主泵泵殼與安全端焊接接頭的設計及制造

于 躍

核島一回路中使用的主泵是反應堆冷卻系統中唯一高速旋轉設備，如果把反應堆中的冷卻劑比作人體血液，主泵就是心臟。由于主泵在壽期內始終處于高溫、高濕及強輻照的環境下，因此泵殼等主要部件在瞬態過程中受到溫度、壓力等交變因素的影響，其工作時的安全性和可靠性尤顯重要，而泵殼進出口安全端焊接接頭質量的高低直接影響到主泵的在役壽命。

下面就以我國900 MW級主泵為例，對泵殼與進、出口安全端的焊接接頭的工作環境、結構設計以及制造要求等方面進行探討。

1 焊接接頭工作環境

(1)泵殼的設計溫度343℃，設計壓力17.23 MPa。

（2）硼酸水有腐蝕性。

（3）冷卻劑有強放射性。

（4）一旦發生失水事故，對安全殼進行噴淋將對焊接接頭形成較大熱沖擊。

（5）環境溫度為50℃，正常運行時的相對濕度為50%，事故和換料期間的相對濕度為100%。

（6） 40年壽期內啟動和停止的循環次數約為4 000次[1]。

2 焊接接頭結構

2.1 焊接接頭組成

在核島一回路泵殼中有兩個非常重要的承壓焊接接頭，即泵殼與進、出口安全端的焊接接頭。該焊接接頭把泵殼與進、出口安全端連接成一個整體，并傳遞其所承受的載荷 (見圖1)。

圖1 進、出口安全端與泵殼的焊接接頭

該泵殼本體采用SA-508M Gr.3Cl.1鍛件，安全端采用Z2CND18-12不銹鋼鍛件。由于泵殼與進、出口安全端接頭所用金屬材料不同，所以，在泵殼本體端部堆焊有材質為308L/309L的預堆邊。

2.2 焊接接頭設計

焊接接頭的設計是建立在等強度理論上，即焊接接頭與相鄰母材具有相同的強度。

焊接接頭坡口設計主要目的就是要確保焊接接頭全焊透，以此確定相應的焊接接頭形式和坡口尺寸及所采用的焊接方法，以期盡量減少焊接接頭填充金屬，避免產生缺陷，減少殘余焊接變形與應力，此外，還應便于焊接接頭防護和焊工操作。由于涉及到具體焊接工藝實施問題，設計方與制作方往往會產生分歧。該900 MW級主泵專利商 (簡稱專利商)在設計圖紙和采購規范中對泵殼與進、出口安全端之間的焊接接頭所作出的規定較為詳細，但是，由于其提出的坡口形式不能完全滿足制造廠的焊接工藝要求，雙方為此進行了多次交流，最終達成共識。

該專利商最初設計的對接焊接接頭為單面“U型”焊接接頭。該焊接接頭的優點主要是可以單面實現埋弧自動焊，焊縫質量好，生產效率高，焊接質量有保障（見圖2），前提是此焊接接頭必須在最終熱處理前焊接。但經過制造廠仔細研究，并與專利商澄清，最終確定此焊接接頭只能在最終熱處理后焊接。這樣，由于在最終熱處理前已經焊接完成的支撐件與之干涉，無法實現自動焊接，只能采用手工焊接，所以，原設計坡口結構不再適用。因此我們根據制造廠具體的焊接設備和工藝特點重新進行坡口結構設計。同時，考慮到焊縫金屬為不銹鋼308L，設計的坡口截面應盡量小，而且為避免焊熱的多次作用，需采用低線能焊接（見圖3）。

圖2 專利商最初設計的對接焊接接頭形式

優化后的焊接接頭滿足以下設計原則：

（1）焊接接頭的強度不低于母材標準規定的抗拉強度下限。

（2）合理選擇了坡口角度、鈍邊高、根部間隙等結構尺寸，使之有利于坡口加工及焊透，減少焊接缺陷。

圖3 優化后的焊接接頭結構

（3）完整、準確地表示了焊接接頭。

（4）提高生產率并節省成本。

優化后的坡口形式根部融合好，清根少，且雙面施焊，可產生均勻的收縮，所以變形較均勻，焊條消耗量也較原設計方案少。此種坡口形式的焊接接頭還必須通過焊接試驗評定。

3 制造要求

3.1 加工

由于泵殼為形狀復雜的多面體結構，在冷加工工藝方面我們根據其具體尺寸、形狀及加工條件采用了特殊的加工方案。

（1）與進口安全端相焊的泵殼坡口采用5 m立車加工制備，首次裝夾泵殼時，泵殼如圖2放置，刀檢加工泵殼內腔面的相應部位后，在進水口內壁找正基準。然后，泵殼翻身180°裝夾，進水口向上放置，按上道工序中已加工完成的內腔面找正、定中心，確定泵殼中心線至進水口坡口的距離。最后，加工進水口坡口端面，滿足圖紙尺寸要求。

（2） 與出口安全端相焊的泵殼坡口采用?200數控鏜床加工。泵殼如圖2旋轉180°，保證上端面向下放置，出水口正對泵殼橫向主軸，按照已經加工合格后的出水口內孔直徑確定中心，按照已經加工合格后的表面找正泵殼各個方向，確認余量后，加工出水口坡口端面，符合圖紙尺寸要求。

