AP1000汽水分離再熱器中一、二級再熱器管板的鎳基合金堆焊

馮勱，楊云麗

哈電集團（秦皇島）重型裝備有限公司 河北秦皇島 066206

1 序言

汽水分離再熱器是壓水堆核電廠蒸汽和動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（又稱二回路）中最關(guān)鍵的一體化大型設(shè)備，它位于高、低壓缸之間，目的是使進入低壓缸的蒸汽具有一定過熱度，從而使低壓缸排汽濕度達到可接受水平。為進一步提高經(jīng)濟性，目前設(shè)計的核汽輪機組一般采用兩級再熱[1]。因此，一、二級再熱器是汽水分離再熱器中重要而關(guān)鍵的部件。

一、二級再熱器屬于換熱器的一種，制造過程與其他形式的換熱器類似，管板鉆孔后進行穿管，然后與換熱管焊接。管板材質(zhì)為低合金鋼，換熱管材質(zhì)為鐵素體不銹鋼。為了提高耐腐蝕性，且便于與換熱管的焊接，需要在管板表面堆焊鎳基合金。國內(nèi)首臺AP1000核電機組MSR在管板堆焊的設(shè)計上存在一定的特殊性，為該再熱器管板的鎳基堆焊帶來了一定的難度。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

AP1000 MSR一級再熱器管板材質(zhì)為SA-266 Gr.2，厚度為255mm。外形為“跑道形”非回轉(zhuǎn)體，中部為矩形，尺寸為1000mm×1100mm；兩側(cè)為兩個半圓形，半徑為550mm。管板直邊段高100mm，厚度為32mm。管板中部矩形堆焊區(qū)域的外圍有一圈凹槽，凹槽寬度為22mm，深度為2mm，凹槽中填充金屬為Inconel 600鎳基合金，需要在管板中部大面積堆焊前將其堆滿，如圖1區(qū)域2。中部矩形堆焊區(qū)域的尺寸為1250mm×900mm，堆焊材質(zhì)為Inconel 600鎳基合金，厚度為（6+1）mm，如圖1區(qū)域3。此外，管板兩側(cè)拐角有兩處碳鋼堆焊區(qū)域，堆焊層厚度6mm，如圖1區(qū)域1。

二級再熱器管板與一級再熱器管板結(jié)構(gòu)不同，管板厚度為245mm；外形為圓形，直徑為1720mm；管板直邊段厚度為60mm；管板中部堆焊區(qū)域為圓形，直徑為1430mm；中部堆焊區(qū)域周圍的凹槽軌跡也為圓形。一、二級再熱器管板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 再熱器管板堆焊示意

圖2 再熱器管板堆焊層結(jié)構(gòu)

2.2 凹槽的作用

防止最外側(cè)堆焊金屬焊后與母材產(chǎn)生剝離現(xiàn)象。

3 技術(shù)難點分析

綜合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征，再熱器管板堆焊的技術(shù)難點如下：

1）再熱器管板大面積堆焊Inconel 600鎳基合金，需要選擇焊接質(zhì)量穩(wěn)定、可靠且高效的焊接方法。

2）由于再熱器管板的特殊結(jié)構(gòu)，控制焊接過程中堆焊層邊緣的位置，成為堆焊過程控制的關(guān)鍵。

3）再熱器管板的厚度較薄，并且預(yù)熱、大面積帶極堆焊以及焊后熱處理等過程將導(dǎo)致管板積聚大量熱量，因此必須采取工藝措施，防止管板中心產(chǎn)生凹陷變形。

4 技術(shù)控制措施

4.1 焊接方法的選擇

根據(jù)一、二級再熱器管板的堆焊結(jié)構(gòu)特點，大面積Inconel 600鎳基合金堆焊選用熔深淺且均勻、稀釋率低、焊道成形好、熔敷效率高，且在我公司成熟應(yīng)用的帶極電渣堆焊（ESW），凹槽的堆焊以及局部補焊則采用焊接過程更為清潔的手工氬弧焊（M-GTAW）。

