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(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所(150028)

國(guó)產(chǎn)核島主設(shè)備焊接技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)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(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所(150028)

核島主設(shè)備是壓水堆核電站的核心設(shè)備，長(zhǎng)期在高溫、高壓、含腐蝕性介質(zhì)和中子輻照環(huán)境下工作，其所構(gòu)成的環(huán)路是包容反應(yīng)堆冷卻劑介質(zhì)，防止放射性物質(zhì)泄漏的第二道安全屏障，而設(shè)備制造過(guò)程中的關(guān)鍵焊縫的焊接質(zhì)量更是與核電站的安全密切相關(guān)。介紹了國(guó)內(nèi)在役、在建壓水堆核電站核島主設(shè)備關(guān)鍵的焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、焊接接頭的質(zhì)量要求及工藝特點(diǎn)，并分析了設(shè)備國(guó)產(chǎn)化制造過(guò)程中焊接技術(shù)的現(xiàn)狀及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

核電站 核島主設(shè)備 焊接技術(shù) 發(fā)展趨勢(shì)

0序 言

核島主設(shè)備是壓水堆核電站的核心設(shè)備，這些設(shè)備構(gòu)成的環(huán)路是包容反應(yīng)堆冷卻劑介質(zhì)，防止放射性物質(zhì)泄漏的第二道安全屏障。核島主設(shè)備與核電站的核安全性密切相關(guān)，其焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量對(duì)整個(gè)核電站的安全有著重要的影響。文中介紹了國(guó)產(chǎn)核島主設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、焊接接頭的質(zhì)量要求、設(shè)備國(guó)產(chǎn)化制造焊接技術(shù)現(xiàn)狀及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1核島主設(shè)備關(guān)鍵焊接結(jié)構(gòu)

核島主設(shè)備主要包括：反應(yīng)堆壓力容器(以下簡(jiǎn)稱RPV)、蒸汽發(fā)生器(以下簡(jiǎn)稱SG)、穩(wěn)壓器(以下簡(jiǎn)稱PZR)、主泵(以下簡(jiǎn)稱RCP)和主管道(以下簡(jiǎn)稱MCL)，如圖1所示。

1.1反應(yīng)堆壓力容器(RPV)關(guān)鍵焊接結(jié)構(gòu)

RPV主要作用是固定和包容堆芯和堆內(nèi)構(gòu)件，使核燃料的裂變反應(yīng)限制在一個(gè)密封的空間內(nèi)進(jìn)行。RPV是在高溫、高壓、中子強(qiáng)輻照工況下運(yùn)行的焊接結(jié)構(gòu)壓力容器，設(shè)計(jì)壽命40～60年。在役運(yùn)行后，該設(shè)備無(wú)法更換，因此對(duì)該設(shè)備的設(shè)計(jì)建造質(zhì)量要求極其嚴(yán)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(nèi)徑近4 000 mm，筒體壁厚達(dá)到了200 mm以上，殼體上只有環(huán)焊縫，沒(méi)有縱焊縫。與冷卻劑接觸的內(nèi)表面堆焊超低碳奧氏體不銹鋼，如圖2所示。

圖1核島主設(shè)備示意圖

圖2 RPV結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 主殼體環(huán)焊縫、接管與殼體焊縫

主殼體環(huán)焊縫是全焊透的對(duì)接接頭型式，常用的結(jié)構(gòu)型式如圖3～4所示。接管與主殼體的連接多數(shù)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(huán)縫對(duì)接接頭形式。

1.1.2接管安全端異種鋼金屬焊接結(jié)構(gòu)

接管的材質(zhì)是低合金鋼鍛件，內(nèi)徑大于700 mm，壁厚大于70 mm，內(nèi)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(xiàn)場(chǎng)焊接的難題，設(shè)備制造商在廠里焊接一個(gè)安全端過(guò)渡段，如圖5～6所示。

