压水堆蒸汽发生器的制造

一、概述

目前，全球已运行和正在兴建的核电厂主要以压水堆核电技术为主流。压水堆核电采用水为冷却剂和慢化剂，通过加压使高温水不沸腾而进行热量的传导。

压水堆核电厂主要由压水反应堆、反应堆冷却剂系统（简称一回路系统）、蒸汽和动力转换系统（简称二回路系统）、循环水系统、发电机和输配电系统及辅助系统组成（见图1）。通常将一回路系统、核电辅助系统、专设安全设施和厂房称其为核岛，二回路及其辅助系统和厂房称为常规岛。

核反应堆冷却剂系统将堆芯核裂变放出的热能带出核反应堆传递给二回路系统以产生蒸汽。反应堆冷却剂系统一般有两至四条并联在反应堆压力容器上的封闭环路，每条环路由一台蒸汽发生器、一台或二台反应堆冷却剂泵和管路组成。蒸汽发生器在核电站一回路中的功能是将反应堆内载热剂的热量传递到二回路，使二回路侧介质产生一定压力的蒸汽经一、二级汽水分离器干燥后供汽轮机工作。蒸汽发生器的一回路侧与反应堆压力容器相连，其载热剂带有放射性，二回路侧所产生的干燥蒸汽，其品质直接影响电站的功率与效率。蒸汽发生器在进行热量交换的同时，起着阻隔放射性载热剂的作用，是核电站关键设备之一。

图1 压水堆原理

二、蒸汽发生器的结构

核电厂蒸汽发生器按工质流动方式分自然循环蒸汽发生器和直流(强迫循环)蒸汽发生器，按传热管形状可分U型管、直管、螺旋管，按安放形式分立式 和卧式，按结构特点分带预热器和不带预热器的蒸汽发生器。以下主要以压水堆核电厂不带预热器的立式U型管蒸发器为例进行介绍。

蒸汽发生器（如图2）外壳是由二个直径不同的筒体，通过锥形体过渡，筒体下端为球形封头且与管板相接，管板另一侧与二次侧外壳相连，上端为椭圆形封头，主蒸汽出口接管开在椭圆封头顶部中心，在蒸汽接管中间装有散发型管嘴，以限制蒸汽流量。

图2 蒸汽发生器结构

球形下封头上开有载热剂进出口接管和检修用人孔，下封头与接管、人孔一起整体锻造成型，每个接管通过预堆边装焊锻制的奥氏体不锈钢安全端，焊缝采用因料镍焊接材料。管板与球形封头及进出口接管所组成的一回路中，均分别堆焊镍基合金或超低碳不锈钢作为耐腐蚀层。管板厚度约600mm，其中镍基合金堆焊层6mm，管板上钻有9000个矩形排列的Ø19mm管孔。U形管两端穿入管板的管孔内，U型管是一二回路热量交换的关键部件，其内部流动的是带有放射性的一回路载热剂，外部流动的是二回路的冷却剂，通过胀接和焊接使得U型管和管板形成密封的一回路压力边界。

在二回路侧U形管束直段上分别由1块流量分配板和8块（或9块）支承板支承。支承板管孔为四叶（或三叶）梅花孔型。在U形管弯管区，用几组抗振条隔开。U形管所组成的管束，外周由套筒围住，套筒与支承板之间用楔块嵌入并焊固，以防松动。内套筒与下筒体之间的环状空间，作为给水下降的通道。U形管束的上端，装有十几个一级汽水分离器，汽水分离器与渣收集器相连组成一个整体。在一级汽水分离器上方，是若干个（一般为6个）箱式的二级分离器，彼此平行排列，布置于蒸汽空间，箱内装满单钩式干燥叶片组。 通过两级汽水分离和干燥，使得二回路中的饱和蒸汽达到高于99.9%的干燥度，然后从蒸汽出口管道进入汽轮发电机。

世界核电站运行数据表明，蒸汽发生器的可靠性是比较低的，它严重地影响核电厂运行的安全性、经济性及可靠性。据报道，国外压水堆核电厂的非计划停堆次数中约有1/4是因蒸汽发生器问题造成的。因此，除去设计等因素，蒸汽发生器的制造质量显得尤为重要。

