国产核岛主设备焊接技术现状及发展趋势分析

邱振生 柳 猛 匡艳军方乃文

中 广 核 工 程 有 限 公 司(深圳市 518172)机械科学研究院哈尔滨焊接研究所(150028)

国产核岛主设备焊接技术现状及发展趋势分析

邱振生 柳 猛 匡艳军
方乃文

中 广 核 工 程 有 限 公 司(深圳市 518172)
机械科学研究院哈尔滨焊接研究所(150028)

核岛主设备是压水堆核电站的核心设备，长期在高温、高压、含腐蚀性介质和中子辐照环境下工作，其所构成的环路是包容反应堆冷却剂介质，防止放射性物质泄漏的第二道安全屏障，而设备制造过程中的关键焊缝的焊接质量更是与核电站的安全密切相关。介绍了国内在役、在建压水堆核电站核岛主设备关键的焊接结构特点、焊接接头的质量要求及工艺特点，并分析了设备国产化制造过程中焊接技术的现状及未来的发展趋势。

核电站 核岛主设备 焊接技术 发展趋势

0序 言

核岛主设备是压水堆核电站的核心设备，这些设备构成的环路是包容反应堆冷却剂介质，防止放射性物质泄漏的第二道安全屏障。核岛主设备与核电站的核安全性密切相关，其焊接结构的质量对整个核电站的安全有着重要的影响。文中介绍了国产核岛主设备的结构特点、焊接接头的质量要求、设备国产化制造焊接技术现状及未来的发展趋势。

1核岛主设备关键焊接结构

核岛主设备主要包括：反应堆压力容器(以下简称RPV)、蒸汽发生器(以下简称SG)、稳压器(以下简称PZR)、主泵(以下简称RCP)和主管道(以下简称MCL)，如图1所示。

1.1反应堆压力容器(RPV)关键焊接结构

RPV主要作用是固定和包容堆芯和堆内构件，使核燃料的裂变反应限制在一个密封的空间内进行。RPV是在高温、高压、中子强辐照工况下运行的焊接结构压力容器，设计寿命40～60年。在役运行后，该设备无法更换，因此对该设备的设计建造质量要求极其严格。压水堆核电站的RPV由筒体和顶盖两部分组成，材料为锰镍钼低合金钢锻件。内径近4 000 mm，筒体壁厚达到了200 mm以上，壳体上只有环焊缝，没有纵焊缝。与冷却剂接触的内表面堆焊超低碳奥氏体不锈钢，如图2所示。

图1核岛主设备示意图

图2 RPV结构示意图

1.1.1 主壳体环焊缝、接管与壳体焊缝

主壳体环焊缝是全焊透的对接接头型式，常用的结构型式如图3～4所示。接管与主壳体的连接多数采用插入式、全焊透的焊接接头型式。随着大型锻件制造能力的提升，在筒身锻件上直接锻造出短管接头，接管与筒身的连接方式可以采用全焊透、环缝对接接头形式。

1.1.2接管安全端异种钢金属焊接结构

接管的材质是低合金钢锻件，内径大于700 mm，壁厚大于70 mm，内壁堆焊超低碳奥氏体不锈钢，与之连接的是奥氏体不锈钢接管。为了解决异种钢接头现场焊接的难题，设备制造商在厂里焊接一个安全端过渡段，如图5～6所示。

1.1.3 J型坡口焊接结构

RPV顶盖封头上的控制棒驱动管座、下封头上的中子测量管等接管与封头焊缝，采用的是局部焊透的J型坡口焊缝，如图7所示。该焊缝数量多，也是一种承压焊缝。

图3主壳体焊缝焊接结构示意图

图4窄间隙坡口结构示意图

图5接管安全端异种金属焊接结构示意图

图6异种金属焊缝坡口示意图

(a)封头中心“J型”坡口焊接结构示意图

图7 J型坡口焊接结构示意图

1.1.4 RPV壳体与接管内壁不锈钢堆焊

RPV顶盖封头、筒体、接管等部件内部需要大面积堆焊超低碳不锈钢，过渡层采用309L系列焊接材料，耐蚀层采用308L系列焊接材料。不锈钢堆焊层的厚度一般不低于5 mm。

