國產核島主設備焊接技術現狀及發展趨勢分析

邱振生 柳 猛 匡艷軍方乃文

中 廣 核 工 程 有 限 公 司(深圳市 518172)機械科學研究院哈爾濱焊接研究所(150028)

國產核島主設備焊接技術現狀及發展趨勢分析

邱振生 柳 猛 匡艷軍
方乃文

中 廣 核 工 程 有 限 公 司(深圳市 518172)
機械科學研究院哈爾濱焊接研究所(150028)

核島主設備是壓水堆核電站的核心設備，長期在高溫、高壓、含腐蝕性介質和中子輻照環境下工作，其所構成的環路是包容反應堆冷卻劑介質，防止放射性物質泄漏的第二道安全屏障，而設備制造過程中的關鍵焊縫的焊接質量更是與核電站的安全密切相關。介紹了國內在役、在建壓水堆核電站核島主設備關鍵的焊接結構特點、焊接接頭的質量要求及工藝特點，并分析了設備國產化制造過程中焊接技術的現狀及未來的發展趨勢。

核電站 核島主設備 焊接技術 發展趨勢

0序 言

核島主設備是壓水堆核電站的核心設備，這些設備構成的環路是包容反應堆冷卻劑介質，防止放射性物質泄漏的第二道安全屏障。核島主設備與核電站的核安全性密切相關，其焊接結構的質量對整個核電站的安全有著重要的影響。文中介紹了國產核島主設備的結構特點、焊接接頭的質量要求、設備國產化制造焊接技術現狀及未來的發展趨勢。

1核島主設備關鍵焊接結構

核島主設備主要包括：反應堆壓力容器(以下簡稱RPV)、蒸汽發生器(以下簡稱SG)、穩壓器(以下簡稱PZR)、主泵(以下簡稱RCP)和主管道(以下簡稱MCL)，如圖1所示。

1.1反應堆壓力容器(RPV)關鍵焊接結構

RPV主要作用是固定和包容堆芯和堆內構件，使核燃料的裂變反應限制在一個密封的空間內進行。RPV是在高溫、高壓、中子強輻照工況下運行的焊接結構壓力容器，設計壽命40～60年。在役運行后，該設備無法更換，因此對該設備的設計建造質量要求極其嚴格。壓水堆核電站的RPV由筒體和頂蓋兩部分組成，材料為錳鎳鉬低合金鋼鍛件。內徑近4 000 mm，筒體壁厚達到了200 mm以上，殼體上只有環焊縫，沒有縱焊縫。與冷卻劑接觸的內表面堆焊超低碳奧氏體不銹鋼，如圖2所示。

圖1核島主設備示意圖

圖2 RPV結構示意圖

1.1.1 主殼體環焊縫、接管與殼體焊縫

主殼體環焊縫是全焊透的對接接頭型式，常用的結構型式如圖3～4所示。接管與主殼體的連接多數采用插入式、全焊透的焊接接頭型式。隨著大型鍛件制造能力的提升，在筒身鍛件上直接鍛造出短管接頭，接管與筒身的連接方式可以采用全焊透、環縫對接接頭形式。

1.1.2接管安全端異種鋼金屬焊接結構

接管的材質是低合金鋼鍛件，內徑大于700 mm，壁厚大于70 mm，內壁堆焊超低碳奧氏體不銹鋼，與之連接的是奧氏體不銹鋼接管。為了解決異種鋼接頭現場焊接的難題，設備制造商在廠里焊接一個安全端過渡段，如圖5～6所示。

