 中國核動力研究設計院. 主回路安裝總體技術要求（文件編號：891S-44000-JT16）[D].

[8] 核工業第二研究設計院. 核島設備安裝階段的清潔度和清潔（文件編號：891AT601）[D].