三、制造活动综述

1、项目计划

核电产品制造具有周期长、难度大、涉及广等特点。一台核电蒸汽发生器的合同周期一般在28～36个月左右，其中主体材料采购周期一般持续10～24个月，产品纯制造周期需要18～24个月，即产品的技术准备、材料准备和生产制造三大环节交叉进行，因此必须建立起立体交叉并有效执行的包括材料采购和验证、装备配置、工具工装设计和采购、技术试验和文件编制、人员配置和资质评定、外协分包、车间制造和内外部质量监控等内容在内的综合工程计划，并由专人负责计划的跟踪、落实和调整，方能保证在合同周期内交付高质量的产品。

2、适用法规、规范和标准

虽然我国尚未形成完整的核电行业技术标准体系，但对于安全第一和质量第一的核电产品制造来说，必须严格遵守核电相关的各级法律、法规和标准规范。

3、原材料

核电蒸汽发生器的零部件有上万件，涉及材料类型有50种之多，以秦山二期扩建工程蒸汽发生器为例，其关键主体材料如下：

(1)SA508-3低合金钢锻件，如带蒸汽出口接管的整体椭圆封头，下封头，上、下及椎体段筒体，管板，吊轴，给水接管，人孔座；

(2)SB163 Ni-Cr-Fe 690合金管子，如U型管；

(3)SA533 B1级低合金钢，如一、二次侧人孔盖；

(4)SB168 Ni-Cr-Fe 690合金板，如下封头水室隔板；

(5)SA479型405不锈钢条；如SB167 Ni-Cr-Fe690合金端帽，带端帽抗震条；

(6)SA240型405不锈钢板，如管子支承板，流量分配板；

(7)SB564Ni-Cr-Fe690合金 如文丘利管锻件（蒸汽出汽接管限制器），给水接管限流器；

(8)SB167 Ni-Cr-Fe 如690合金排污管；

(9)SA516 70级或60级 SA-36，如内套筒组件；

(10)SB-564Ni-Cr-Fe690合金(UNSN06690)锻件，如密封环；

(11)SA-285C级、 SA36和其它ASME碳钢，如一级汽水分离器组件；

(12)ASME规程Ⅱ章或ASTM中规定的各相应材料，如二级分离器组件。

主要焊接材料如下：

(1)锰镍钼合金钢焊条 ASME II C SFA5.5 E9018-G

(2)锰镍钼合金钢窄间隙埋弧自动焊焊丝和焊剂 ASME II C SFA5.23 F62A3EGH3N

(3)不锈钢焊条 ASME II C SFA5.4 E309l,E308L

(4)不锈钢焊丝 ASME II C SFA5.9 ER309L,ER308L

(5)不锈钢埋弧自动焊焊带及焊剂 ASME II CSFA5.9 EQ309L,EQ308L

(6)镍基合金焊条 ASME II C SFA5.11 ENiCrFe-7

(7)镍基合金焊丝 ASME II C SFA5.14 ERNiCrFe-7

(8)碳钢手工药皮焊条 ASME II C SFA5.1 E7018

四、制造技术介绍

核电蒸汽发生器的制造技术涵盖了焊接、机加工、装配、热处理和探伤及检测等，这里选择了具有代表性的几项关键技术给予介绍。

(1)热屏蔽组件 管板堆焊技术

作为核电蒸发器关键零件的管板，因为一回路面要长期接触具有放射性和腐蚀性的高温载热剂，所以通常需要在全表面堆焊具有耐高温、耐腐蚀的镍基合金材料。由于管板直径一般在4m左右，而镍基合金本身可焊性差，对杂质敏感性大，因此作为蒸发器制造的第一道主要工序，必须选用一种高质又高效的焊接方法。

