CAP1400核電站鋼制安全殼焊后熱處理

董永志，胡廣澤，晏桂珍，修延飛

（1.山東核電設備制造有限公司，山東海陽265118；2.煙臺市核電設備工程技術(shù)研究中心，山東海陽265118）

CAP1400核電站鋼制安全殼焊后熱處理

董永志1，2，胡廣澤1，2，晏桂珍1，2，修延飛1，2

（1.山東核電設備制造有限公司，山東海陽265118；2.煙臺市核電設備工程技術(shù)研究中心，山東海陽265118）

基于ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅲ卷第1冊NE分卷對焊后熱處理的規(guī)定，結(jié)合CAP1400鋼制安全殼結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)要求，確定需進行焊后熱處理的焊縫范圍。結(jié)合工程建造特點，對貫穿件套筒與補強板焊縫進行爐內(nèi)整體熱處理，筒體縱焊縫、環(huán)焊縫、補強板與筒體焊縫進行局部焊后熱處理。為控制焊后熱處理的變形，筒體縱焊縫采用單條或多條對稱加熱、筒體環(huán)焊縫及設備閘門補強板焊縫采用分段加熱方式，通過試驗確定局部焊后熱處理的加熱帶寬度、隔熱帶寬度和厚度，保證均溫帶溫度達到595℃～620℃的設計要求。

CAP1400；鋼制安全殼；焊后熱處理；局部加熱

0 前言

鋼制安全殼容器（Containment Vessel，CV）是CAP1400非能動壓水堆核電站實現(xiàn)非能動功能的關鍵設備之一，其設計、建造采用ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅲ卷第1冊NE分卷[1]（簡稱ASMEⅢNE）。焊后熱處理（post weld heat treatment，PWHT）是鋼制安全殼容器建造過程中的關鍵工藝，本研究結(jié)合鋼制安全殼的結(jié)構(gòu)形式、建造特點和工程實際情況為制定PWHT工藝提供指導，同時對大型儲罐和設備的PWHT有一定的借鑒意義。

1 鋼制安全殼的結(jié)構(gòu)形式與材質(zhì)要求

1.1 鋼制安全殼的結(jié)構(gòu)形式

CAP1400鋼制安全殼筒體內(nèi)直徑43 m，整體高度73.6 m。建造過程中共分為5個拼裝段，依次為下封頭、筒體一環(huán)、筒體二環(huán)、筒體三環(huán)、上封頭，如圖1所示。封頭由82塊厚度43 mm的瓣片拼焊而成，筒體由144張弧形板構(gòu)成，其中第1圈筒體板厚度55 mm，其余11圈厚度52 mm。

圖1 鋼制安全殼結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of containment cessel

鋼制安全殼共83個貫穿件，包括46個機械貫穿件、33個電氣貫穿件、2個設備閘門、2個人員閘門，其中3個機械貫穿件位于下封頭，其他均位于筒體一環(huán)。19個機械貫穿件的管道或套筒外徑小于或等于64 mm，參照ASMEⅢNE-3332.1規(guī)定，這部分貫穿件不需要補強；其余貫穿件套筒全部采用單獨補強或聯(lián)合補強的方式與殼體連接，補強板的厚度分別為80 mm、90 mm、100 mm和130 mm。貫穿件與殼體的連接形式如圖2所示。

1.2 鋼制安全殼材質(zhì)要求

圖2 貫穿件與殼體的連接形式Fig.2 Welds joining nozzles or penetrations to vessel shell

CAP1400鋼制安全殼是實現(xiàn)安全殼冷卻系統(tǒng)功能的核心設備，其獨立于外部的混凝土屏蔽廠房，對鋼制安全殼厚度和強度的要求較高[2]。同時，對于厚度小于等于64 mm的材料最低使用溫度（LSMT）為-28℃；厚度大于64 mm的材料與環(huán)境隔離，LSMT溫度為10℃。為補償焊后熱影響區(qū)沖擊韌性的降低，需比LSMT低17℃進行沖擊試驗。CAP1400鋼制安全殼殼體材料為中低溫壓力容器用熱處理碳錳硅鋼板SA738Gr.B，具有較高的強度和較好的低溫沖擊韌性[3]，如表1所示。

