AP1000堆芯补水箱的焊接

张 敏

（上海电气核电设备有限公司，上海201306）

浙江三门1号、2号核电工程的核反应堆主设备之一的堆芯补水箱（Core Makeup Tank，CMT）是美国西屋公司设计的第三代核电产品，由上海电气核电设备有限公司负责承制。CMT是核电厂冷却系统中重要的应急冷却设备。当反应堆冷却系统发生突发事故时，由其提供冷却硼酸溶液，从而保证了堆芯的冷却和提供满足反应堆关闭所需的时间。CMT是由两球形封头和一圆柱筒体组成的压力容器，外型尺寸7 356.6mm×φ4 725.4mm，总质量约160t。AP1000项目是我国首次制造的第三代核电项目，CMT的制造依据标准为“美国机械工程师协会（American Society of Mechanical Engineers，ASME）锅炉及压力容器规范”（简称ASME）（1998版）及2000补遗，技术要求高，制造难度大。CMT的主体材料和使用的所有焊接材料均按ASME要求进行制造和采购。CMT的焊接特点包括：焊缝厚度大，最厚处达244mm；材料种类多，涉及低合金钢、不锈钢和镍基合金等同种和异种金属之间的焊接；不锈钢耐蚀堆焊要求多，如不锈钢堆焊过渡层309需要取样分析；焊工考试复杂，既要符合ASME要求，也要满足核安全法规（简称HAF）的要求；采用的焊接工艺方法较多且技术等级较高，如窄间隙埋弧自动焊、镍基合金氩弧焊和手工焊条焊、多层不锈钢带极埋弧堆焊、仪表管与筒体封头的J型坡口焊接等。

1 CMT结构和主要设计参数

图1所示为CMT的结构简图［1］。

图1 CMT的结构简图

CMT的主要设计参数如下：安全等级为一级；规范级别为一级；质保等级为QA1级；设计压力为17.13Mpa；设计温度为343℃；主要材料为SA－508Gr.3Cl.1；腐蚀余量为堆焊层5.6mm；容器类别为核容器；设计寿命60a。

2 材料要求与分析

2.1 主体材料

CMT主体材料采用 SA－508Gr.3Cl.1低合金钢锻件，主锻件均向中国第二重型机械集团公司采购。接管－安全端采用SA－336GrF316LN不锈钢锻件材料。支柱板、吊耳等零部件采用SA－516Gr.70碳钢材料。

上述3类材料的主要力学性能要求和实测典型值如表1［2］所示，各项性能严格按照设计要求采购，数据表明材料的综合性能良好，杂质元素的含量均控制在较低的水平。

2.2 焊接材料

按CMT主体材料类型、技术条件要求和所采用的焊接工艺方法，应用的焊接材料分低合金钢、不锈钢、镍基合金及碳钢4种材料类别，共有8种类型，见表2［2］。表2中所列的不锈钢焊带／焊剂／焊丝是向瑞典SANDVIK（山特维克）公司采购，不锈钢焊条向法国液化空气焊接材料有限公司（Air Liquide Welding Preducts Company，SAF）采购，镍基焊材向美国特种金属焊接材料有限公司（Special Metals Welding Products Company，SMC）采购，低合金钢及碳钢焊接材料均向德国BOHLER公司采购。

焊材除了焊缝金属各项性能必须满足核级技术条件外，良好的工艺性能如脱渣性、焊道表面成型等是保证焊接质量的前提；因此，在专门制定的焊材采购和验收规程中，对焊材工艺性提出了严格的要求［3］。

由于西屋公司对焊接材料技术有两种不同要求；因此，在焊材采购进厂后又根据不同要求进行了焊材复试试验，表3为部分材料复试结果。

3 焊接工艺评定

CMT的焊接工艺评定技术条件是设计院根据ASME规范制订的。ASME规范中对焊接工艺评定有专门章卷进行说明：第Ⅸ卷焊接和钎接评定、第Ⅲ卷核设施部件制造规则［4］。