管板堆焊的方法有双带极埋弧堆焊、双热丝等离子堆焊、（双）热丝TIG堆焊、MIG堆焊和带极电渣堆焊几种。目前，通过相关试验证明，带极电渣堆焊以其熔敷效率高、堆焊熔深浅而均匀，母材稀释率低，堆焊层成形良好，不易有夹渣等缺陷，堆焊层的塑性和韧性高于埋弧堆焊等，已成为首选。

带极电渣堆焊采用的是电渣熔焊的方式，焊剂因电弧热熔化后形成高温熔渣，熔渣的导电率较高且大于电弧的导电率，电流通过焊带和熔渣进入工件，起焊时引燃的电弧则随之被熄灭。电流流过熔渣产生电阻热用于熔化焊带、基材和焊剂以维持渣池的熔化状态，金属熔池位于渣池下面从而得到保护。但在进行镍基合金带极电渣堆焊时要有效控制热输入量和严格执行清洁要求，限制硫、磷等杂质元素进入。

(2)深孔加工

一般将孔深L与孔径d之比大于5的孔称之为深孔，深孔加工是处于封闭或半封闭状态下进行，具有以下特点：

① 不能直接观察刀具切削情况，只能通过听声音、看切屑、观察机床负荷及压力表、触摸振动等现象来判断；

② 切削热不易散发，必须采取强制有效的冷却方式；

③ 切屑排出的路径较长，容易发生阻塞造成钻头崩刃，因此切屑的长短和形状要加以控制，并进行强制排屑；

④ 工艺系统刚度差，易产生振动或走偏，要重视支承导向。

管板深孔加工是蒸汽发生器中技术要求最高、制造难度最大的工序之一，除上述难点外，还具有体积大、吨位重、孔深且数量多、材料难加工等特点。蒸发器管板组件（管板+筒体）钻孔状态时总重可达60t以上，管板由二种异种金属组成，本体材料为低合金高强度的SA508-3锻件，一次侧表面堆焊厚6mm的镍基合金，其深孔加工长径比高达30甚至更高，而位置度和垂直度精度控制不到0.5mm。

目前，蒸发器管板深孔加工的方式有枪钻和BTA两种，秦山二期项目采用了枪钻加工，秦山二期扩建项目则采用了BTA钻头。实践表明，BTA钻孔方式除了具有良好的经济性和加工的高效性（加工周期较枪钻缩短3/5左右）外，管孔直径尺寸控制、深孔直线度、表面粗糙度以及位置度比枪钻有明显提高，同时具有良好的可靠性和操作更换的便捷性（见附表）。

管板深孔加工必须依靠数控深孔加工机床。同时，通过试验确定合适的切削参数、冷却液流量和压力、钻头切削刃角、导套预紧力和有效的中间托架结构等专用工装。

附表

此外，还要注意地表沉降（潮汐）、材料本身均质性等对加工精度的影响。

(3)管子管板胀接

管子管板焊接是一回路压力边界最为薄弱的环节之一，也是质量控制的关键节点。管子管板焊接的难点在于：① 管壁很薄，如果线能量控制不当将使管子变形超标；② 管子管板为角焊缝，必须采用全位置焊接；③ 焊接接头（和焊材）为可焊性差的镍基合金。

因此，管子管板连接型式采用强度胀加密封焊接，先进行橡胶定位胀，然后进行管子管板倒角，在满足尺寸要求后进行全自动氩弧焊接。

以秦山二期扩建工程蒸汽发生器为例，管子尺寸为Ø19.05×1.09，管子材料为SB163Ni-Cr-Fe Alloy690，管板是SA508Gr.3Cl.2+6.4mm镍基合金堆焊层，采用镍基合金690的Ø0.6mm的焊丝。

焊接参数控制包括送丝位置、焊接脉冲频率、脉冲电流、电极位置、焊丝的送进方式及速度机头旋转方式及速度及保护气体纯度及流量。

焊缝考核要求主要有外观成形、最小泄漏通道、焊接接头金相。

(4)液压胀管（见图3所示）

在管子管板定位胀、焊接和氦检漏后，进行全长度的胀接。秦山二扩蒸汽发生器胀管长度为584.5mm，管子内径为Ø16.87mm，采用2700bar的胀管压力，二次侧未胀间隙0～5.1mm。