2 PWHT的豁免

ASME表NE-4622.7(b)-1規(guī)定P-No.1材料在基于名義厚度、最低預熱溫度、材料的化學成分及結(jié)構(gòu)形式可免除強制性PWHT。對于封頭對接焊縫，包括封頭與筒體之間環(huán)焊縫、封頭與補強板之間對接焊縫均可免除PWHT；筒體部分縱焊縫、環(huán)焊縫、補強板與筒體之間焊縫應進行PWHT。

CAP1400鋼制安全殼共有19個不帶補強板的貫穿件，其中15個為不銹鋼材質(zhì)的貫穿件，采用的連接形式如圖2a所示，另外4個材質(zhì)為SA350 Gr.LF-2的套筒與殼體的連接方式如圖2b所示。ASMEⅢNE對于P-No.8的不銹鋼材料，既不要求也不禁止焊后熱處理，同時表NE-4622.7（b）-1對于與名義內(nèi)徑小于等于50 mm（2 in.）的接管或貫穿件相連接的所有焊縫，名義厚度小于等于19 mm（3/4〞）時免除PWHT。上述15個不銹鋼貫穿件與殼體焊后免除PWHT，4個碳鋼套筒與殼體焊后應進行PWHT。

表1 SA738Gr.B機械性能Table 1 SA738Gr.B mechanical properties

3 PWHT工藝參數(shù)

ASMEⅢNE PWHT的最高保溫溫度低于下轉(zhuǎn)變溫度50℃，是一種典型的低于下轉(zhuǎn)變溫度的PWHT，其首要目的是釋放焊接接頭的殘余應力[4]。通過對熱處理部位限定升降溫速率、保溫溫度區(qū)間和保溫時間來消除殘余應力。

3.1 升降溫速率

ASMEⅢNE-4623規(guī)定在425℃以上，根據(jù)焊接接頭的材料厚度計算得到最大加熱速率和冷卻速率，且任意間隔小時內(nèi)不能超過222℃，也不能低于56℃。

3.2 PWHT保溫溫度及保溫時間

ASMEⅢNE規(guī)定P-No.1材料PWHT的保溫溫度為595℃～675℃，但對于調(diào)質(zhì)狀態(tài)的材料，傳統(tǒng)的設計一般規(guī)定PWHT的最高保溫溫度不超過材料的實際回火溫度[5]。對于SA738Gr.B要求PWHT最高保溫溫度低于材料回火溫度15℃，進一步限定最高保溫溫度，但也不能低于595℃。

ASMEⅢNE規(guī)定的PWHT的保溫時間是基于焊縫的名義厚度t，當厚度超過50 mm時，PWHT的保溫時間為2 h+（t-50）×0.5 min。對于多次PWHT的部位，熱處理累計時間不宜超過材料模擬焊后熱處理時間的1.25倍。

4 PWHT加熱方式

4.1 PWHT加熱方式選擇

鋼制安全殼的PWHT加熱方式有整體爐內(nèi)加熱、局部加熱和容器內(nèi)部加熱三種。由于鋼制安全殼采取分5段的方式進行模塊化建造，每一段組焊完畢后，均未形成封閉結(jié)構(gòu)，不宜采取容器內(nèi)部加熱方式。待整個鋼制安全殼容器組焊完畢后，根據(jù)CAP1400核電站建造進度安排，核島內(nèi)的壓力容器和蒸汽發(fā)生器等主設備和其他系統(tǒng)已經(jīng)安裝就位于鋼制安全殼內(nèi)部，不能再采用內(nèi)部加熱方式對鋼制安全殼進行PWHT。