1.1.3 J型坡口焊接結構

RPV頂蓋封頭上的控制棒驅動管座、下封頭上的中子測量管等接管與封頭焊縫，采用的是局部焊透的J型坡口焊縫，如圖7所示。該焊縫數量多，也是一種承壓焊縫。

圖3主殼體焊縫焊接結構示意圖

圖4窄間隙坡口結構示意圖

圖5接管安全端異種金屬焊接結構示意圖

圖6異種金屬焊縫坡口示意圖

(a)封頭中心“J型”坡口焊接結構示意圖

圖7 J型坡口焊接結構示意圖

1.1.4 RPV殼體與接管內壁不銹鋼堆焊

RPV頂蓋封頭、筒體、接管等部件內部需要大面積堆焊超低碳不銹鋼，過渡層采用309L系列焊接材料，耐蝕層采用308L系列焊接材料。不銹鋼堆焊層的厚度一般不低于5 mm。

1.2 蒸汽發生器(SG)關鍵焊接結構

SG是連接核電站一回路與二回路的設備，如圖8所示。一回路中的介質是帶有放射性的硼酸水冷卻劑，二回路中的介質是產生蒸汽驅動汽輪機做功的不帶放射性的除氧水。

SG設備由殼程和管程兩大部分構成。殼程的材質是錳鎳鉬低合金鋼鍛件或板材，多數為厚度大于100 mm的厚壁部件。殼體的縱、環焊縫為全焊透的對接焊縫，基本采用與圖3類似的窄間隙坡口型式。管程的管板為厚度大于500 mm的錳鎳鉬低合金鋼圓形鍛件，表面堆焊INCONEL600或INCONEL690合金，換熱管是內徑19 mm，壁厚1.09 mm的INCONEL690合金管，形成了近9 000個管子-管板焊縫接頭。管子-管板焊縫的焊接是SG制造的重點和難點，如圖9所示。

圖8 SG結構示意圖

圖9管子-管板密封焊縫示意圖

1.3穩壓器(PZR)關鍵焊接結構

PZR是調節一回路工作壓力的重要設備，由上、下兩個封頭和筒體焊接而成。封頭和筒體為厚壁錳鎳鉬低合金鋼鍛件或板材，殼體的縱、環縫采用與圖3類似的窄間隙坡口。除了殼體主焊縫，PZR上比較關鍵的焊接結構還有電加熱器與連接套管焊縫。這類焊縫位于承壓邊界，數量多，質量要求高，需采用專用的焊接設備才能完成，如圖10～11所示。

1.4主管道(MCL)關鍵焊接結構

MCL是連接反應堆壓力容器、蒸汽發生器、主泵的關鍵部件，如圖12所示。主管道的材質是奧氏體不銹鋼鑄件或鍛件，內徑不小于700 mm，壁厚一般為70 mm以上。MCL的冷段、熱段和過渡段在制造廠需要先預制焊接成如下型式，到現場后再與幾大主設備組焊到一起。主管之間采用全焊透對接焊縫連接在一起，坡口形式如圖13所示。

圖10 PZR結構示意圖

圖11電加熱套管與連接件焊縫示意圖

圖12 MCL結構示意圖

圖13 MCL焊縫示意圖

1.5控制棒驅動機構關鍵焊接結構

控制棒驅動機構(簡稱CRDM)是反應堆控制和保護系統極為重要的伺服機構，它所驅動的控制棒組件是調節快速反應性變化的重要部件，具有實現反應堆啟動、提升功率、保持功率、負荷跟蹤、正常停堆和緊急事故停堆的安全功能，是核反應堆關鍵的設備之一。

CRDM的關鍵焊接結構是中部的“Ω”焊縫以及上部和下部的“CANOPY”焊縫，如圖14所示。

圖14 CRDM焊縫示意圖

2幾種典型關鍵焊接結構的焊接質量要求

2.1壓力容器低合金鋼主焊縫

反應堆壓力容器長期在高溫高壓下工作，并承受強烈的中子輻照，所以焊縫金屬有嚴重的脆化傾向，通常表現為沖擊韌性的顯著降低和脆性轉變溫度的明顯升高。為了保證焊接接頭在整個壽命周期內不產生脆性破壞，強輻照區焊縫在設計要求上規定了合適的強度指標、足夠的韌性儲備，并對熔敷金屬中對輻照脆化敏感的合金元素進行嚴格限制。

