三代非能動蒸汽發(fā)生器焊接與熱處理質量控制

□李雙燕 □徐 超

上海電氣核電設備有限公司 上海 201306

1 研究背景

目前，我國在建的海陽核電站2號機組和三門核電站2號機組均采用最新的三代非能動技術，簡化的兩回路設計和60年設計壽命使三代非能動蒸汽發(fā)生器尺寸更大，質量更重，材料要求更高，設計和制造更復雜，堪稱當代熱交換器技術的最高水平。蒸汽發(fā)生器采用《鍋爐及壓力容器規(guī)范》ASME 1998版與2000補遺版制造，產(chǎn)品帶泵殼總長度24.2 m，最大直徑5 576 mm，筒體最大厚度121 mm，管板與水室封頭環(huán)縫最大厚度達254 mm。三代非能動蒸汽發(fā)生器在焊接與焊后熱處理方面相比二代加CPR1000核電項目有更多的技術要求，接近60項，主要包括焊接材料、焊接方法、焊接工藝評定、預熱、后熱、臨時性附件、焊接順序、焊后熱處理等。為保證產(chǎn)品的制造質量，在生產(chǎn)過程中采用了多項焊接和焊后熱處理技術，并且通過合理安排制造工序、焊接工位、焊接順序、熱處理次數(shù)、探傷次數(shù)等來保證焊縫質量。

2 焊接質量控制

三代非能動蒸汽發(fā)生器結構復雜，焊接接頭較多，包括低合金鋼對接縫的焊接、低合金鋼上不銹鋼耐蝕層和隔離層的堆焊、低合金鋼上鎳基合金耐蝕層和隔離層的堆焊、水室隔板與管板的焊接、水室隔板與水室封頭的焊接、管板的密封焊接、水室封頭出口接管與泵殼的焊接等。為保證這些接頭的焊接質量，制造過程中需要合理安排制造工序，合理布置焊接工位，以及合理安排探傷次數(shù)和時機等。

2.1 上部殼體接管焊接

三代非能動蒸汽發(fā)生器上部殼體上分布多個部件，在離筒體端部592 mm水平面上分布著兩個支撐座、一個主給水接管和一個啟動給水接管。這四個部件均距離筒體端部較近，其中主給水接管距離端部最近處只有79 mm。這四個部件與上部殼體的焊接均采用雙面埋弧自動焊，焊接位置為水平焊，采用雙面U形坡口。焊接時先進行一側自動對接焊，另一側清根后再進行埋弧自動焊，焊前進行預熱，全部焊完后去氫處理。主給水接管的焊接如圖1所示。

圖1 主給水接管焊接

四個部件距離筒體端部較近，焊接四個部件會引起較大的焊接變形，將會影響上部殼體的圓度，進而影響干燥器和汽水分離器的裝配，以及后續(xù)筒體與錐體環(huán)縫的裝焊。為了保證接頭的焊接質量，合理安排四個部件的開孔順序、焊接順序，并增加熱處理次數(shù)，進而控制焊接變形。采取的開孔措施為在筒體端部適當位置裝妥星形支撐[1]，開孔時兩兩對稱開孔，以減小筒體的變形。采取的焊接順序為先焊接四個部件的外壁焊縫，然后立即進行中間熱處理，消除焊接應力，再焊接四個部件的內壁焊縫，使圓度得到明顯改善，進而使焊接變形得到有效控制。

2.2 水室封頭出口接管隔離層堆焊

三代非能動蒸汽發(fā)生器水室封頭出口接管隔離層需堆焊Inconel 690鎳基合金，堆焊厚度至少為38.1 mm。由于堆焊層厚度較大，鎳基合金材料熱裂紋敏感性高，堆焊金屬潤濕性和流動性差[2]，易產(chǎn)生未熔合、夾雜等缺陷，因此堆焊難度較大。

堆焊過程中通過控制焊接參數(shù)、增加焊接保護與探傷次數(shù)來提高堆焊層質量。接管隔離層堆焊應用熱絲自動鎢極氬弧堆焊技術，采用φ1.2 mm的ERNiCrFe-7A焊絲進行堆焊，在堆焊過程中控制焊道間搭邊量，使焊道間搭邊量至少為焊道寬度的1/2，每道每層進行打磨清理。接管隔離層的堆焊如圖2所示。為更好地保證堆焊層質量，接管周圍設置擋風布，接管外壁和內壁均使用氣體保護工裝，堆焊時嚴禁使用風扇、氣管等，防止氣體對流，減小堆焊層產(chǎn)生缺陷的風險。此外，堆焊過程中堆焊至不同厚度時需要進行100%超聲波檢查，以控制堆焊層的質量[3-4]。