ASMEⅢNE-4622.1（b）要求，除表NE-4622.7(b) -1中免除強制性PWHT的情況外，所有門、接管、開孔框架和類似的焊接結(jié)構(gòu)，應在焊前對這種焊接組件進行PWHT，如圖2c所示的貫穿件套筒與補強板焊接組件適用于此要求。CAP1400設計要求，套筒與補強板的焊接組件最大直徑為8.5 m，進行爐內(nèi)整體PWHT。其他焊縫受結(jié)構(gòu)尺寸和建造工藝的影響，比較適合局部PWHT方式。CAP1400鋼制安全殼各類焊縫的焊后熱處理加熱方式如表2所示。

表2 CAP1400鋼制安全殼PWHT加熱方式Table 2 Heating method of PWHT for CAP1400 containment vessel

4.2 局部PWHT加熱方式

當對容器采取局部焊后熱處理時，加熱過程應滿足以下要求[1]：

（1）沿容器或物項的整個圓周加熱一個環(huán)形帶。

（2）在焊縫寬度最大的一面，焊縫每側(cè)達到PWHT規(guī)定保溫溫度的最小寬度應等于焊縫厚度或50 mm兩者中較小值。

（3）應確保容器或物項的溫度從受控加熱帶的邊緣向外逐漸減小，以避免產(chǎn)生有害的溫度梯度。

CAP1400鋼制安全殼局部PWHT在實際工程中完全執(zhí)行上述要求難度較大。以一條環(huán)焊縫PWHT為例，焊縫長度135 m，沿筒體全圓周加熱一個環(huán)形帶電功率需求約為5 000 kW，電功率過大。對于補強板與筒體對接焊縫，加熱帶的寬度將成倍增大，電功率需求成倍增長，實施操作難度更大。

參考ASME第Ⅷ卷第1冊（簡稱ASMEⅧ-1）UW-40[6]及WRC-452[7]，對于縱焊縫采用整條焊縫加熱、補強板與筒體對接焊縫采用“點狀”加熱、環(huán)焊縫采用分段加熱符合工程實際情況。采用該方式時，應通過有限元數(shù)值模擬計算及試驗驗證加熱參數(shù)來確定鋼制安全殼局部PWHT加熱方式的合理性，避免產(chǎn)生有害的溫度梯度而造成過大的變形和有害應力。

4.3 筒體縱焊縫PWHT

筒體縱焊縫在焊接完成且射線檢測合格后，即可對單條焊縫進行PWHT，也可多條焊縫同時PWHT，為減小PWHT變形，每圈筒體板縱焊縫宜優(yōu)先采用如圖3所示的1、3、5、7、9、11或2、4、6、8、10、12對稱分布的焊縫同時進行PWHT。為確保整條縱焊縫達到規(guī)定的PWHT溫度，在焊縫兩端設置溫度補償加熱片以補償焊縫端部熱量的損失，也有利于控制溫度梯度，減小PWHT變形。

圖3 筒體縱焊縫分布示意Fig.3 Sketch for longitudinal welds of CV ring

4.4 筒體環(huán)焊縫PWHT

筒體環(huán)焊縫按如圖4所示分6段，可單獨1個分段進行PWHT，也可同時對兩個對稱分段進行PWHT。在每個分段兩端設置補償加熱片，保溫材料沿圓周方向鋪設超出補償加熱片至少2 m，以控制環(huán)向溫度梯度。與環(huán)焊縫臨近的補強板與筒體焊縫，可隨同環(huán)焊縫一同PWHT。

4.5 補強板與殼體焊縫PWHT

設備閘門補強板與筒體焊縫采用3段、依次進行PWHT，如圖5所示，與整圈PWHT相比，PWHT后變形明顯減小，殘余應力變化不明顯。其他小型貫穿件補強板與筒體焊縫可采用整圈PWHT。