目前RPV主焊縫焊接一般采用埋弧焊，根部封底則大多采用焊條電弧焊。埋弧焊采用Mn-Ni-Mo焊絲，熔敷金屬成分與母材(16MND5，SA-508 Gr.3 Cl.1)相匹配，焊劑一般采用堿性低氫型焊劑。埋弧焊絲和焊劑只有在正確的匹配下才能獲得滿意的性能，而且由于焊接坡口較深，所以要求焊劑在較窄的坡口內具有良好的焊接工藝性能。

2.2主設備安全端異種鋼金屬焊縫

RPV，SG，PZR設備中都有安全端異種鋼焊縫結構型式。異種鋼安全端焊縫是由Mn-Mo-Ni低合金鋼和奧氏體不銹鋼材料構成的全焊透對接接頭，由于兩種材料的物理性能差別較大，因此異種鋼接頭的焊接難度很大。在工程實踐中，異種鋼接頭也是設備中容易產生失效的部位。對異種鋼焊接接頭，力學性能指標不僅要與兩端的母材金屬相匹配，接頭還要具有較好的耐腐蝕性能和抗疲勞性能。在焊接過程中還要保證焊縫金屬具有較好的致密性，把氣孔、夾渣控制在較低水平，并不允許存在裂紋、未熔合等缺陷。

2.3管子-管板焊縫

管子-管板焊縫的焊接是SG設備制造的最關鍵工序之一。由于管子-管板焊縫是一回路和二回路的承壓邊界，所以對焊縫質量的要求很高。該焊縫數量多，并且有效焊縫厚度(焊喉尺寸或最小泄漏通徑)較小，在SG長期運行過程中，該焊縫容易泄漏，從而導致一回路含放射性的冷卻劑介質進入到二回路。在設計上，要求管子-管板焊縫具有良好的焊縫成形，光滑的焊縫表面，不低于0.66e(e為換熱管壁厚，一般為1.09 mm)的有效焊縫厚度。焊縫表面液體滲透檢查不能有任何顯示，焊縫內部應該具有良好的致密性，不能存在超標氣孔、夾渣，不允許存在裂紋和未熔合。

2.4穩壓器電加熱器元件焊縫

穩壓器電加熱器與電加熱器套管采用I型坡口，全焊透對接結構型式焊接。該接頭數量較多，并且是承壓焊縫。該接頭結構復雜，只能從單面進行焊接，需要單面焊雙面成型。由于電加熱器套管壁較薄，焊接質量要求高，所以焊接難度很大，一般需要采用專用的焊接設備進行焊接。在設計上，該接頭要滿足規定的力學性能要求，并且焊后焊縫表面應具有良好的成形，焊縫內部不能有裂紋、未熔合，氣孔、夾渣的尺寸也有嚴格的限制。

2.5 主管道預制焊縫

核電站主管道預制焊縫主要有兩類，一種是彎頭與管道之間的對接環焊縫，一種是斜接管或小管接頭與主管道相連的焊縫。這兩種焊縫都是全焊透焊縫。主管道是奧氏體不銹鋼材質，管道厚度較大，接頭的焊接工作量很大。主管道預制件焊接接頭焊接時在焊接材料選擇、焊接工藝控制方面具有嚴格的控制要求，其目的是為了得到力學性能和致密性好的焊接接頭，并且使焊接變形控制在合理的范圍內。

2.6控制棒驅動機構“CANOPY”，“Ω”焊縫

“CANOPY”，“Ω”焊縫分布在CRDM的上部、中部和下部，上部和下部為“CANOPY”焊縫，中部為“Ω”焊縫。上部和中部焊縫均在CRDM制造階段進行焊接，下部焊縫則在CRDM安裝階段進行焊接。CRDM的材料均為奧氏體不銹鋼材料，焊接材料選用ER308L不銹鋼焊絲或ER308L型Y型熔化填充環。由于該類焊縫形狀復雜，被焊部位較薄，只能采用單面焊雙面成形的工藝方法實現焊縫的全焊透。在工作狀態下，焊縫承受疲勞載荷，因此焊縫的內外表面必須連續、光滑，焊縫內部需要有良好的致密性。只有保證焊縫具有良好的焊接質量，才能減少該類焊縫接頭在使用過程中的泄漏幾率。