1.1.3 J型坡口焊接結(jié)構(gòu)

RPV頂蓋封頭上的控制棒驅(qū)動(dòng)管座、下封頭上的中子測(cè)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(shù)量多，也是一種承壓焊縫。

圖3主殼體焊縫焊接結(jié)構(gòu)示意圖

圖4窄間隙坡口結(jié)構(gòu)示意圖

圖5接管安全端異種金屬焊接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖

圖7 J型坡口焊接結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.4 RPV殼體與接管內(nèi)壁不銹鋼堆焊

RPV頂蓋封頭、筒體、接管等部件內(nèi)部需要大面積堆焊超低碳不銹鋼，過(guò)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(fā)生器(SG)關(guān)鍵焊接結(jié)構(gòu)

SG是連接核電站一回路與二回路的設(shè)備，如圖8所示。一回路中的介質(zhì)是帶有放射性的硼酸水冷卻劑，二回路中的介質(zhì)是產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功的不帶放射性的除氧水。

SG設(shè)備由殼程和管程兩大部分構(gòu)成。殼程的材質(zhì)是錳鎳鉬低合金鋼鍛件或板材，多數(shù)為厚度大于100 mm的厚壁部件。殼體的縱、環(huán)焊縫為全焊透的對(duì)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(nèi)徑19 mm，壁厚1.09 mm的INCONEL690合金管，形成了近9 000個(gè)管子-管板焊縫接頭。管子-管板焊縫的焊接是SG制造的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如圖9所示。

圖8 SG結(jié)構(gòu)示意圖

圖9管子-管板密封焊縫示意圖

1.3穩(wěn)壓器(PZR)關(guān)鍵焊接結(jié)構(gòu)

PZR是調(diào)節(jié)一回路工作壓力的重要設(shè)備，由上、下兩個(gè)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(huán)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(guān)鍵的焊接結(jié)構(gòu)還有電加熱器與連接套管焊縫。這類焊縫位于承壓邊界，數(shù)量多，質(zhì)量要求高，需采用專用的焊接設(shè)備才能完成，如圖10～11所示。

1.4主管道(MCL)關(guān)鍵焊接結(jié)構(gòu)

MCL是連接反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵的關(guān)鍵部件，如圖12所示。主管道的材質(zhì)是奧氏體不銹鋼鑄件或鍛件，內(nèi)徑不小于700 mm，壁厚一般為70 mm以上。MCL的冷段、熱段和過(guò)渡段在制造廠需要先預(yù)制焊接成如下型式，到現(xiàn)場(chǎng)后再與幾大主設(shè)備組焊到一起。主管之間采用全焊透對(duì)接焊縫連接在一起，坡口形式如圖13所示。

圖10 PZR結(jié)構(gòu)示意圖

圖11電加熱套管與連接件焊縫示意圖

圖12 MCL結(jié)構(gòu)示意圖

圖13 MCL焊縫示意圖

1.5控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵焊接結(jié)構(gòu)

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(簡(jiǎn)稱CRDM)是反應(yīng)堆控制和保護(hù)系統(tǒng)極為重要的伺服機(jī)構(gòu)，它所驅(qū)動(dòng)的控制棒組件是調(diào)節(jié)快速反應(yīng)性變化的重要部件，具有實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆啟動(dòng)、提升功率、保持功率、負(fù)荷跟蹤、正常停堆和緊急事故停堆的安全功能，是核反應(yīng)堆關(guān)鍵的設(shè)備之一。

CRDM的關(guān)鍵焊接結(jié)構(gòu)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(guān)鍵焊接結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量要求