圖4 環(huán)焊縫熱處理分段Fig.4 Divided segment sketch of circumferential weld PWHT

圖5 設備閘門補強板與筒體焊縫熱處理分段Fig.5 Divided segment sketch of reinforcement plateshell weld in equipment hatch

4.6 不帶補強板的套筒與筒體焊縫PWHT

套筒與筒體直接連接的焊縫如圖2b所示，除在殼體內(nèi)、外兩側(cè)對稱布置扇環(huán)形加熱片，還應在套筒外壁纏繞繩式加熱器，如圖6所示，套筒內(nèi)部用保溫棉封堵。

圖6 套筒直接貫穿筒體焊縫的加熱方式Fig.6 Heating method of weld between sleeve and shell

5 加熱帶及隔熱帶參數(shù)的確定

為保證局部加熱的溫度要求，從焊縫中心往外依次設置均溫帶（soakband，SB）、加熱帶（heated band，HB）和隔熱帶（gradient control band，GCB）[6]，如圖7所示。ASME NE-4624.3規(guī)定SB是指焊縫寬度最大的一面，焊縫每邊應等于焊縫厚度和50 mm兩者中的較小值，但ASME NE對HB寬度及GCB的寬度、厚度未提供指導。GB/T 30583資料性附錄中指出，當殼體的名義厚度大于50 mm時，應進行驗證性試驗來確定HB和GCB的寬度。

圖7 控溫熱電偶及測溫熱電偶的布置方式Fig.7 Controlling and monitoring thermocouples layout

驗證性試驗的加熱器選用履帶式陶瓷加熱片，單片功率10 kW，保溫材料采用硅酸鋁針刺毯保溫棉，通過系列試驗，當滿足下列要求時，SB溫度可控制在595℃～620℃。

（1）加熱片的布置。

加熱片采用雙面對稱布置，對于筒體縱焊縫，矩形加熱片的中心線與焊縫中心線重合；對于筒體環(huán)焊縫，矩形加熱片的中心線距離焊縫中心線向下偏移25～35 mm；對于補強板與筒體焊縫，扇環(huán)形加熱片中心線與焊縫中心線重合。

（2）熱電偶的設置。

控溫熱電偶設置在加熱片上，避免熱膨脹過程中，加熱片因與鋼板貼合度不緊密造成局部點位溫度超過上限值；測溫熱電偶分別設置在鋼板SB邊緣及控溫熱電偶對應鋼板的位置。以縱焊縫為例，熱電偶的設置如圖7所示。

（3）HB、GCB的設置。

通過試驗驗證，HB最小寬度與GCB最小寬度、厚度滿足表3要求時，SB溫度可控制在595℃～620℃。對于大型貫穿件補強板與筒體對接焊縫，可在滿足表3規(guī)定HB寬度外，在扇環(huán)外側(cè)輔以一圈補償加熱片，溫度設置約460℃，以控制溫度梯度。

表3 SB、HB、GCB尺寸Table 3 Size of SB，HB and GCB

6 結(jié)論

（1）結(jié)合鋼制安全殼結(jié)構(gòu)特點、建造方式和有限元數(shù)值模擬計算，對于補強板與套筒焊縫采用爐內(nèi)整體PWHT；筒體環(huán)焊縫采用分段局部PWHT；補強板（或套筒）與筒體焊縫采用“點狀”加熱的局部PWHT符合工程實際。

（2）通過試驗確定HB寬度、GCB寬度及厚度，可以保證整條焊縫SB達到PWHT規(guī)定溫度。

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Page 80效率高，其電弧自動旋轉(zhuǎn)，故無需考慮焊絲和電弧的橫向擺動，因此具有其他方式無可比擬的優(yōu)點。