3國產核島主設備焊接技術現狀及發展趨勢

3.1典型焊接結構焊接技術綜述

核島主設備的焊接結構可分為兩大類。一類是全焊透對接接頭、殼體或接管內壁大面積堆焊為主的常見結構形式。在這類結構中由于被焊材料不同，因此不同設備或部件的焊接材料選擇和焊接工藝控制要求也不同。這類焊縫包括：RPV，SG和PZR錳鎳鉬低合金鋼殼體主焊縫及內壁堆焊焊縫，主管道奧氏體不銹鋼全焊透對接焊縫。另一類是結構比較特殊的焊縫，在焊接工藝上一般有著特殊的要求。這類焊縫包括：接管安全端異種鋼接頭焊縫，RPV的J型坡口焊縫，SG的管子―管板焊縫，PZR的電加熱器與電加熱器套管焊接焊縫，CRDM的“Ω”、“CANOPY”焊縫。

目前低合金鋼厚壁全焊透對接焊縫的焊接主要采用窄間隙埋弧焊技術。窄間隙埋弧焊在國內主要核島主設備制造企業已經被廣泛應用，如圖15所示。在焊接中厚壁縱、環縫焊接接頭，該方法具有接頭熔敷金屬少、綜合性能好、焊接接頭變形小、焊接效率高等諸多優點。大型接管與殼體的焊接，主要采用馬鞍形埋弧焊方法，也實現了機械焊的目標，解決了焊條電弧焊勞動強度大、生產效率低、焊接接頭質量不穩定的問題。殼體內壁、大接管內壁不銹鋼堆焊，管板鎳基合金堆焊普遍采用了帶極埋弧或電渣堆焊方法；小接管內壁堆焊則使用專用的內壁堆焊設備實現了TIG或MIG堆焊；如圖16所示。

圖15低合金鋼厚壁筒體窄間隙埋弧焊示意圖

圖16封頭、殼體內壁以及接管內壁堆焊示意圖

國內核電主設備制造廠普遍裝備了4 m×4 m或6 m×8 m窄間隙埋弧焊機、100 t以上的大型焊接變位器、300 t以上的焊接滾輪架、帶極堆焊設備以及小口徑接管內壁堆焊專用設備。這些設備既有國外的進口設備，也有國產設備。無論是進口設備還是國產設備，使用情況都比較好。國內主要核電設備制造廠的焊接裝備技術水平與國外工業發達國家同類行業相當，基本處于世界先進水平。

盡管核電設備主要焊接結構的制造實現了機械化、自動化焊接，但傳統手工焊方法仍然發揮著重要的作用。與機械焊或自動焊相比，由于手工焊設備具有簡單、輕便、靈活等特點，能較好地適應各種復雜位置和結構的焊接，所以手工焊方法還不能完全被機械焊或自動焊方法所取代。核島主設備很多焊接結構仍然采用手工焊，如MCL焊縫預制、PZR接管的焊接、RPV焊縫打底焊、CRDM的“CANOPY”和“Ω”的焊接、堆內構件的角焊縫、設備內壁不規則部位的堆焊以及設備支承結構的焊接等。手工焊在主設備的應用主要包括焊條電弧焊、鎢極惰性氣體保護焊、熔化極氣體保護焊、氣焊等。

由于手工焊受人為因素影響較大，焊工操作好壞直接決定著最終焊縫的質量，所以國內核安全設備焊工培訓和考核的規定較為嚴格。核安全監管當局頒布了核級焊工的管理條例，對控制核電設備國產化的焊接質量起到了重要作用。國內主要核電設備制造企業核電焊工的培訓水平比較高，考核管理控制嚴格，核級焊工整體素質比較好。