圖2 接管隔離層堆焊

2.3 水室隔板焊接

對于水室隔板與管板，以及水室隔板與水室封頭的焊接，三代非能動蒸汽發(fā)生器設計要求中并未給出。為了后續(xù)能更好地進行射線檢測，制造過程中在水室隔板兩側各留出一個缺口。在最終水室封頭環(huán)縫與水室隔板連接時，采用一塊與缺口適配的補板來填補水室隔板與環(huán)縫內壁堆焊層之間的間隙，將兩者焊接即可。補板的結構如圖3所示。補板的焊接難度在于需要避免焊接后水室隔板與水室封頭環(huán)縫內壁堆焊層出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。此外，通過合理安排焊接順序與探傷時機等來保證產(chǎn)品焊接質量。

在補板焊接前，加大堆焊層厚度，即在環(huán)縫內壁不銹鋼堆焊層上補堆Inconel 690鎳基合金堆焊層，之后再焊接補板。補板采用與水室隔板相同的坡口形式和尺寸，雙面坡口對稱交替焊接。合理布置補板周圍四條焊縫的對接順序，以避免應力集中于堆焊層側。焊接過程中進行多次液體滲漏檢查。焊縫清根時，注意補板和堆焊接合面的清根方式，避免堆焊層厚度減小。全部焊接完成后，在環(huán)縫外壁對焊縫位置進行超聲波檢查，以確保補板與堆焊層焊接區(qū)域無任何缺陷[5-6]。

圖3 補板結構

2.4 水室封頭出口接管與泵殼焊接

三代非能動蒸汽發(fā)生器水室封頭出口接管需要與泵殼連接，且兩者在水壓試驗后進行焊接，泵殼材料為鑄造不銹鋼。兩者連接如圖4所示，兩者之間的位置、直線度和角度尺寸有一定要求。技術難點在于兩者僅能在蒸汽發(fā)生器處于水平位置時進行裝配和焊接，焊接空間受到一定限制。要滿足兩者的裝配要求，焊接過程中需控制焊接變形。兩者接頭厚度約140 mm，焊接的同時需考慮裝配要求，可見焊接難度較大。

圖4 水室封頭出口接管與泵殼連接示意圖

針對以上問題，通過合理安排焊接順序與設置激光監(jiān)測變形來控制焊接質量。采用全位置焊接方式進行對接焊，采用雙面非對稱對接坡口，并采用自動鎢極氬弧焊接方法進行雙面交替焊接。焊接過程中設置激光全程監(jiān)測，跟蹤測量直線度和角度。根據(jù)變形情況調整焊接參數(shù)和焊接順序，進而減小焊接變形，保證接管裝配質量[7]。

3 熱處理質量控制

3.1 焊后熱處理要求

焊后熱處理分為局部熱處理和整體熱處理兩部分，整個三代非能動蒸汽發(fā)生器制造過程中，除了最終兩條環(huán)縫，即上筒體與錐筒體環(huán)縫、管板與水室封頭環(huán)縫進行局部熱處理外，其余所有焊縫均進爐進行整體熱處理。熱處理后記錄每次熱處理的最短保溫時間和最長保守累積時間。設備制造過程中按ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第III卷NB分卷規(guī)定，在595～620℃對承壓焊縫進行焊后熱處理，350℃以上加熱速度≤55 K/h，冷卻速度≤55 K/h，降到350℃以下進行冷卻，加熱方式為爐內加熱或電紅外加熱[8]。

3.2 管板與水室封頭環(huán)縫焊后熱處理

三代非能動蒸汽發(fā)生器在管束組件裝入殼體工序完成后進行管板與水室封頭的焊接，因此管板與水室封頭環(huán)縫焊后的熱處理只能采取局部熱處理方式。局部熱處理既要有效消除管板與水室封頭間焊縫的焊接殘余應力，又不能因為過高的熱處理溫度而造成靠近焊縫的管板脹接區(qū)脹接力松馳，以及管板焊縫的機械性能損害[9]。根據(jù)工程經(jīng)驗，對環(huán)縫區(qū)域、管板一次側與二次側表面區(qū)域通過熱電偶進行溫度控制，對進口管嘴安全端焊縫區(qū)域、出口管嘴隔離層區(qū)域、非能動余熱導出管嘴安全端焊縫區(qū)域、管板附近手孔區(qū)域等的溫度進行監(jiān)測。熱處理電加熱板和保溫棉采用整套裝置，便于安裝和拆除。管板與水室封頭環(huán)縫焊后熱處理如圖5所示。

