EPR安注箱的焊接技术

2015-12-11郭伟杰

电站辅机 2015年2期

郭伟杰

（上海电气电站设备有限公司上海电站辅机厂，上海 200090）

0 概述

EPR是欧洲核电压水堆（European Pressure Water Reactor）的简称，采用了世界上最具代表性的新一代核电技术，与AP1000核电技术共称为第三代核电技术。台山核电1号、2号机组是国内首次采用EPR技术建造的核电机组，并且首次应用RCC－M 2007版标准进行制造，该标准中S篇（焊接）的改动较大。因首次建造，所以无实际执行标准的经验。

安注箱为核二级设备，当核电站一回路系统的管道或设备发生破损事故后，由安全注射系统向一回路注入高硼冷却水，防止堆芯因失水而造成烧损。安注箱的外形及尺寸，如图1所示。

1 安注箱的主体材料

EPR安注箱的主体材料采用Z2CN19－10（控氮）厚板不锈钢，壳体厚度为82mm，考虑封头压制后的减薄量，封头材料的厚度选为90mm。材料采购时，需满足RCC－M 2007版M3307的技术要求。我公司首次选用了控氮不锈钢厚板，在焊接方面，与具有成熟制造经验的Z2CN18－10材料相比具有一定的难度。Z2CN19－10（控氮）材料的主要性能和差异，如表1、表2所示。

图1 EPR安注箱的外形尺寸

表1 Z2CN19－10（控氮）与Z2CN18－10的化学成分比较（%）

表2 Z2CN19－10（控氮）与Z2CN18－10的力学性能比较

与Z2CN18－10材料相比，Z2CN19－10（控氮）不锈钢增加了氮的含量，Cr与Ni的含量比提高，也提高了δ铁素体的含量。在保证抗腐蚀性能的同时，提高了材料的力学性能。

2 焊接材料

安注箱选用的TIG焊丝材料为ER308L，焊条为E308L－16。选用埋弧焊焊丝材料为HR308L、GWS－308LM，焊剂为SJ601H、GXS－300A等，分别按照RCC－M 2007版S2910、S2920、S2940等要求进行采购。所有焊材按RCC－M S5000的要求进行焊接材料评定，按S2000的要求进行验收。

3 焊接工艺评定

RCC－M 2007版中对焊接工艺评定有较大修改，改为以EN ISO15614－1为基础，并在S篇中增加了补充要求。

3.1 壳体拼缝坡口及焊接参数

EPR安注箱的壳体厚度为82mm，壳体由4段筒身拼接而成。选用50mm厚度的控氮不锈钢板作为焊接工艺评定试板，采用手工电弧焊和埋弧自动焊各焊接一副试板，采用对称坡口，试板的坡口形式，如图2所示。

图2 壳体拼缝焊接评定坡口

壳体试板的焊接参数，如表3所示。

表3 壳体试板的焊接参数

在试板焊接过程中，由于控氮不锈钢在焊接时的变形较大，因此应频繁翻身以控制试板两侧的变形。尤其是第一侧开始时的焊道，当第一侧的焊接厚度已达到清根及反面焊接要求后，就应及时翻身进行清根，然后再进行反面的焊接。

试板经射线检验合格后，需进行理化性能检验。试板接头抗拉强度为630／635MPa（SMAW）、605／605MPa（SAW），冲击试验及腐蚀试验等均合格，满足了标准中的要求。

3.2 封头拼缝的焊接工艺评定

台山项目安注箱是首台有封头拼缝的EPR安注箱（芬兰核电项目中安注箱的封头厚度为67mm，且为整板压制，没有拼缝）。封头的壁厚为82mm，考虑到压制时封头壁厚的减薄量，实际选取了厚度为90mm的板材，因封头直径和厚度均较大，超出了目前钢厂板材的制造能力，所以该封头的板材需拼接。大厚度的封头压制只能采用热压的方法，热压之后，还需对封头进行一次固熔处理，以恢复母材的抗腐蚀性能。

为评定封头拼缝的焊接工艺，需对评定试板进行模拟热压及固熔的2次热处理。为更好地模拟封头拼缝焊接时的状态，选用了相同厚度的90mm控氮不锈钢试板，采用焊条电弧焊及埋弧焊的焊接方法，各焊一副试板进行工艺评定。选用焊接材料为E308L－16焊条，以及HR308L／SJ601H焊剂。评定试板均采用对称坡口。试板的坡口形式，如图3所示。