2.1壓力容器低合金鋼主焊縫

反應(yīng)堆壓力容器長(zhǎng)期在高溫高壓下工作，并承受強(qiáng)烈的中子輻照，所以焊縫金屬有嚴(yán)重的脆化傾向，通常表現(xiàn)為沖擊韌性的顯著降低和脆性轉(zhuǎn)變溫度的明顯升高。為了保證焊接接頭在整個(gè)壽命周期內(nèi)不產(chǎn)生脆性破壞，強(qiáng)輻照區(qū)焊縫在設(shè)計(jì)要求上規(guī)定了合適的強(qiáng)度指標(biāo)、足夠的韌性儲(chǔ)備，并對(duì)熔敷金屬中對(duì)輻照脆化敏感的合金元素進(jìn)行嚴(yán)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(nèi)具有良好的焊接工藝性能。

2.2主設(shè)備安全端異種鋼金屬焊縫

RPV，SG，PZR設(shè)備中都有安全端異種鋼焊縫結(jié)構(gòu)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(gòu)成的全焊透對(duì)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(shí)踐中，異種鋼接頭也是設(shè)備中容易產(chǎn)生失效的部位。對(duì)異種鋼焊接接頭，力學(xué)性能指標(biāo)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(guò)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(shè)備制造的最關(guān)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(duì)焊縫質(zhì)量的要求很高。該焊縫數(shù)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(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，該焊縫容易泄漏，從而導(dǎo)致一回路含放射性的冷卻劑介質(zhì)進(jìn)入到二回路。在設(shè)計(jì)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(nèi)部應(yīng)該具有良好的致密性，不能存在超標(biāo)氣孔、夾渣，不允許存在裂紋和未熔合。

2.4穩(wěn)壓器電加熱器元件焊縫

穩(wěn)壓器電加熱器與電加熱器套管采用I型坡口，全焊透對(duì)接結(jié)構(gòu)型式焊接。該接頭數(shù)量較多，并且是承壓焊縫。該接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只能從單面進(jìn)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(zhì)量要求高，所以焊接難度很大，一般需要采用專用的焊接設(shè)備進(jìn)行焊接。在設(shè)計(jì)上，該接頭要滿足規(guī)定的力學(xué)性能要求，并且焊后焊縫表面應(yīng)具有良好的成形，焊縫內(nèi)部不能有裂紋、未熔合，氣孔、夾渣的尺寸也有嚴(yán)格的限制。

2.5 主管道預(yù)制焊縫

核電站主管道預(yù)制焊縫主要有兩類，一種是彎頭與管道之間的對(duì)接環(huán)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(zhì)，管道厚度較大，接頭的焊接工作量很大。主管道預(yù)制件焊接接頭焊接時(shí)在焊接材料選擇、焊接工藝控制方面具有嚴(yán)格的控制要求，其目的是為了得到力學(xué)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(nèi)。

2.6控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)“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(jìn)行焊接，下部焊縫則在CRDM安裝階段進(jìn)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(huán)。由于該類焊縫形狀復(fù)雜，被焊部位較薄，只能采用單面焊雙面成形的工藝方法實(shí)現(xiàn)焊縫的全焊透。在工作狀態(tài)下，焊縫承受疲勞載荷，因此焊縫的內(nèi)外表面必須連續(xù)、光滑，焊縫內(nèi)部需要有良好的致密性。只有保證焊縫具有良好的焊接質(zhì)量，才能減少該類焊縫接頭在使用過(guò)程中的泄漏幾率。

3國(guó)產(chǎn)核島主設(shè)備焊接技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

3.1典型焊接結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)綜述

核島主設(shè)備的焊接結(jié)構(gòu)可分為兩大類。一類是全焊透對(duì)接接頭、殼體或接管內(nèi)壁大面積堆焊為主的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式。在這類結(jié)構(gòu)中由于被焊材料不同，因此不同設(shè)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(nèi)壁堆焊焊縫，主管道奧氏體不銹鋼全焊透對(duì)接焊縫。另一類是結(jié)構(gòu)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(duì)接焊縫的焊接主要采用窄間隙埋弧焊技術(shù)。窄間隙埋弧焊在國(guó)內(nèi)主要核島主設(shè)備制造企業(yè)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，如圖15所示。在焊接中厚壁縱、環(huán)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(yōu)點(diǎn)。大型接管與殼體的焊接，主要采用馬鞍形埋弧焊方法，也實(shí)現(xiàn)了機(jī)械焊的目標(biāo)，解決了焊條電弧焊勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、焊接接頭質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題。殼體內(nèi)壁、大接管內(nèi)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(nèi)壁堆焊則使用專用的內(nèi)壁堆焊設(shè)備實(shí)現(xiàn)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(nèi)壁以及接管內(nèi)壁堆焊示意圖

