三代非能動壓水堆核電廠蒸汽發(fā)生器與主泵的焊接

200233 上海核工程研究設(shè)計院 上海|王弘昶

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三代非能動壓水堆核電廠蒸汽發(fā)生器與主泵的焊接

200233 上海核工程研究設(shè)計院 上海|王弘昶

摘要：三代非能動壓水堆核電設(shè)計中，蒸汽發(fā)生器與反應(yīng)堆冷卻劑泵殼直接焊接。本文從ASME規(guī)范要求出發(fā)，介紹并分析了該焊縫的結(jié)構(gòu)、焊接工藝，并對焊接過程中的難點予以了闡述。根據(jù)相關(guān)工程制造經(jīng)驗的反饋，本文還對該焊縫的制造過程給出一些建議。關(guān)鍵詞：蒸汽發(fā)生器；主泵；鎳基合金

概述

在三代非能動壓水堆核電設(shè)計中，首次將反應(yīng)堆冷卻劑屏蔽電機泵用于大型核電廠，反應(yīng)堆冷卻劑泵（下文簡稱“主泵”）與蒸汽發(fā)生器（以下簡稱“SG”）的連接也隨之采用了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計。這種設(shè)計取消了主泵與SG之間的管道連接，將泵殼的吸入管嘴直接與SG的冷卻劑出口管嘴焊接。

與二代加核電常用的SG與主泵間采用主管道過渡段連接的設(shè)計相比，該設(shè)計優(yōu)勢如下［1］：①降低了主管道內(nèi)反應(yīng)堆冷卻劑的流動阻力。②消除了特定位置小LOCA事故后造成堆芯裸露的可能性，提高電廠運行的安全性。③簡化了支撐系統(tǒng)，有利于環(huán)路隔間的布置，為反應(yīng)堆的安裝、運行、在役檢測和維修活動提供了更大的空間。④減少了主管道焊縫數(shù)量，縮短工期，節(jié)省成本。

SG與泵殼直接焊接的設(shè)計在我國核電領(lǐng)域尚屬首次應(yīng)用，考慮到該條焊縫制造要求高、焊接難度大，工程實踐中，其焊接和檢測通常由蒸汽發(fā)生器制造廠在車間內(nèi)完成。

此焊縫作為蒸汽發(fā)生器出廠前的最后一道重要的壓力邊界焊縫，對制造廠的焊接和無損檢測等方面的能力提出了很高的要求。

蒸汽發(fā)生器與泵殼的焊接

a焊接要求

該焊縫焊接時，SG所有部件基本已經(jīng)完成安裝，設(shè)備水平固定放置，SG與主泵間的環(huán)焊縫的焊接在5G位置進(jìn)行，即焊縫位于豎直的平面、管嘴的軸線水平。

SG為SA-508 Gr.3 Cl.2低合金鋼鍛件，主泵泵殼為CF8A不銹鋼鑄件。低合金鋼強度較高，焊接時，尤其是接頭厚度較大時，會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，造成焊縫及熱影響區(qū)開裂。為了避免上述問題發(fā)生，低合金鋼焊接完成后需在約600℃進(jìn)行一定時間的焊后熱處理。在泵殼焊接時，SG所有部件已基本裝配而成，難以對SG與主泵之間的焊縫進(jìn)行焊后熱處理。為了避免上述制造難點，需在SG冷卻劑出口管嘴處堆焊一定厚度的隔離層，使SG與主泵的焊縫變?yōu)闊o需進(jìn)行焊后熱處理的隔離層材料與不銹鋼之間的焊接。

b焊接材料

SG與主泵間的焊縫以及隔離層采用690焊材（ERNiCrFe-7/7A）。

選用該焊材主要有如下原因：①690隔離層與不銹鋼鑄件焊接時，無需預(yù)熱和焊后熱處理，簡化了焊接工藝。②690焊材的強度和膨脹系數(shù)位于兩側(cè)母材之間，起到較好的過渡作用。③690焊材被廣泛應(yīng)用于異種材料焊縫的焊接，制造廠對于這類焊材有一定的使用經(jīng)驗。④690具有較強抗晶間腐蝕和一次水應(yīng)力腐蝕開裂的能力。

但是，690焊材也存在一些缺陷，如熔池流動性較差、焊道間易產(chǎn)生氧化膜、具有一定的液化開裂和高溫失塑開裂傾向等問題，需制定合適的焊接工藝，盡量減少這些問題的發(fā)生。

c焊接工藝

在制定SG與主泵的焊接工藝時，需注意如下問題：①研究表明，690焊材的液化裂紋和高溫失塑裂紋的產(chǎn)生與熱輸入有較大的關(guān)系［2］，為了減小其開裂傾向，需采用低熱輸入的焊接方法。②由于現(xiàn)場裝配的問題，SG與主泵焊接后，對焊接的變形控制有較高要求。③該條焊縫厚度較大，在確保焊縫質(zhì)量的同時，還需適當(dāng)考慮提高生產(chǎn)效率。

綜合考慮上述因素，在實際工程制造中，通常采用低熱輸入的鎢極氣體保護自動焊，為了進(jìn)一步提高效率，減小焊接變形，該焊縫通常采用窄間隙的坡口。一般采用雙面焊接的雙U形窄間隙坡口。與標(biāo)準(zhǔn)推薦的單U形坡口相比，雙U形坡口有以下優(yōu)勢：①690焊道間易形成氧化膜，需要在道間進(jìn)行打磨清理。采用單U形窄間隙坡口時，坡口窄而深，對于底層焊道打磨較為困難；采用雙U形坡口可以避免這一問題。②由于噴嘴設(shè)計的關(guān)系，保護氣體一般自坡口頂部排出，坡口越深，對保護氣體的流量以及送氣的穩(wěn)定性要求也越高，焊接時混入空氣產(chǎn)生氣孔或氧化膜的幾率也越大。雙U形窄間隙坡口深度相對較小，有利于氣體保護。③雙U形坡口對稱性更高，焊接殘余應(yīng)力和焊接變形也相對較小。

結(jié)論

三代非能動壓水堆核電設(shè)計中，采用了SG與反應(yīng)堆冷卻劑泵殼直接焊接的設(shè)計，由此對SG的焊接制造提出了新的要求。該條焊縫的焊接制造應(yīng)注意以下幾點：

a為避免環(huán)焊縫的熱處理，在SG水室封頭冷卻劑出口管嘴表面堆焊一定厚度鎳基隔離層。

b采用低熱輸入的鎢極氣體保護的全位置自動焊，并選用690焊接材料。

c選用雙U形窄間隙坡口，有利于提高焊接質(zhì)量。

參考：

［1］孫漢虹 等. 第三代核電技術(shù)AP1000 中國電力出版社， 2010

［2］John N. DuPont， John C. Lippold，Samuel D. Kiser， Welding Metallurgy and Weldability of Nickel-base Alloys. A John Wiley & Sons， inc.， Publication，2009