4.2 焊接材料的選擇

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點及選定的焊接方法，該管板大面積堆焊的焊接材料采用EQNiCr-3焊帶及電渣堆焊焊劑，凹槽堆焊及局部補焊采用ERNiCr-3氬弧焊絲。

4.3 一級、二級再熱器管板堆焊過程的控制

為了發(fā)揮凹槽的作用，并保證在堆焊后能夠機械加工出帶極堆焊區(qū)域邊緣的圓角，又能夠最大限度的減少手工氬弧焊補焊的工作量，因此需要控制帶極堆焊區(qū)域的邊緣位于凹槽中心線以外一半寬度（11mm）的范圍內(nèi)。帶極電渣堆焊使用的焊帶規(guī)格為60mm×0.5mm，需根據(jù)一、二級再熱器管板堆焊區(qū)域的形狀特點分別采取工藝措施，才能達到上述要求。

（1）一級再熱器管板 ① 模擬產(chǎn)品焊接的實際狀態(tài)，摸索帶極電渣堆焊的起止位置和焊道寬度。②使用劃針劃起止位置輔助線。③對焊道的排布進行預(yù)排，焊工在堆焊過程中將實際情況與焊道預(yù)排位置進行對比，如有偏差，及時根據(jù)對比情況對下道的壓道量進行微調(diào)。首層堆焊時確保左右兩側(cè)焊道的外邊緣落在指定的區(qū)域內(nèi)；第二層堆焊時確保左右兩側(cè)焊道的外邊緣最大限度的覆蓋首層堆焊層。④焊后對焊道起弧和收弧處進行打磨，必要時使用M-GTAW進行補焊，以保證后續(xù)工序的順利進行。

（2）二級再熱器管板 ①根據(jù)焊道寬度、壓道量等數(shù)據(jù)，從外向內(nèi)推算后分別確定中心圓兩層堆焊層的堆焊尺寸和機械加工尺寸。②中心圓堆焊后加工時將起弧和收弧位置全部去除，保證堆焊層質(zhì)量。③對環(huán)向焊道的排布進行預(yù)排，焊工在環(huán)向堆焊過程中將實際情況與焊道預(yù)排位置進行對比，如有偏差，及時根據(jù)對比情況對下圈焊道的壓道量進行微調(diào)。第一層堆焊時確保最外圈焊道的外邊緣落在指定的區(qū)域內(nèi)；第二層堆焊時確保最外圈焊道的外邊緣最大限度的覆蓋第一層堆焊層。④焊后對環(huán)向焊道起弧和收弧處進行打磨，必要時使用手工氬弧焊進行補焊，以保證后續(xù)工序的順利進行。

4.4 防變形措施

1）將每臺MSR的兩塊一、二級再熱器管板分別背靠背進行剛性固定，焊接過程中兩塊管板交替進行堆焊。正面管板堆焊完一層后翻身，然后在背面管板上再堆焊一層，以此類推。

2）一級再熱器管板和二級再熱器管板中心圓部分的直條堆焊采取從中間向兩側(cè)堆焊的焊接順序，且兩層的焊接方向相互垂直。

3）兩塊背靠背的管板堆焊完成后，先不去除剛性固定，入爐進行消除應(yīng)力熱處理，以防止剛性固定拆除后由于內(nèi)應(yīng)力作用產(chǎn)生的變形。

5 應(yīng)用情況

我公司近期生產(chǎn)的4臺AP1000 MSR，共計8塊一級再熱器管板和8塊二級再熱器管板，堆焊后的焊接質(zhì)量和焊接變形程度均能滿足圖樣要求，得到了用戶、第三方監(jiān)造以及設(shè)計方的一致認可。

6 結(jié)束語

通過采取一系列有效的工藝措施，AP1000 MSR一、二級再熱器管板堆焊質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸完全滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)了AP1000 MSR的自主化制造，對加快我國AP1000三代核電技術(shù)的消化吸收，促進國內(nèi)外同行業(yè)進步，提高我國核電常規(guī)島產(chǎn)品制造的國際競爭力有重要意義。