國(guó)內(nèi)核電主設(shè)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(jī)、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(shè)備以及小口徑接管內(nèi)壁堆焊專用設(shè)備。這些設(shè)備既有國(guó)外的進(jìn)口設(shè)備，也有國(guó)產(chǎn)設(shè)備。無(wú)論是進(jìn)口設(shè)備還是國(guó)產(chǎn)設(shè)備，使用情況都比較好。國(guó)內(nèi)主要核電設(shè)備制造廠的焊接裝備技術(shù)水平與國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家同類行業(yè)相當(dāng)，基本處于世界先進(jìn)水平。

盡管核電設(shè)備主要焊接結(jié)構(gòu)的制造實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動(dòng)化焊接，但傳統(tǒng)手工焊方法仍然發(fā)揮著重要的作用。與機(jī)械焊或自動(dòng)焊相比，由于手工焊設(shè)備具有簡(jiǎn)單、輕便、靈活等特點(diǎn)，能較好地適應(yīng)各種復(fù)雜位置和結(jié)構(gòu)的焊接，所以手工焊方法還不能完全被機(jī)械焊或自動(dòng)焊方法所取代。核島主設(shè)備很多焊接結(jié)構(gòu)仍然采用手工焊，如MCL焊縫預(yù)制、PZR接管的焊接、RPV焊縫打底焊、CRDM的“CANOPY”和“Ω”的焊接、堆內(nèi)構(gòu)件的角焊縫、設(shè)備內(nèi)壁不規(guī)則部位的堆焊以及設(shè)備支承結(jié)構(gòu)的焊接等。手工焊在主設(shè)備的應(yīng)用主要包括焊條電弧焊、鎢極惰性氣體保護(hù)焊、熔化極氣體保護(hù)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(zhì)量，所以國(guó)內(nèi)核安全設(shè)備焊工培訓(xùn)和考核的規(guī)定較為嚴(yán)格。核安全監(jiān)管當(dāng)局頒布了核級(jí)焊工的管理?xiàng)l例，對(duì)控制核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的焊接質(zhì)量起到了重要作用。國(guó)內(nèi)主要核電設(shè)備制造企業(yè)核電焊工的培訓(xùn)水平比較高，考核管理控制嚴(yán)格，核級(jí)焊工整體素質(zhì)比較好。