圖5 管板與水室封頭環(huán)縫焊后熱處理

3.3 局部熱處理傳熱管防凹痕技術

當環(huán)縫進行局部熱處理時，由于管板一次側表面溫度高于二次側表面溫度，管板會向一次側表面方向發(fā)生隆起變形，帶動支撐板拉桿向一次側表面方向位移，使支撐板邊緣發(fā)生角位移，導致傳熱管與支撐板梅花孔間的間隙變化，嚴重時可能造成傳熱管受梅花孔直段頂壓，出現(xiàn)凹痕。在環(huán)縫局部熱處理保溫結束后的降溫階段，管板由隆起恢復至原始狀態(tài)，導致支撐板拉桿反向位移，使支撐板邊緣發(fā)生反向角位移，再次引起傳熱管與支撐板梅花孔間的間隙變化，嚴重時同樣可能造成傳熱管受梅花孔直段頂壓，出現(xiàn)凹痕。為保證產(chǎn)品質量，避免局部熱處理過程中傳熱管出現(xiàn)凹痕，采用熱風機和冷風機對蒸汽發(fā)生器二次側內腔空氣溫度進行調節(jié)，使支撐板拉桿與管板變形趨于同步，從而可以有效避免支撐板彎曲，防止傳熱管產(chǎn)生凹痕。熱處理過程中通過布置在管板、U形管內壁等多個部位的熱電偶進行溫度監(jiān)測，并通過布置在頂部支撐板四個位置的角位移測量儀進行支撐板變形監(jiān)控。熱處理結束后，對支撐板外圈U形管進行內部電渦流檢測，以驗證傳熱管是否產(chǎn)生凹痕。實踐確認，熱處理過程中通過加熱設備和冷卻設備進行空氣溫度調節(jié)，應用不同距離和不同位置的溫度監(jiān)測與支撐板變形監(jiān)控，配合電渦流檢測等措施，可以保證三代非能動蒸汽發(fā)生器焊后熱處理質量[10]。

4 結束語

三代非能動蒸汽發(fā)生器尺寸大，制造復雜，質量要求高，筆者通過設備的自主制造，基本掌握了三代非能動蒸汽發(fā)生器制造中的焊接與焊后熱處理技術，形成了一套滿足規(guī)范的焊接技術和焊接文件體系。三代非能動蒸汽發(fā)生器的制造為批量化生產(chǎn)積累了豐富經(jīng)驗，也為我國核壓水堆示范工程項目的順利實施打下了堅實的基礎。目前，三代非能動蒸汽發(fā)生器的焊接技術已達到國際先進水平，當然，為保證設備質量，還需不斷進行工藝改進，并開發(fā)出新的工藝技術，用以提高質量和效率，降低成本，并始終保持技術領先。

[1] 景軍濤，羅吾希，江才林，等.EPR蒸汽發(fā)生器制造過程中變形控制的研究[J].上海電氣技術，2012，5（4）：38-42.

[2] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[3] 李雙燕.核電設備中的Inconel 690鎳基合金熱絲TIG堆焊技術[J].金屬加工（熱加工），2014（16）：56-59.

[4] 李雙燕，張茂龍.一種控制熔深的不銹鋼鑄件表面堆焊方法：201510576578.6[P].2015-11-18.

[5]李雙燕.600 MW壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器焊接工藝與焊接材料[J].金屬加工（熱加工），2011（18）：26-29.

[6] 李雙燕，張茂龍，徐超，等.防止堆焊層撕裂的隔板與殼體的連接結構及其連接方法：201610835067.6[P].2017-01-04.

[7] 李雙燕，張茂龍.空間受限的核電設備低合金鋼與不銹鋼接管的對接方法：201510769551.9[P].2016-01-06.

[8]李雙燕.“二代加”百萬千瓦級壓水堆核電機組蒸汽發(fā)生器焊接技術[J].上海電氣技術，2011，4（1）：25-31.

[9] 李雙燕，張茂龍.百萬千瓦級核島主設備蒸汽發(fā)生器焊接制造技術（下）[J].金屬加工（熱加工），2013（2）：51-52.

[10]李雙燕，徐超，張茂龍.一種核電蒸汽發(fā)生器環(huán)縫熱處理裝置系統(tǒng)及其用途：201410615413.0[P].2015-02-18.