管子管板胀管方式有液压胀，机械胀和液压胀加部分机械胀三种。管子管板液压胀管特点：

① 胀管芯轴插入管子而不损伤管子内孔，设备操作、移动方便；

② 胀管深度及定位精确，使管子与管板的根部间隙最大限度的减少；

③ 由于液压胀管其压力能精确设定，并重复定位，因此，胀管质量能得到充分保证，同时胀管附着压力及拉脱力数值，也能精确计算；

④ 由于液压胀管无机械挤压而产生冷作硬化，根部残余应力较小，腐蚀倾向比机械滚压胀小得多；

⑤ 液压胀接操作时间短，只需几秒钟，特别是当胀管长度在30mm以上。

图3 液压胀管示意

(5)抗振条装配与检测（见图4及图5所示）

抗振条是安装在蒸汽发生器U型管之间起固定和隔离作用，避免系统运行时U形管受到冷热变化和水力冲击产生大幅度晃动引起系统受损，抗振条装配精度将直接影响U型管运行中的磨损及使用寿命。以秦山二扩项目60F蒸汽发生器为例，其管束组件由一块流量分配板，8块支承板，4640根U型管以及三级抗振条组成。抗振条两端采用端帽结构,用于抗振条与连接带的焊连，抗振条的厚度为7.849±0.012mm，管子与管子间间距为7.95mm，抗振条材料为SA479型405不锈钢条，抗振条端帽材料为SB 167 Ni-Cr-Fe 690镍基合金。

抗振条装配得主要工艺要点如下：

① 建立一条基准线；

② 将抗振条组安装、固定好；

③所有抗振条固定好后，安装相应的保持环；管子抗振条端帽与保持环焊接和间隙测量；装配并焊妥保持环的保持条。

抗振条装配的难点在于抗振条与管子间的间隙控制。在装配和焊接过程中必须采取有效办法，控制抗振条与管子间收缩变形。

① 采用合理的装配顺序；

② 为了防止在焊接过程中做重大调整和潜在问题的发生，采用环帽夹临时夹紧保持环；

③ 为了控制抗振条与保持环焊接收缩，利用特定的节距块对管子和抗振条进行焊前位置固定，并使得本区域管束从内到外各行的微小堆积误差不致积累；

④ 制定了合理的焊接顺序，减少焊接不对称引起的变形；

⑤ 在抗振条装配过程中，及时用应变仪测量从管束内部到外围管子抗振条的装配情况。

图4 抗振条装配示意

图5 抗振条与管子间间隙检测

(6)接管安全端焊接

蒸汽发生器接管是与本体材料相同的SA508-3低合金钢锻件，安全端则一般为不锈钢锻件（如F316锻件），由于这两种钢的焊接性能相差过大，所以设计时会采用介于镍基材料作为过渡，即一般会在高强度的低合金钢表面先预堆先预堆焊镍基合金后再与不锈钢安全端焊接。但如前文所述，镍基材料的可焊性差，根据一特点，通常采用气体保护的自动TIG焊接方法，主要因为自动TIG焊接采用的是纯金属焊丝+高纯氩气保护，能够确保焊缝金属的纯净，从而提高焊接接头的质量。

自动TIG焊接作为一种非熔化电极的方法，其电弧能量能够方便的调控，从而确保镍合金焊丝不因过烧造成合金元素的损失。

由于安全端焊接可能出现的焊接缺陷的可能性较大，因此在接管预堆边焊接后、热处理后以及接管对接后都会进行100%RT、UT和PT检查，以确保焊接质量。

(7)下封头与管板局部热处理

通常蒸汽发生器在管束组件装入壳体并完成一系列胀接和检测工作后才可与下封头焊接，而管子管板焊缝和胀接区会受高温影响而发生性能变化或松弛，因此下封头与管板环缝只能采取局部热处理方式来消除焊接残余应力。