對(duì)于第二類比較特殊結(jié)構(gòu)的焊縫，基本上采用專用的焊接設(shè)備和工裝輔具進(jìn)行焊接。少數(shù)可以采用手工焊的結(jié)構(gòu)，對(duì)焊工的操作技能要求也非常高，需經(jīng)過(guò)特殊的訓(xùn)練和培訓(xùn)才能焊出質(zhì)量合格的焊縫。例如，SG管子-管板焊縫，國(guó)內(nèi)外均采用專用的管子-管板焊機(jī)進(jìn)行焊接。SG的管子-管板焊縫接頭一般被設(shè)計(jì)成管端與管板齊平式結(jié)構(gòu)形式，采用鎢極惰性氣體不填絲焊接。雖然國(guó)內(nèi)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(gè)制造商根據(jù)大量的焊接工藝試驗(yàn)確定的焊接參數(shù)最終都焊出了合格滿意的產(chǎn)品。在這一焊接技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)外的焊接技術(shù)水平是相當(dāng)?shù)摹ZR的電加熱器與電加熱器套管連接焊縫，國(guó)內(nèi)外都采用經(jīng)過(guò)改造的管管對(duì)接焊設(shè)備和輔助裝卡工裝來(lái)完成。為了保證不銹鋼小管徑接頭的焊接質(zhì)量，I型坡口自熔焊時(shí)，需要使用增加熔敷金屬鐵素體含量的可熔化嵌環(huán)，這種焊接工藝方案的設(shè)計(jì)借鑒了國(guó)外同類結(jié)構(gòu)的焊接經(jīng)驗(yàn)。RPV的J型坡口焊縫，國(guó)內(nèi)外目前依然采用手工焊的方法。多數(shù)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(jié)合。這種焊接接頭焊接難點(diǎn)在于鎳基焊接材料的質(zhì)量控制。鎳基合金焊縫經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量缺陷是產(chǎn)品生產(chǎn)中需要重點(diǎn)關(guān)注和解決的問(wèn)題，盡管國(guó)內(nèi)核島主設(shè)備的鎳基合金焊接普遍采用進(jìn)口焊接材料，但上述問(wèn)題依然無(wú)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(jié)構(gòu)。在設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)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(shè)備焊接。焊接方法為鎢極惰性氣體保護(hù)自熔焊，焊接接頭中事先嵌入可熔化Y型環(huán)。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(shù)采用填絲手工鎢極惰性氣體保護(hù)焊?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)的廠家也開(kāi)始研究采用機(jī)械焊的焊接技術(shù)。

3.2國(guó)內(nèi)核島主設(shè)備焊接技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

國(guó)內(nèi)核島主設(shè)備的焊接能力和技術(shù)水平隨著核電技術(shù)的引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新，總體來(lái)說(shuō)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)外核電發(fā)展高峰期所采用的技術(shù)能力和水平。但隨著焊接技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，核島主設(shè)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(jìn)和發(fā)展的空間。對(duì)于國(guó)產(chǎn)核島主設(shè)備的焊接，可以在以下方面開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作，推動(dòng)中國(guó)核島主設(shè)備國(guó)產(chǎn)化制造的焊接技術(shù)水平再上一個(gè)新臺(tái)階。

3.2.1推動(dòng)核電焊接材料的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)和應(yīng)用

目前核島主設(shè)備使用的鍛件材料基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但核1級(jí)設(shè)備焊接所需的焊接材料仍然以進(jìn)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(duì)質(zhì)量要求很高，有些焊接材料在性能上還有一些特殊要求。國(guó)內(nèi)一些科研及焊接材料制造企業(yè)已經(jīng)在核電焊材國(guó)產(chǎn)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(yīng)用到核電設(shè)備制造的工程實(shí)踐中還需多方共同努力。通過(guò)核電焊接材料國(guó)產(chǎn)化帶動(dòng)核電設(shè)備焊接技術(shù)的進(jìn)步，也是國(guó)內(nèi)各相關(guān)單位需要共同努力才能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。3.2.2進(jìn)一步提高核電設(shè)備焊接的機(jī)械化或自動(dòng)化水平

盡管核島主設(shè)備很多規(guī)則的焊縫上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化或自動(dòng)化焊接，但是仍有一些焊接結(jié)構(gòu)還有改進(jìn)的空間。例如，主管道對(duì)接焊縫在安裝現(xiàn)場(chǎng)以前采用的是藥皮焊條電弧焊技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了主管道自動(dòng)焊技術(shù)，不僅提高了生產(chǎn)效率，還大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，焊接接頭的性能和質(zhì)量都有了明顯的提升，如圖17所示。但是在工廠的預(yù)制階段，仍有一些單位采用手工焊方法。實(shí)踐已經(jīng)證明主管道環(huán)縫采用機(jī)械焊或自動(dòng)焊是可行的，下一步采用機(jī)械焊或自動(dòng)焊就是必然發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)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(jī)械焊或自動(dòng)焊的焊接難度比較大。即便是采用焊接機(jī)器人，由于焊接過(guò)程中每個(gè)接頭的焊接變形不完全一致，會(huì)給焊接軌跡跟蹤帶來(lái)一定困難，因此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊難度很大。這也是J型坡口焊縫的焊接多年來(lái)一直采用手工焊的原因。隨著焊接機(jī)器人制造技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)也有廠家嘗試采用焊接機(jī)器人焊接J型坡口焊縫。