泵殼的進、出坡口加工完成后，由鉗工打磨坡口滿足探傷要求，粗糙度達到Ra3.2，為后序焊接質量提供了有利保證。

3.2 焊接

泵殼與進、出口安全端焊接接頭中的焊縫金屬是由焊接填充材料308L及部分母材熔合凝固形成的鑄態組織，其組織和化學成分與母材有較大差異。接近焊縫區域的母材受焊接熱循環和熱塑性變形的影響，組織和性能均發生了變化，特別是在熔合線處的組織成分更為復雜，使焊接接頭變成一個不均勻體，同時存在三種應力：

（1）因不均勻加熱，引起焊接殘余應力及變形；（2）因內壓作用產生的內壓應力；

（3）因焊接接頭表面的不完全連續，在內壓作用下局部產生應力集中—峰值應力。

為降低殘余應力和應力集中，需要采用合理的焊接措施：首先，采用手工焊、小電流、細焊絲、多焊道，以減小熔池的熱影響；其次，采取合理的焊接順序，先焊接收縮量大的焊縫，再背面清根焊；最后清除焊縫余高、打磨與母材齊平。雖然焊縫余高對整條焊縫起到一定的保溫和緩冷的作用，對細化晶粒、減少焊接應力也起很大的作用，但是，它會形成形狀突變，造成局部應力集中。同時，考慮泵殼與進、出口安全端組焊后的坡口極易發生變形，所以在接管的長度方向和內、外徑均留有5 mm加工余量，在完成組焊后清除掉。

該焊接接頭采用了手工電弧焊的焊接方法。因為手工電弧焊焊接接頭表面覆蓋有較厚的熔渣層，且因坡口較大既能使焊條伸入坡口底部，又便于脫渣，還便于觀察，能保證焊接質量。

3.3 檢測

泵殼與進、出口安全端的焊接接頭應進行無損檢測。對該承壓焊縫進行無損檢測時，為提高無損檢測結果的可靠性，應根據設備的材質、制造方法、工作介質、使用條件等選擇最合適的無損檢測方法。應盡可能多采用幾種不同的檢測方法，互相取長補短，以取得更多的缺陷信息，從而對實際情況有更清晰的了解，保證承壓設備的安全長周期運行。所以，對泵殼與進、出口安全端的焊接接頭，制造廠首先進行目視檢測，保證表面質量。其次，按ASME鍋爐壓力容器法規第III卷第1冊NB－5000，NB－5222的要求進行液體滲透檢測和X射線檢測。其中，采用分層液體滲透檢測方法的目的是為保證中間過程的焊接質量。具體執行時先對首層焊道進行一次液體滲透檢測，隨后每焊三層進行一次，最后對表層再進行一次液體滲透檢測。同樣，清根焊后也如此。當液體滲透檢測完畢，為檢測焊縫的內部質量，再進行一次全厚度X射線檢測。

3.4 熱處理

泵殼的進、出口在堆完預堆邊后，需要在密閉爐內加熱進行熱處理，控制爐內氣氛以避免過渡氧化，并禁止火焰直接沖刷泵殼。

泵殼和進出口安全端的焊縫不能進行熱處理，主要由于進、出口安全端的材料Z2CND18－12為含Mo的高合金鋼，如果參加最終焊后熱處理退火將導致M23C6析出，而M23C6對腐蝕性和機械性能有重要影響。根據實驗表明，在600～650℃的溫度范圍內，Z2CND18－12的抗腐蝕性和延展性將明顯減弱。所以，根據析出狀態和機械性能的變化，以及材料腐蝕性的要求，安全端Z2CND18－12不能參加熱處理。而且，進、出口安全端在現場焊接管道過程中，連接焊縫的熱影響區將表現出臨界的機械性能（延展性）和腐蝕性。所以，專利商最終確定進、出口安全端的接頭只能在最終熱處理后進行焊接。

3.5 質量保證

在整個制造過程中，應遵循核安全法規、民核產品質量體系等的要求編制該焊接接頭質保大綱，編制適用管理程序、制定不符合項管理程序，接受有關主管部門和買方的質保審查和監督。編制質量計劃，并在質量計劃中列明制造過程中的工序、應用的文件、質量控制點 (H、W、R點)等。質量保證體系的每個環節都應有文字記錄，記錄中必須有質量的客觀證據，包括審查、檢查、試驗、工作執行情況的監視、材料分析等的結果。所有記錄必須清晰、完整，并與所記述的物項或服務相對應，必須以定性或定量數據表達。

4 結 語

可見，焊接質量是個系統工程，在抓好設計質量的同時也不能忽略焊接及制造質量。除了設計人員應學習和了解制造、焊接方面的知識，以便根據不同材料、不同焊接工藝設計出合理的焊接接頭坡口形式以外，也要加強焊接質量保證體系的建立與管理，對焊工、焊接工藝規定、焊接材料保管、施焊環境、焊前預熱及焊接接頭外觀檢查等方面必須有全過程的質量保證措施。目前，主泵泵殼這樣的核心部件已經逐步國產化。而且隨著CAM(計算機輔助制造)技術的應用推廣，泵殼焊接工藝上許多技術難點也已被攻克，這也為泵殼生產標準化打下了堅實的基礎。

[1]《核電廠機械設備及其設計》，朱齊榮，原子能出版社2000．8．