1.2 蒸汽发生器(SG)关键焊接结构

SG是连接核电站一回路与二回路的设备，如图8所示。一回路中的介质是带有放射性的硼酸水冷却剂，二回路中的介质是产生蒸汽驱动汽轮机做功的不带放射性的除氧水。

SG设备由壳程和管程两大部分构成。壳程的材质是锰镍钼低合金钢锻件或板材，多数为厚度大于100 mm的厚壁部件。壳体的纵、环焊缝为全焊透的对接焊缝，基本采用与图3类似的窄间隙坡口型式。管程的管板为厚度大于500 mm的锰镍钼低合金钢圆形锻件，表面堆焊INCONEL600或INCONEL690合金，换热管是内径19 mm，壁厚1.09 mm的INCONEL690合金管，形成了近9 000个管子-管板焊缝接头。管子-管板焊缝的焊接是SG制造的重点和难点，如图9所示。

图8 SG结构示意图

图9管子-管板密封焊缝示意图

1.3稳压器(PZR)关键焊接结构

PZR是调节一回路工作压力的重要设备，由上、下两个封头和筒体焊接而成。封头和筒体为厚壁锰镍钼低合金钢锻件或板材，壳体的纵、环缝采用与图3类似的窄间隙坡口。除了壳体主焊缝，PZR上比较关键的焊接结构还有电加热器与连接套管焊缝。这类焊缝位于承压边界，数量多，质量要求高，需采用专用的焊接设备才能完成，如图10～11所示。

1.4主管道(MCL)关键焊接结构

MCL是连接反应堆压力容器、蒸汽发生器、主泵的关键部件，如图12所示。主管道的材质是奥氏体不锈钢铸件或锻件，内径不小于700 mm，壁厚一般为70 mm以上。MCL的冷段、热段和过渡段在制造厂需要先预制焊接成如下型式，到现场后再与几大主设备组焊到一起。主管之间采用全焊透对接焊缝连接在一起，坡口形式如图13所示。

图10 PZR结构示意图

图11电加热套管与连接件焊缝示意图

图12 MCL结构示意图

图13 MCL焊缝示意图

1.5控制棒驱动机构关键焊接结构

控制棒驱动机构(简称CRDM)是反应堆控制和保护系统极为重要的伺服机构，它所驱动的控制棒组件是调节快速反应性变化的重要部件，具有实现反应堆启动、提升功率、保持功率、负荷跟踪、正常停堆和紧急事故停堆的安全功能，是核反应堆关键的设备之一。

CRDM的关键焊接结构是中部的“Ω”焊缝以及上部和下部的“CANOPY”焊缝，如图14所示。

图14 CRDM焊缝示意图

2几种典型关键焊接结构的焊接质量要求

2.1压力容器低合金钢主焊缝

反应堆压力容器长期在高温高压下工作，并承受强烈的中子辐照，所以焊缝金属有严重的脆化倾向，通常表现为冲击韧性的显著降低和脆性转变温度的明显升高。为了保证焊接接头在整个寿命周期内不产生脆性破坏，强辐照区焊缝在设计要求上规定了合适的强度指标、足够的韧性储备，并对熔敷金属中对辐照脆化敏感的合金元素进行严格限制。

目前RPV主焊缝焊接一般采用埋弧焊，根部封底则大多采用焊条电弧焊。埋弧焊采用Mn-Ni-Mo焊丝，熔敷金属成分与母材(16MND5，SA-508 Gr.3 Cl.1)相匹配，焊剂一般采用碱性低氢型焊剂。埋弧焊丝和焊剂只有在正确的匹配下才能获得满意的性能，而且由于焊接坡口较深，所以要求焊剂在较窄的坡口内具有良好的焊接工艺性能。

2.2主设备安全端异种钢金属焊缝

RPV，SG，PZR设备中都有安全端异种钢焊缝结构型式。异种钢安全端焊缝是由Mn-Mo-Ni低合金钢和奥氏体不锈钢材料构成的全焊透对接接头，由于两种材料的物理性能差别较大，因此异种钢接头的焊接难度很大。在工程实践中，异种钢接头也是设备中容易产生失效的部位。对异种钢焊接接头，力学性能指标不仅要与两端的母材金属相匹配，接头还要具有较好的耐腐蚀性能和抗疲劳性能。在焊接过程中还要保证焊缝金属具有较好的致密性，把气孔、夹渣控制在较低水平，并不允许存在裂纹、未熔合等缺陷。

2.3管子-管板焊缝

管子-管板焊缝的焊接是SG设备制造的最关键工序之一。由于管子-管板焊缝是一回路和二回路的承压边界，所以对焊缝质量的要求很高。该焊缝数量多，并且有效焊缝厚度(焊喉尺寸或最小泄漏通径)较小，在SG长期运行过程中，该焊缝容易泄漏，从而导致一回路含放射性的冷却剂介质进入到二回路。在设计上，要求管子-管板焊缝具有良好的焊缝成形，光滑的焊缝表面，不低于0.66e(e为换热管壁厚，一般为1.09 mm)的有效焊缝厚度。焊缝表面液体渗透检查不能有任何显示，焊缝内部应该具有良好的致密性，不能存在超标气孔、夹渣，不允许存在裂纹和未熔合。