考虑到该环缝周边结构的特殊性，在操作中分为环缝区、二次侧手孔区、接管区、安全端焊缝区、管板焊缝区和管板一次侧平面区等几个温度控制区，分别按照不同的温控范围进行监测和控温，其中最高控温为环缝区607±13℃，最低控温是二次侧手孔区为93～260℃。

局部热处理升温、降温过程中，当温度在427℃以上时，对升降温速率需要严格控制，一般在必须小于55℃/h，当达到热处理温度时开始保温。

(8)水压试验

蒸汽发生器一二次侧是不相通的，因此水压试验分开进行。水压试验时容器壁和试验用水温度都应大于TNDT+33.3，在试验过程中采用接触式温度计测量产品压力边界表面最低点温度，一般温度控制在21～38℃范围内。试验介质为去离子水，水质对温度、氧化物含量、氟化物含量、硅含量、导电率、PH值范围、悬浮物总含量、目视质量都有严格要求。

以一次侧水压试验为例，一般程序为：先均匀缓慢地升压，每级保压时间不小于15 min，停压时检查人孔及受压焊缝和受压零件，不允许有渗漏冒汗和异常情况发生；再以0.2 MPa/min 的速率升压到试验压力，在试验压力下保压不大于1h，检查压力表、热电偶、人孔密封、受压焊缝和受压零件等，不允许有渗漏冒汗和异常情况发生，且压力表读数应保持不变；检查完毕后卸压以0.2 MPa/min速率降压到17.2 MPa 并保持压力不大于1h，再重复上述检查；再以0.20 MPa/min的速率降压直到压力表读数为零。

水压试验结束后需对蒸汽发生器内部进行排水和干燥，干燥方法可注入热的氮气进行多次置换，对容器内部干燥度考核可采用测试容器内部气体的露点等方法。

(9)清洁度控制

清洁度及外来物控制也是蒸汽发生器制造过程应引起重视的环节，其目的是避免加工表面受污影响焊接或检测质量，同时限制进入回路的杂质所引起的下列危害：

① 反应堆堆芯沉积物的活化；

② 沉积物对运动部件的不利影响；

③ 对不锈钢合金的局部（或普遍）腐蚀；

④ 沉积物造成的热交换效率下降。

蒸汽发生器产品制造清洁度和外来物控制主要包括焊接清理（焊前、焊中和焊后），无损检查清理，热处理清理，机加工后清理，管板打深孔、内套筒装配、管子支撑板装配、穿管、抗振条装配、上部内件装配、下封头与管板装配中清理，一、二次侧最终清理，清洁室控制等环节。

清理可选用打磨、钢丝刷、溶剂清理和喷砂/喷丸几种方式。一般来说当某一焊接表面须清理时，清理不仅包括指定表面，还应包括相邻表面的不小于50.8mm的范围。例如“焊前清理”需对热切割成形的焊接坡口需批磨到金属光泽为止，且应磨去所有氧化物，并且用打磨或钢丝刷清理相邻表面，且去除锈迹、油脂、油漆、焊渣和任何其他外来物质。再用浸有丙酮的清洁布擦净打磨和刷后的焊接坡口和相邻区域表面。“焊后清理”则用打磨或用钢丝刷，去除焊缝外表面焊渣、焊接飞溅物等，并对UT/RT检查的受压焊缝和结构焊缝批磨光滑，去除焊接表面波纹、凹陷，并与相邻表面平滑过渡，同时对不锈钢和镍基合金焊缝应目视检查焊接氧化色，如果发现有不能接受的氧化色应刷除使表面恢复金属光。

清洁度控制要注意，对清理用物品有着严格的成分限制。例如清理用非产品材料应满足下列化学成分中 镉、镁、锡、锌、砷、铋和低熔点合金含量总计应不大于100×10-6，铝、铜、磷、硫每项含量不得大于250×10-6，混合的氯化物和氧化物不大于200×10-6等，红铅、石墨矿物油或二硫化钼润滑油是不允许的。