對于第二類比較特殊結構的焊縫，基本上采用專用的焊接設備和工裝輔具進行焊接。少數可以采用手工焊的結構，對焊工的操作技能要求也非常高，需經過特殊的訓練和培訓才能焊出質量合格的焊縫。例如，SG管子-管板焊縫，國內外均采用專用的管子-管板焊機進行焊接。SG的管子-管板焊縫接頭一般被設計成管端與管板齊平式結構形式，采用鎢極惰性氣體不填絲焊接。雖然國內各制造單位采用相同的焊接方法，但在具體的焊接工藝方面卻存在很大差異。每個制造商根據大量的焊接工藝試驗確定的焊接參數最終都焊出了合格滿意的產品。在這一焊接技術方面，國內外的焊接技術水平是相當的。PZR的電加熱器與電加熱器套管連接焊縫，國內外都采用經過改造的管管對接焊設備和輔助裝卡工裝來完成。為了保證不銹鋼小管徑接頭的焊接質量，I型坡口自熔焊時，需要使用增加熔敷金屬鐵素體含量的可熔化嵌環，這種焊接工藝方案的設計借鑒了國外同類結構的焊接經驗。RPV的J型坡口焊縫，國內外目前依然采用手工焊的方法。多數采用鎳基合金藥皮焊條電弧焊，也有采用填鎳基合金焊絲的手工鎢極氬弧焊，或者是兩種工藝方法的結合。這種焊接接頭焊接難點在于鎳基焊接材料的質量控制。鎳基合金焊縫經常出現質量缺陷是產品生產中需要重點關注和解決的問題，盡管國內核島主設備的鎳基合金焊接普遍采用進口焊接材料，但上述問題依然無法徹底解決。CRDM上的“CANOPY”和“Ω”焊縫是螺栓連接密封所采用的典型結構。在設備安裝現場的“CANOPY”焊縫，由于該接頭處于橫焊位置，并且操作空間狹小，所以只能采用專用的設備焊接。焊接方法為鎢極惰性氣體保護自熔焊，焊接接頭中事先嵌入可熔化Y型環。其它這類在工廠焊接的焊縫，由于可以采用平焊位置焊接，操作條件比較好，所以多數采用填絲手工鎢極惰性氣體保護焊?，F在國內的廠家也開始研究采用機械焊的焊接技術。

3.2國內核島主設備焊接技術發展趨勢分析

國內核島主設備的焊接能力和技術水平隨著核電技術的引進、消化、吸收和再創新，總體來說已經達到了國外核電發展高峰期所采用的技術能力和水平。但隨著焊接技術的發展和進步，核島主設備制造所采用的焊接材料、焊接方法和焊接工藝仍有很大改進和發展的空間。對于國產核島主設備的焊接，可以在以下方面開展進一步的研究工作，推動中國核島主設備國產化制造的焊接技術水平再上一個新臺階。

3.2.1推動核電焊接材料的國產化研發和應用

目前核島主設備使用的鍛件材料基本實現了國產化，但核1級設備焊接所需的焊接材料仍然以進口為主。核電焊接材料主要有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和鎳基合金等四大種類，除此之外還要用到一些鈷鉻鎢合金體系的耐磨材料。核電焊接材料對質量要求很高，有些焊接材料在性能上還有一些特殊要求。國內一些科研及焊接材料制造企業已經在核電焊材國產化方面做了很多工作，取得了一定的成果，但把這些成果完全應用到核電設備制造的工程實踐中還需多方共同努力。通過核電焊接材料國產化帶動核電設備焊接技術的進步，也是國內各相關單位需要共同努力才能實現的目標。3.2.2進一步提高核電設備焊接的機械化或自動化水平