2.4稳压器电加热器元件焊缝

稳压器电加热器与电加热器套管采用I型坡口，全焊透对接结构型式焊接。该接头数量较多，并且是承压焊缝。该接头结构复杂，只能从单面进行焊接，需要单面焊双面成型。由于电加热器套管壁较薄，焊接质量要求高，所以焊接难度很大，一般需要采用专用的焊接设备进行焊接。在设计上，该接头要满足规定的力学性能要求，并且焊后焊缝表面应具有良好的成形，焊缝内部不能有裂纹、未熔合，气孔、夹渣的尺寸也有严格的限制。

2.5 主管道预制焊缝

核电站主管道预制焊缝主要有两类，一种是弯头与管道之间的对接环焊缝，一种是斜接管或小管接头与主管道相连的焊缝。这两种焊缝都是全焊透焊缝。主管道是奥氏体不锈钢材质，管道厚度较大，接头的焊接工作量很大。主管道预制件焊接接头焊接时在焊接材料选择、焊接工艺控制方面具有严格的控制要求，其目的是为了得到力学性能和致密性好的焊接接头，并且使焊接变形控制在合理的范围内。

2.6控制棒驱动机构“CANOPY”，“Ω”焊缝

“CANOPY”，“Ω”焊缝分布在CRDM的上部、中部和下部，上部和下部为“CANOPY”焊缝，中部为“Ω”焊缝。上部和中部焊缝均在CRDM制造阶段进行焊接，下部焊缝则在CRDM安装阶段进行焊接。CRDM的材料均为奥氏体不锈钢材料，焊接材料选用ER308L不锈钢焊丝或ER308L型Y型熔化填充环。由于该类焊缝形状复杂，被焊部位较薄，只能采用单面焊双面成形的工艺方法实现焊缝的全焊透。在工作状态下，焊缝承受疲劳载荷，因此焊缝的内外表面必须连续、光滑，焊缝内部需要有良好的致密性。只有保证焊缝具有良好的焊接质量，才能减少该类焊缝接头在使用过程中的泄漏几率。

3国产核岛主设备焊接技术现状及发展趋势

3.1典型焊接结构焊接技术综述

核岛主设备的焊接结构可分为两大类。一类是全焊透对接接头、壳体或接管内壁大面积堆焊为主的常见结构形式。在这类结构中由于被焊材料不同，因此不同设备或部件的焊接材料选择和焊接工艺控制要求也不同。这类焊缝包括：RPV，SG和PZR锰镍钼低合金钢壳体主焊缝及内壁堆焊焊缝，主管道奥氏体不锈钢全焊透对接焊缝。另一类是结构比较特殊的焊缝，在焊接工艺上一般有着特殊的要求。这类焊缝包括：接管安全端异种钢接头焊缝，RPV的J型坡口焊缝，SG的管子―管板焊缝，PZR的电加热器与电加热器套管焊接焊缝，CRDM的“Ω”、“CANOPY”焊缝。

目前低合金钢厚壁全焊透对接焊缝的焊接主要采用窄间隙埋弧焊技术。窄间隙埋弧焊在国内主要核岛主设备制造企业已经被广泛应用，如图15所示。在焊接中厚壁纵、环缝焊接接头，该方法具有接头熔敷金属少、综合性能好、焊接接头变形小、焊接效率高等诸多优点。大型接管与壳体的焊接，主要采用马鞍形埋弧焊方法，也实现了机械焊的目标，解决了焊条电弧焊劳动强度大、生产效率低、焊接接头质量不稳定的问题。壳体内壁、大接管内壁不锈钢堆焊，管板镍基合金堆焊普遍采用了带极埋弧或电渣堆焊方法；小接管内壁堆焊则使用专用的内壁堆焊设备实现了TIG或MIG堆焊；如图16所示。

图15低合金钢厚壁筒体窄间隙埋弧焊示意图

图16封头、壳体内壁以及接管内壁堆焊示意图

国内核电主设备制造厂普遍装备了4 m×4 m或6 m×8 m窄间隙埋弧焊机、100 t以上的大型焊接变位器、300 t以上的焊接滚轮架、带极堆焊设备以及小口径接管内壁堆焊专用设备。这些设备既有国外的进口设备，也有国产设备。无论是进口设备还是国产设备，使用情况都比较好。国内主要核电设备制造厂的焊接装备技术水平与国外工业发达国家同类行业相当，基本处于世界先进水平。