表1 主要材料的力学性能 （1／4T，纵向）［2］

表2 焊接材料类型［2］

根据产品结构和规范要求，CMT共完成了25项焊接工艺评定，包括低合金钢对接焊、不锈钢耐蚀层堆焊、镍基合金堆焊、不锈钢和镍基合金对接焊、低合金钢与碳钢对接焊、低合金钢与镍基合金对接焊、不锈钢对接焊等；覆盖了产品所有接头和临时性附件的焊接条件，以及各种补焊的工况条件。

4 主要接头的焊接

CMT含有对接、角接等各类焊接接头70多条，容器（SA－508Gr.3Cl.1材料）的所有内壁包括接管内壁均需堆焊至少5.6mm厚的不锈钢耐蚀层。焊接是CMT制造过程中十分重要和关键的工序，工作量很大，焊接质量是制造质量的重要组成部分。制造过程中，所采用的焊接工艺方法主要包括窄间隙埋弧自动焊、手工电弧焊、手工钨极氩弧焊、带极埋弧堆焊、自动钨极氩弧堆焊等。

4.1 主环缝窄间隙埋弧自动焊

厚壁筒体环缝的焊接国内外一般均采用手工焊条焊打底、窄间隙埋弧自动焊填充盖面的工艺，具有效率高、成本低、焊缝性能好、工艺成熟等优点，具体工艺上有单丝和多丝、直流和交流之分，焊丝主要为直径φ4.0～5.0mm。CMT主环缝的焊接同样采用了该工艺。焊接设备采用ESAB公司EHD焊接系统，焊接材料为直径φ4.0mm的Union S3NI－MO2焊丝和UV 420TTR烧结型焊剂。采用每层两道的焊接方法。坡口形式如图2所示。焊接设备为伊萨焊接切割器材有限公司生产的CaB 815C12×10型窄间隙焊接操作机。

表3 焊接材料进厂复试力学性能

图2 主环缝坡口形式示意图

4.2 人孔座与筒体马鞍形焊缝窄间隙埋弧自动焊

人孔座与筒体之间的焊缝形状为马鞍形，特别是当焊缝厚度较大时，给焊接带来了一定的难度，如清理焊渣、底部焊道焊接时焊丝位置和角度的调整、焊工的操作条件等。该类接头的结构形式有插入式和贴合式两种，目前应用较多的主要为插入式，焊接工艺方法多为埋弧自动焊。坡口形式有双面U形、单面U形、I形带衬垫式等。CMT采用的是双面U形的坡口形式，如图3所示。CMT人孔座外径为φ1 310mm，最大马鞍落差达140mm。焊接材料为直径φ4.0mm的Union S3NIMO2焊丝和UV 420TTR烧结型焊剂。主要的焊接规范参数如表4。采用平焊焊接位置，图3中①区和③区焊缝焊道不连续，以焊平落差区域；②区焊缝采用连续回转平焊的方法；清根后焊妥。焊接设备为北京中电华强焊接工程技术有限公司开发生产的ZMA 2000＊180型马鞍形埋弧自动焊机。图4为接管与筒体马鞍形焊接。

图3 接管马鞍形焊缝坡口形式结构简图（mm）

表4 马鞍形焊缝焊接主要规范参数

图4 接管与筒体马鞍形焊接

4.3 不锈钢耐蚀层的堆焊

不锈钢耐蚀层的堆焊工艺方法有带极埋弧堆焊、带极电渣堆焊、自动钨极氩弧堆焊、等离子堆焊、手工药皮焊条堆焊等。CMT内壁不锈钢耐蚀层的绝大部分采用两层带极埋弧堆焊工艺，接管内壁采用自动钨极氩弧堆焊工艺。其他小部分内壁区域采用手工药皮焊条堆焊工艺。带极埋弧堆焊采用EQ309L和EQ308L型焊带，过渡层采用EQ309L焊带，面层采用EQ308L焊带，焊带尺寸为60mm×0.5mm。焊带和焊剂牌号见表1，堆焊规范参数如表5所示。手工药皮焊条堆焊第一层采用E309L型焊条，后续层均采用E308L型焊条。钨极氩弧堆焊第一层采用ER309L型焊丝，后续层均采用ER308L型焊丝。图5为CMT封头内壁不锈钢埋弧堆焊。