盡管核島主設備很多規則的焊縫上已經實現了機械化或自動化焊接，但是仍有一些焊接結構還有改進的空間。例如，主管道對接焊縫在安裝現場以前采用的是藥皮焊條電弧焊技術，現在已經開發出了主管道自動焊技術，不僅提高了生產效率，還大大降低了工人的勞動強度，焊接接頭的性能和質量都有了明顯的提升，如圖17所示。但是在工廠的預制階段，仍有一些單位采用手工焊方法。實踐已經證明主管道環縫采用機械焊或自動焊是可行的，下一步采用機械焊或自動焊就是必然發展趨勢。對于RPV的J型坡口焊縫，由于不同圓周上的J型坡口焊縫形狀和尺寸都是在空間上變化的，因此采用機械焊或自動焊的焊接難度比較大。即便是采用焊接機器人，由于焊接過程中每個接頭的焊接變形不完全一致，會給焊接軌跡跟蹤帶來一定困難，因此實現自動焊難度很大。這也是J型坡口焊縫的焊接多年來一直采用手工焊的原因。隨著焊接機器人制造技術的進步，國內也有廠家嘗試采用焊接機器人焊接J型坡口焊縫。

圖17主管道窄間隙自動TIG焊示意圖

3.2.3采用激光焊等先進焊接方法，進一步提高焊接接頭質量，優化部件焊接結構設計

隨著激光焊技術的發展和進步，核電上一些對尺寸精度要求高的不銹鋼材料部件開始逐步推廣使用激光焊接，這樣可以充分利用激光焊能量密度大、焊縫尺寸小、焊接接頭變形小、應力低的優點，從而也帶動了一些核電部件的結構優化，安全性和可靠性的進一步提高。例如，核電設備中用于支撐和固定核燃料組件的堆芯圍板輻板，早期采用螺栓連接結構，為了防止螺栓在設備運行過程中松動、脫落，需要對每個螺栓進行點焊固定。由于采用激光焊技術，該組件進行了優化設計，圍板和輔板之間采用了全焊接連接結構，如圖18所示。

圖18堆芯圍板示意圖

另一類是屬于核島主設備中異形精密部件的表面硬化層堆焊，例如CRDM鉤爪部件，如圖19所示。傳統的焊接方法是氧乙炔焊，由于設計上對耐磨堆焊層的硬度均勻性要求高，且耐磨工作面不能存在超標缺陷，因此對氧乙炔堆焊操作工技能要求很高。如果采用激光機械或自動熔敷堆焊技術，選擇合適的堆焊材料和工藝，可以有效地改善堆焊質量和效率。目前一些單位已經開展了這方面的研究和試驗，將會推動核電部件耐磨堆焊技術水平和能力的提升。

激光焊在核電設備上另一個潛在的應用部件是焊接堆芯吊蘭筒體與支撐板之間的全焊透對接焊縫。這條焊縫是大直徑厚壁不銹鋼焊縫，目前采用冷絲鎢極惰性氣體保護焊方法方法焊接。從目前實際產品的焊接結果看，焊后在徑向上有很大的變形。如果采用超窄間隙激光填絲焊接，變形情況估計會有很大的改善。目前超窄間隙激光填絲焊方法還處在試驗研究階段，這種技術對上述部件的焊縫結構具有很好的應用前景。

圖19 CRDM鉤爪部件表面硬化層示意圖

4結 論

經過引進、消化和吸收，中國企業的核電設備制造能力有了長足的進步和提高。目前，中國核電建設已進入自主創新階段，隨著焊接技術的進步，國內企業有必要在核電焊接材料國產化研制和推廣、專用焊接設備研制、焊接新工藝的應用等方面進一步加大工作力度，爭取在近期有所突破。

邱振生，中廣核工程有限公司設計院核島設備所副總工程師，研究員級高工，全國焊接標準化技術委員會委員，國家能源行業核電標準化技術委員會委員，國際焊接工程師，注冊設備監理師，中國焊接協會理事，從事核電及火電設備焊接工作30余年，在核心期刊發表論文20余篇，取得發明專利10余項，獲省部級科學技術獎10余項。參加了陽江核電站、寧德核電站、防城港核電站等核電項目核島主設備的設計及重大質量技術問題的處理。

TG444

2016-10-12