图3 封头拼缝焊接评定坡口

封头拼缝的焊接参数与壳体拼缝的焊接参数相同，如见表3所示。焊接完成后，对试板进行了模拟热处理。热处理的温控曲线，如图4所示。

图4 热处理的温控曲线

对试板焊后热处理后，进行试样的拉伸试验，试验所得数据，如表4所示。

表4 封头焊接试样的拉伸试验

试样经拉伸检测后，发现埋弧焊试板的拉伸强度不合格。

为了提高焊缝的力学性能，开展了一系列试验。从调整焊接参数、焊丝直径、材料化学成分等进行试验和分析对比，最终与某焊材公司合作研发了GWS－308LM／GXS－300A焊丝及焊剂，将焊缝金属材料的拉伸强度提高至标准值以上。最终，仍采用直径4mm的埋弧焊丝进行焊接，焊接参数如表3所示。GWS－308LM与原HR308L焊丝及熔敷金属的成分对比，如表5所示。

表5 HR308L／SJ601H与GWS－308LM／GXS－300A化学成分对比（验收值）（%）

3.3 角焊缝的焊接工艺评定

在评定角焊缝焊接工艺时，要求2个相焊部件的厚度都要在评定覆盖范围内，对于材料厚度t（3～50mm）的焊接工艺评定，适用的母材覆盖范围为0.5 t～1.2 t，只有当评定试板厚度≥50mm，才能不限厚度。上限只规定了1.2t的材料厚度，有些过于严格。如果没有≥50mm的焊接工艺评定，则需要进行多组不同厚度的焊接工艺评定，才能覆盖制造时所需的板材厚度。

在壳体焊接工艺评定中，因进行了试板厚度50mm电弧焊的焊接工艺评定，因此可覆盖绝大部分角焊缝的焊接。

3.4 母材补焊的焊接工艺

在安注箱的制造过程中，因不锈钢材料的硬度较低，在吊装和运输过程中，母材表面可能会有碰伤或划痕。这种表面缺陷的深度很小，比较适合用氩弧焊进行补焊。因此，需增加氩弧焊表面补焊的焊接工艺评定。

评定试板采用厚度50mm的控氮不锈钢板，在试板上加工一条具有一半厚度的凹槽，使用氩弧焊对凹槽进行补焊，并对凹槽焊缝进行全套理化性能试验。焊接凹槽的形式，如图5所示。

图5 母材补焊评定的焊接形式

4 EPR安注箱的焊接

4.1 封头拼缝的焊接

封头焊缝的焊接评定过程中，手工电弧焊采用对称坡口，单面坡口深度接近45mm，在清根上非常困难，需要采用刨床机加工的方式。因此，为了便于埋弧焊评定及产品焊接，改变了坡口形式，使清根更易操作。封头拼缝的焊接坡口形式，如图6所示。

图6 封头拼缝的焊接坡口形式

封头拼缝采用焊条电弧焊加埋弧焊的方法，选用E308L－16焊条，焊丝焊剂为GWS－308LM／GXS－300A。采用手工电弧焊在较深一侧进行打底焊接，焊至约10mm后，反面清根，然后在反面及正面，用埋弧焊交替焊接，直至焊妥。在施焊过程中，严格控制层间温度不高于150℃。焊缝成型良好，变形较小。

由于产品封头尺寸较大，因此在实际固熔热处理时，冷却速度相对评定试板较慢，因此入水时的温度较高，焊缝性能高于评定试板焊缝的性能。

4.2 壳体纵环缝的焊接

筒体厚度为82mm，壳体纵、环缝坡口形式与封头拼缝坡口形式相近似，较浅一侧的坡口深度为20mm。同样，采用手工电弧焊加埋弧焊的焊接方法，选用E308L－16焊条，焊丝为HR308L，焊剂为SJ601H。筒身纵、环缝所受的拘束力较大，因此焊缝不易变形。

4.3 下封头与连接件环缝

下封头与连接件的环缝坡口形式与封头拼缝相同，由于是环向坡口，因此可放在焊接变位机上焊接。工件的坡口位置及焊接状态，如图7所示。

图7 下封头与连接件环缝的焊接

4.4 吊耳及焊接座与筒身的焊接

吊耳、焊接座与筒身间采用对接焊缝的形式进行焊接。由于筒体直径很大，马鞍形座各点相对尺寸的落差值也比较大。吊耳的直径为400mm，最高与最低点的落差值约14mm。焊接座直径为600 mm，最大马鞍形的尺寸落差约33mm。因此，将焊缝坡口加工成平坡口形式，如图8所示，仍采用焊条电弧焊加埋弧焊的焊接方法。选用E308L－16焊条，焊丝材料为HR308L，焊剂为SJ601H。手工电弧焊打底焊后，采用埋弧焊方法对拉平的部分进行焊接，最后，再采用手工电弧焊对两侧不规则的部分进行补焊。