圖17主管道窄間隙自動(dòng)TIG焊示意圖

3.2.3采用激光焊等先進(jìn)焊接方法，進(jìn)一步提高焊接接頭質(zhì)量，優(yōu)化部件焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著激光焊技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，核電上一些對(duì)尺寸精度要求高的不銹鋼材料部件開(kāi)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(yīng)力低的優(yōu)點(diǎn)，從而也帶動(dòng)了一些核電部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，安全性和可靠性的進(jìn)一步提高。例如，核電設(shè)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(jié)構(gòu)，為了防止螺栓在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中松動(dòng)、脫落，需要對(duì)每個(gè)螺栓進(jìn)行點(diǎn)焊固定。由于采用激光焊技術(shù)，該組件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，圍板和輔板之間采用了全焊接連接結(jié)構(gòu)，如圖18所示。

圖18堆芯圍板示意圖

另一類是屬于核島主設(shè)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(tǒng)的焊接方法是氧乙炔焊，由于設(shè)計(jì)上對(duì)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(biāo)缺陷，因此對(duì)氧乙炔堆焊操作工技能要求很高。如果采用激光機(jī)械或自動(dòng)熔敷堆焊技術(shù)，選擇合適的堆焊材料和工藝，可以有效地改善堆焊質(zhì)量和效率。目前一些單位已經(jīng)開(kāi)展了這方面的研究和試驗(yàn)，將會(huì)推動(dòng)核電部件耐磨堆焊技術(shù)水平和能力的提升。

激光焊在核電設(shè)備上另一個(gè)潛在的應(yīng)用部件是焊接堆芯吊蘭筒體與支撐板之間的全焊透對(duì)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(hù)焊方法方法焊接。從目前實(shí)際產(chǎn)品的焊接結(jié)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(jì)會(huì)有很大的改善。目前超窄間隙激光填絲焊方法還處在試驗(yàn)研究階段，這種技術(shù)對(duì)上述部件的焊縫結(jié)構(gòu)具有很好的應(yīng)用前景。

圖19 CRDM鉤爪部件表面硬化層示意圖

4結(jié) 論

經(jīng)過(guò)引進(jìn)、消化和吸收，中國(guó)企業(yè)的核電設(shè)備制造能力有了長(zhǎng)足的進(jìn)步和提高。目前，中國(guó)核電建設(shè)已進(jìn)入自主創(chuàng)新階段，隨著焊接技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)企業(yè)有必要在核電焊接材料國(guó)產(chǎn)化研制和推廣、專用焊接設(shè)備研制、焊接新工藝的應(yīng)用等方面進(jìn)一步加大工作力度，爭(zhēng)取在近期有所突破。

邱振生，中廣核工程有限公司設(shè)計(jì)院核島設(shè)備所副總工程師，研究員級(jí)高工，全國(guó)焊接標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員，國(guó)家能源行業(yè)核電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員，國(guó)際焊接工程師，注冊(cè)設(shè)備監(jiān)理師，中國(guó)焊接協(xié)會(huì)理事，從事核電及火電設(shè)備焊接工作30余年，在核心期刊發(fā)表論文20余篇，取得發(fā)明專利10余項(xiàng)，獲省部級(jí)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)10余項(xiàng)。參加了陽(yáng)江核電站、寧德核電站、防城港核電站等核電項(xiàng)目核島主設(shè)備的設(shè)計(jì)及重大質(zhì)量技術(shù)問(wèn)題的處理。

TG444

2016-10-12