三代非能动压水堆核电厂蒸汽发生器与主泵的焊接

200233 上海核工程研究设计院 上海|王弘昶



三代非能动压水堆核电厂蒸汽发生器与主泵的焊接

200233 上海核工程研究设计院 上海|王弘昶

摘要：三代非能动压水堆核电设计中，蒸汽发生器与反应堆冷却剂泵壳直接焊接。本文从ASME规范要求出发，介绍并分析了该焊缝的结构、焊接工艺，并对焊接过程中的难点予以了阐述。根据相关工程制造经验的反馈，本文还对该焊缝的制造过程给出一些建议。关键词：蒸汽发生器；主泵；镍基合金

概述

在三代非能动压水堆核电设计中，首次将反应堆冷却剂屏蔽电机泵用于大型核电厂，反应堆冷却剂泵（下文简称“主泵”）与蒸汽发生器（以下简称“SG”）的连接也随之采用了新的结构设计。这种设计取消了主泵与SG之间的管道连接，将泵壳的吸入管嘴直接与SG的冷却剂出口管嘴焊接。

与二代加核电常用的SG与主泵间采用主管道过渡段连接的设计相比，该设计优势如下［1］：①降低了主管道内反应堆冷却剂的流动阻力。②消除了特定位置小LOCA事故后造成堆芯裸露的可能性，提高电厂运行的安全性。③简化了支撑系统，有利于环路隔间的布置，为反应堆的安装、运行、在役检测和维修活动提供了更大的空间。④减少了主管道焊缝数量，缩短工期，节省成本。

SG与泵壳直接焊接的设计在我国核电领域尚属首次应用，考虑到该条焊缝制造要求高、焊接难度大，工程实践中，其焊接和检测通常由蒸汽发生器制造厂在车间内完成。

此焊缝作为蒸汽发生器出厂前的最后一道重要的压力边界焊缝，对制造厂的焊接和无损检测等方面的能力提出了很高的要求。

蒸汽发生器与泵壳的焊接

a焊接要求

该焊缝焊接时，SG所有部件基本已经完成安装，设备水平固定放置，SG与主泵间的环焊缝的焊接在5G位置进行，即焊缝位于竖直的平面、管嘴的轴线水平。

SG为SA-508 Gr.3 Cl.2低合金钢锻件，主泵泵壳为CF8A不锈钢铸件。低合金钢强度较高，焊接时，尤其是接头厚度较大时，会产生较大的残余应力，造成焊缝及热影响区开裂。为了避免上述问题发生，低合金钢焊接完成后需在约600℃进行一定时间的焊后热处理。在泵壳焊接时，SG所有部件已基本装配而成，难以对SG与主泵之间的焊缝进行焊后热处理。为了避免上述制造难点，需在SG冷却剂出口管嘴处堆焊一定厚度的隔离层，使SG与主泵的焊缝变为无需进行焊后热处理的隔离层材料与不锈钢之间的焊接。

b焊接材料

SG与主泵间的焊缝以及隔离层采用690焊材（ERNiCrFe-7/7A）。

选用该焊材主要有如下原因：①690隔离层与不锈钢铸件焊接时，无需预热和焊后热处理，简化了焊接工艺。②690焊材的强度和膨胀系数位于两侧母材之间，起到较好的过渡作用。③690焊材被广泛应用于异种材料焊缝的焊接，制造厂对于这类焊材有一定的使用经验。④690具有较强抗晶间腐蚀和一次水应力腐蚀开裂的能力。

但是，690焊材也存在一些缺陷，如熔池流动性较差、焊道间易产生氧化膜、具有一定的液化开裂和高温失塑开裂倾向等问题，需制定合适的焊接工艺，尽量减少这些问题的发生。

c焊接工艺

在制定SG与主泵的焊接工艺时，需注意如下问题：①研究表明，690焊材的液化裂纹和高温失塑裂纹的产生与热输入有较大的关系［2］，为了减小其开裂倾向，需采用低热输入的焊接方法。②由于现场装配的问题，SG与主泵焊接后，对焊接的变形控制有较高要求。③该条焊缝厚度较大，在确保焊缝质量的同时，还需适当考虑提高生产效率。

综合考虑上述因素，在实际工程制造中，通常采用低热输入的钨极气体保护自动焊，为了进一步提高效率，减小焊接变形，该焊缝通常采用窄间隙的坡口。一般采用双面焊接的双U形窄间隙坡口。与标准推荐的单U形坡口相比，双U形坡口有以下优势：①690焊道间易形成氧化膜，需要在道间进行打磨清理。采用单U形窄间隙坡口时，坡口窄而深，对于底层焊道打磨较为困难；采用双U形坡口可以避免这一问题。②由于喷嘴设计的关系，保护气体一般自坡口顶部排出，坡口越深，对保护气体的流量以及送气的稳定性要求也越高，焊接时混入空气产生气孔或氧化膜的几率也越大。双U形窄间隙坡口深度相对较小，有利于气体保护。③双U形坡口对称性更高，焊接残余应力和焊接变形也相对较小。

结论

三代非能动压水堆核电设计中，采用了SG与反应堆冷却剂泵壳直接焊接的设计，由此对SG的焊接制造提出了新的要求。该条焊缝的焊接制造应注意以下几点：

a为避免环焊缝的热处理，在SG水室封头冷却剂出口管嘴表面堆焊一定厚度镍基隔离层。

b采用低热输入的钨极气体保护的全位置自动焊，并选用690焊接材料。

c选用双U形窄间隙坡口，有利于提高焊接质量。

参考：

［1］孙汉虹 等. 第三代核电技术AP1000 中国电力出版社， 2010

［2］John N. DuPont， John C. Lippold，Samuel D. Kiser， Welding Metallurgy and Weldability of Nickel-base Alloys. A John Wiley & Sons， inc.， Publication，2009