在蒸汽发生器产品的零部件制造、装配、检查和试验期间和清理后，应采取维护和预防措施，防止含有上述成分的受控物质放置在蒸汽发生器上，或进入蒸汽发生器内，应采用临时盖加密封使产品尽可能减小与受控物质接触。

(10)无损检验

制造缺陷的原因可分下列三类：（1）原材料生产过程中产生的初始缺陷，如化学成份的改变、表面裂纹和内部裂纹；（2）制造工艺过程（毛坯制备、机加工和热处理）中所产生的缺陷，例如疏松裂纹缩孔和气孔；（3）装配过程中产生的缺陷，例如焊缝的气孔和未焊透等。

选择无损检验方法时应充分考虑材料的种类、几何形状和表面状态、预计的缺陷的位置和大小以及检验方法的灵敏度等因素。通常，在允许条件下，会选择2～3种方法互相补充。

① 超声波检查：向缺陷部位发射超声波并接收其反射波并与标准波形进行对比从而发现缺陷，但超声波易受材料和缺陷表面的性质及受检部件的形状等影响，确定缺陷的尺寸比较困难。所有压力边界焊缝包括蒸汽发生器封头、接管和人孔以及一次侧管板端面堆焊层需进行超声波检查，检查采用标定试块对比试验。

② 液体渗透：将渗透剂和显示剂涂在表面开口型缺陷上，由于毛细管作用，将其渗入缺陷内，使缺陷显示出来。对镍基合金、不锈钢堆焊层以及密封面，机加工后表面进行液体渗透试验。

③ 磁粉检查：将受检零部件磁化，如表面有缺陷就会使磁场产生局部畸变或漏磁，由此显示缺陷。适用于检验铁磁性材料的待堆焊表面和热处理后压力边界焊缝等。

④ 射线检查：当射线穿透被检零部件时产生可见图像，由此检查部件内部是否存在缺陷，通常使用射线照相胶片记录图像。适用于筒体环缝、大接管焊缝焊后或热处理后进行射线检查。

⑤ 涡流检查：当导电材料处于交变磁场中时，其内部会产生感应电流，即涡流。被检材料如尺寸和结构异常或其内在性质如磁导率电阻变化，都会使涡流的分布形状受到扰动，而施感线圈的阻抗是直接与涡流的分布形状相关的。涡流检验方法就是通过分析施感线圈的阻抗变化来查找被检材料中的缺陷。对管子管板胀接区域按设计要求，进行涡流检查。

⑥ 氦检漏：用于检测管子管板焊缝的密封性。在管子管板焊后且液压胀管前，将蒸汽发生器二次侧密封住并充入一定压力氦气并保压，同时在一次侧针将焊缝罩在真空罩内进行氦气浓度监测，如浓度低于1.33×10-8Pa·m3/s则合格。

五、质量管理

核电产品的制造质量不仅关系到核电机组的效率和寿命，更关系到数以百万计生命的安全，“质量是核电产品的生命线”，质量管理覆盖核电产品制造全过程。

蒸汽发生器制造的质量活动主要包括以下几个方面：

建立包括制造相关的所有活动在内的质量保证体系，制定各级工作标准程序，形成内外部监查机制以确定体系运作的有效性和不断改进。

以蒸汽发生器制造工艺流程为基础，建立与基本工序一一对应的质量计划，同时对关键质量控制点，例如管板堆焊、下筒体与管板主焊缝装焊、管板深孔加工、内套筒安装、U型管穿管及定位胀、管子管板焊接、液压胀管、安全端焊接、水室隔板与短水室隔板装焊以及局部热处理、无损检验、水压试验、理化试验、役前检查等，明确相应的开工和见证要求。

建立风险点管控机制。关键工序实施前，对所有可能影响到工序质量的因素，如原材料质量、周期、设备精度、技术水平等进行风险分析并做好相应预防措施，尽量避免或较少可能的不利影响。

通过点、线和面相结合建立完整覆盖蒸汽发生器产品制造全过程的质量管理体系，树立以“凡事有法可依、凡事有据可查、凡事有人负责、凡事有人监督”为基本的核文化精神，是从事于核电产品制造的基本要求。