目前，國內(nèi)還沒有NG-GMAW應用于核電制造和安裝中的實例。但是在國外，尤其是在日本，該方法在核電制造安裝中得到了較多的應用。日本新日鐵公司的富田由紀夫（Tomita Yukio）等人研究了壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器（PWR-steam generator）焊接時分別使用NG-GMAW、NG-SAW與電子束焊（EBW）相比較各自的優(yōu)缺點[13]。結(jié)果表明，NG-GMAW和NG-SAW更容易控制焊接質(zhì)量，更易獲得接頭質(zhì)量良好的焊縫，而電子束焊的問題是需要防止焊接缺陷的產(chǎn)生，提高焊縫金屬的韌性。但通過工藝改進，電子束焊也能獲得性能良好的焊接接頭。目前在日本，用于壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器的ASTM A533 GRB C12（JIS sqv2b）材質(zhì)的鋼板使用電子束焊或NG-GMAW來焊接[14]。

5 結(jié)論

根據(jù)《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，“十三五”期間，全國核電投產(chǎn)約3 000萬kW、開工建設3 000萬kW以上，2020年裝機將達到5 800萬kW。截止2016年12月31日，我國運行的核電機組共35臺，總裝機容量3 363.2萬kW，另外有20臺核電機組在建。這意味著今后的4年內(nèi)，平均每年需開工建設6～8臺百萬千瓦級的核電機組，核電站設備供應商、建設單位將面臨著大量的設備制造和建造任務。窄間隙焊接方法在焊接核電厚板和超厚板鋼結(jié)構(gòu)領域應用潛力巨大。從技術(shù)層面看，窄間隙焊可應用于核電站主設備和主管道的焊接及許多其他重要結(jié)構(gòu)的焊接。從經(jīng)濟角度考慮，在焊接厚板時該類方法在節(jié)約成本方面具有極大的優(yōu)勢。對于要求嚴格的反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器等縱/環(huán)焊縫的焊接全部采用窄間隙埋弧焊，主管道全部采用窄間隙TIG焊，可見采用窄間隙焊代替常規(guī)電弧焊，不僅可以很大程度地提高焊接生產(chǎn)效率、減少焊縫填充量、縮短生產(chǎn)周期、降低成本，而且能提高焊縫質(zhì)量和安全裕度。

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Post weld heat treatment process of containment vessel for CAP1400 nuclear power plant

DONG Yongzhi1，2，HU Guangze1，2，YAN Guizhen1，2，XIU Yanfei1，2
（1.Shandong Nuclear Power Equipment Manufacturing Company，Haiyang 265118，China；2.Yantai Nuclear Equipment Engineering Technology and Research Center，Haiyang 265118，China）

Theweld range specified for post weld heat treatment（PWHT）wasdeterminedbasedontherelatedrequirementofASMESection III，Division 1，Subsection NE，and especially on the structural style and material requirement.Considering the features of the construction，furnace heat treatment applies to joint between penetration sleeve and reinforcement plates.Local PWHT shall be used for longitudinal weld，circumferentialweld，aswellasthejointbetweenreinforcementplatesandCVringweld.Toavoidweldingdistortion，adoptedthemethod of heating symmetrically for single or multiple longitudinal weld，and segment heating for circumferential weld as well as reinforcement p late weld in equipment hatch.The width of the heating zone,the width and thickness of the insulating zone are determined by experiments，to ensurealltemperatetemperatureof595℃～620℃，meetingdesignrequirements.

CAP1400；containment vessel；post weld heat treatment；local heat

TG457.2

A

1001－2303（2017）08－0087-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.17

2017-05-09；

2017-06-01

國家重大專項資助項目（2017ZX06002007）

董永志（1981—），男，工程師，碩士，主要從事AP/ CAP系列核電設備焊接及焊后熱處理工藝的研究工作。E-mail：swjtu2009@163.com。

本文參考文獻引用格式：董永志，胡廣澤，晏桂珍，等. CAP1400核電站鋼制安全殼焊后熱處理[J].電焊機，2017，47（06）：87-92.