尽管核电设备主要焊接结构的制造实现了机械化、自动化焊接，但传统手工焊方法仍然发挥着重要的作用。与机械焊或自动焊相比，由于手工焊设备具有简单、轻便、灵活等特点，能较好地适应各种复杂位置和结构的焊接，所以手工焊方法还不能完全被机械焊或自动焊方法所取代。核岛主设备很多焊接结构仍然采用手工焊，如MCL焊缝预制、PZR接管的焊接、RPV焊缝打底焊、CRDM的“CANOPY”和“Ω”的焊接、堆内构件的角焊缝、设备内壁不规则部位的堆焊以及设备支承结构的焊接等。手工焊在主设备的应用主要包括焊条电弧焊、钨极惰性气体保护焊、熔化极气体保护焊、气焊等。

由于手工焊受人为因素影响较大，焊工操作好坏直接决定着最终焊缝的质量，所以国内核安全设备焊工培训和考核的规定较为严格。核安全监管当局颁布了核级焊工的管理条例，对控制核电设备国产化的焊接质量起到了重要作用。国内主要核电设备制造企业核电焊工的培训水平比较高，考核管理控制严格，核级焊工整体素质比较好。

对于第二类比较特殊结构的焊缝，基本上采用专用的焊接设备和工装辅具进行焊接。少数可以采用手工焊的结构，对焊工的操作技能要求也非常高，需经过特殊的训练和培训才能焊出质量合格的焊缝。例如，SG管子-管板焊缝，国内外均采用专用的管子-管板焊机进行焊接。SG的管子-管板焊缝接头一般被设计成管端与管板齐平式结构形式，采用钨极惰性气体不填丝焊接。虽然国内各制造单位采用相同的焊接方法，但在具体的焊接工艺方面却存在很大差异。每个制造商根据大量的焊接工艺试验确定的焊接参数最终都焊出了合格满意的产品。在这一焊接技术方面，国内外的焊接技术水平是相当的。PZR的电加热器与电加热器套管连接焊缝，国内外都采用经过改造的管管对接焊设备和辅助装卡工装来完成。为了保证不锈钢小管径接头的焊接质量，I型坡口自熔焊时，需要使用增加熔敷金属铁素体含量的可熔化嵌环，这种焊接工艺方案的设计借鉴了国外同类结构的焊接经验。RPV的J型坡口焊缝，国内外目前依然采用手工焊的方法。多数采用镍基合金药皮焊条电弧焊，也有采用填镍基合金焊丝的手工钨极氩弧焊，或者是两种工艺方法的结合。这种焊接接头焊接难点在于镍基焊接材料的质量控制。镍基合金焊缝经常出现质量缺陷是产品生产中需要重点关注和解决的问题，尽管国内核岛主设备的镍基合金焊接普遍采用进口焊接材料，但上述问题依然无法彻底解决。CRDM上的“CANOPY”和“Ω”焊缝是螺栓连接密封所采用的典型结构。在设备安装现场的“CANOPY”焊缝，由于该接头处于横焊位置，并且操作空间狭小，所以只能采用专用的设备焊接。焊接方法为钨极惰性气体保护自熔焊，焊接接头中事先嵌入可熔化Y型环。其它这类在工厂焊接的焊缝，由于可以采用平焊位置焊接，操作条件比较好，所以多数采用填丝手工钨极惰性气体保护焊。现在国内的厂家也开始研究采用机械焊的焊接技术。

3.2国内核岛主设备焊接技术发展趋势分析

国内核岛主设备的焊接能力和技术水平随着核电技术的引进、消化、吸收和再创新，总体来说已经达到了国外核电发展高峰期所采用的技术能力和水平。但随着焊接技术的发展和进步，核岛主设备制造所采用的焊接材料、焊接方法和焊接工艺仍有很大改进和发展的空间。对于国产核岛主设备的焊接，可以在以下方面开展进一步的研究工作，推动中国核岛主设备国产化制造的焊接技术水平再上一个新台阶。

3.2.1推动核电焊接材料的国产化研发和应用

目前核岛主设备使用的锻件材料基本实现了国产化，但核1级设备焊接所需的焊接材料仍然以进口为主。核电焊接材料主要有碳钢、低合金钢、不锈钢和镍基合金等四大种类，除此之外还要用到一些钴铬钨合金体系的耐磨材料。核电焊接材料对质量要求很高，有些焊接材料在性能上还有一些特殊要求。国内一些科研及焊接材料制造企业已经在核电焊材国产化方面做了很多工作，取得了一定的成果，但把这些成果完全应用到核电设备制造的工程实践中还需多方共同努力。通过核电焊接材料国产化带动核电设备焊接技术的进步，也是国内各相关单位需要共同努力才能实现的目标。3.2.2进一步提高核电设备焊接的机械化或自动化水平