表5 带极埋弧堆焊主要规范参数

图5 封头内壁不锈钢埋弧堆焊

4.4 接管－安全端异种金属镍基合金焊接

接管－安全端异种金属接头是CMT焊接难点之一，主要体现在焊接材料是可焊性较差的镍基合金，母材为低合金钢与不锈钢的异种金属。焊接工艺方法主要有手工药皮焊条焊接、手工氩弧焊、窄坡口冷丝或热丝钨极氩弧焊等。CMT有2条出入口接管－安全端接头（内径φ173mm，焊缝厚度23mm），其结构如图6所示。出口、入口接管材料为低合金钢锻件SA－508Gr.3Cl.1，安全端材料为不锈钢锻件SA－336GrF316LN，焊接材料为690镍基合金。焊接方法为手工钨极氩弧焊打底及手工焊条焊填充盖面，焊接位置为平焊。主要焊接规范参数见表6。

图6 接管－安全端接头结构示意图

表6 接管－安全端焊接主要规范参数

4.5 仪表管座与筒体／封头J型接头的焊接

CMT的17个仪表管座与筒体／封头之间的J型接头是异种金属焊接，即小直径不锈钢管座与低合金钢镍基堆焊层的焊接。采用的焊接方法是手工钨极氩弧焊，焊材为690镍基合金，直径φ2.0mm。由于材料是镍基合金，而且焊接位置特殊，焊接过程中必须加强打磨、清理等辅助工艺措施，以保证焊接质量。

5 产品焊接存档试板［5］

CMT共设置了7付产品焊接存档试板，包括：筒体与上／下封头环焊缝焊接存档件（2付），出／入接管与上／下封头焊接存档件（2付），出／入接管与安全端焊接存档件（2付）、人孔座与筒体马鞍形焊接存档件（1付）。焊接试板的母材与对应的产品焊接接头的母材同牌号，试板与产品在同一时期按完全相同的工艺、人员、设备、焊材和操作环境进行焊接并进行热处理。对所有试板进行的无损检验均满足了技术条件的要求。

6 结 语

第三代核电是由西屋设计公司设计的安全型核电，主设备有：压力容器、蒸汽发生器、稳压器、堆芯补水箱（CMT）。其中全球第一套机组设在浙江三门。主设备中，压力容器、蒸汽发生器在韩国斗山制造，稳压器及堆芯补水箱在本公司制造。现阶段已完成2台堆芯补水箱的制造，稳压器在制中。由于第三代核电与以往的两代及两代加有很大的不同，在制造技术上也有差异。作为第三代核电项目核电主设备之一CMT的制造完成，体现了我国在核电设备的制造技术水平又上了一个台阶，相应的焊接技术也得到了提高。CMT所有焊缝的无损检验结果表明：产品焊接接头质量满足了技术条件的要求，接头性能均匀和稳定，质量可靠。低合金钢筒体的窄间隙大厚度自动埋弧焊得到成熟应用。不锈钢大面积堆焊工艺的提高。通过CMT的制造，不锈钢自动堆焊技术得到进一步推广。大接管与筒体的焊接技术得到提升，通过马鞍形焊接设备的应用，使自动焊技术得以充分应用，从而提高了效率和焊接质量。接管安全端的异种金属焊接，通过严格控制焊接材料及焊接过程的质量控制，可提高此类接头的一次合格率。

［1］ASME锅炉及压力容器委员会.ASME锅炉及压力容器规范 第Ⅱ卷：材料，1998版及2000补遗［S］.北京：石油工业出版社，2000.

［2］西屋设计公司.AP1000堆芯补水箱设计规格书［M］.3版.美国：西屋设计公司，2011.

［3］张茂龙.600MW反应堆压力容器的焊接［C］／／于溯源.核动力院第十二届全国反应堆结构力学会议论文专辑.北京：［s.n.］，2002：305－308.

［4］ASME锅炉及压力容器委员会.ASME锅炉及压力容器规范 第Ⅸ卷：焊接和钎焊评定，1998版及2000补遗［S］.北京：石油工业出版社，2000.

［5］ASME锅炉及压力容器委员会.ASME锅炉及压力容器规范 第Ⅲ卷：核设施部件建造规则，第1册NB分卷，1998版及2000补遗［S］.北京：石油工业出版社，2000.