尽管核岛主设备很多规则的焊缝上已经实现了机械化或自动化焊接，但是仍有一些焊接结构还有改进的空间。例如，主管道对接焊缝在安装现场以前采用的是药皮焊条电弧焊技术，现在已经开发出了主管道自动焊技术，不仅提高了生产效率，还大大降低了工人的劳动强度，焊接接头的性能和质量都有了明显的提升，如图17所示。但是在工厂的预制阶段，仍有一些单位采用手工焊方法。实践已经证明主管道环缝采用机械焊或自动焊是可行的，下一步采用机械焊或自动焊就是必然发展趋势。对于RPV的J型坡口焊缝，由于不同圆周上的J型坡口焊缝形状和尺寸都是在空间上变化的，因此采用机械焊或自动焊的焊接难度比较大。即便是采用焊接机器人，由于焊接过程中每个接头的焊接变形不完全一致，会给焊接轨迹跟踪带来一定困难，因此实现自动焊难度很大。这也是J型坡口焊缝的焊接多年来一直采用手工焊的原因。随着焊接机器人制造技术的进步，国内也有厂家尝试采用焊接机器人焊接J型坡口焊缝。

图17主管道窄间隙自动TIG焊示意图

3.2.3采用激光焊等先进焊接方法，进一步提高焊接接头质量，优化部件焊接结构设计

随着激光焊技术的发展和进步，核电上一些对尺寸精度要求高的不锈钢材料部件开始逐步推广使用激光焊接，这样可以充分利用激光焊能量密度大、焊缝尺寸小、焊接接头变形小、应力低的优点，从而也带动了一些核电部件的结构优化，安全性和可靠性的进一步提高。例如，核电设备中用于支撑和固定核燃料组件的堆芯围板辐板，早期采用螺栓连接结构，为了防止螺栓在设备运行过程中松动、脱落，需要对每个螺栓进行点焊固定。由于采用激光焊技术，该组件进行了优化设计，围板和辅板之间采用了全焊接连接结构，如图18所示。

图18堆芯围板示意图

另一类是属于核岛主设备中异形精密部件的表面硬化层堆焊，例如CRDM钩爪部件，如图19所示。传统的焊接方法是氧乙炔焊，由于设计上对耐磨堆焊层的硬度均匀性要求高，且耐磨工作面不能存在超标缺陷，因此对氧乙炔堆焊操作工技能要求很高。如果采用激光机械或自动熔敷堆焊技术，选择合适的堆焊材料和工艺，可以有效地改善堆焊质量和效率。目前一些单位已经开展了这方面的研究和试验，将会推动核电部件耐磨堆焊技术水平和能力的提升。

激光焊在核电设备上另一个潜在的应用部件是焊接堆芯吊兰筒体与支撑板之间的全焊透对接焊缝。这条焊缝是大直径厚壁不锈钢焊缝，目前采用冷丝钨极惰性气体保护焊方法方法焊接。从目前实际产品的焊接结果看，焊后在径向上有很大的变形。如果采用超窄间隙激光填丝焊接，变形情况估计会有很大的改善。目前超窄间隙激光填丝焊方法还处在试验研究阶段，这种技术对上述部件的焊缝结构具有很好的应用前景。

图19 CRDM钩爪部件表面硬化层示意图

4结 论

经过引进、消化和吸收，中国企业的核电设备制造能力有了长足的进步和提高。目前，中国核电建设已进入自主创新阶段，随着焊接技术的进步，国内企业有必要在核电焊接材料国产化研制和推广、专用焊接设备研制、焊接新工艺的应用等方面进一步加大工作力度，争取在近期有所突破。

邱振生，中广核工程有限公司设计院核岛设备所副总工程师，研究员级高工，全国焊接标准化技术委员会委员，国家能源行业核电标准化技术委员会委员，国际焊接工程师，注册设备监理师，中国焊接协会理事，从事核电及火电设备焊接工作30余年，在核心期刊发表论文20余篇，取得发明专利10余项，获省部级科学技术奖10余项。参加了阳江核电站、宁德核电站、防城港核电站等核电项目核岛主设备的设计及重大质量技术问题的处理。

TG444

2016-10-12