三代非能动蒸汽发生器焊接与热处理质量控制

□李双燕 □徐 超

上海电气核电设备有限公司 上海 201306

1 研究背景

目前，我国在建的海阳核电站2号机组和三门核电站2号机组均采用最新的三代非能动技术，简化的两回路设计和60年设计寿命使三代非能动蒸汽发生器尺寸更大，质量更重，材料要求更高，设计和制造更复杂，堪称当代热交换器技术的最高水平。蒸汽发生器采用《锅炉及压力容器规范》ASME 1998版与2000补遗版制造，产品带泵壳总长度24.2 m，最大直径5 576 mm，筒体最大厚度121 mm，管板与水室封头环缝最大厚度达254 mm。三代非能动蒸汽发生器在焊接与焊后热处理方面相比二代加CPR1000核电项目有更多的技术要求，接近60项，主要包括焊接材料、焊接方法、焊接工艺评定、预热、后热、临时性附件、焊接顺序、焊后热处理等。为保证产品的制造质量，在生产过程中采用了多项焊接和焊后热处理技术，并且通过合理安排制造工序、焊接工位、焊接顺序、热处理次数、探伤次数等来保证焊缝质量。

2 焊接质量控制

三代非能动蒸汽发生器结构复杂，焊接接头较多，包括低合金钢对接缝的焊接、低合金钢上不锈钢耐蚀层和隔离层的堆焊、低合金钢上镍基合金耐蚀层和隔离层的堆焊、水室隔板与管板的焊接、水室隔板与水室封头的焊接、管板的密封焊接、水室封头出口接管与泵壳的焊接等。为保证这些接头的焊接质量，制造过程中需要合理安排制造工序，合理布置焊接工位，以及合理安排探伤次数和时机等。

2.1 上部壳体接管焊接

三代非能动蒸汽发生器上部壳体上分布多个部件，在离筒体端部592 mm水平面上分布着两个支撑座、一个主给水接管和一个启动给水接管。这四个部件均距离筒体端部较近，其中主给水接管距离端部最近处只有79 mm。这四个部件与上部壳体的焊接均采用双面埋弧自动焊，焊接位置为水平焊，采用双面U形坡口。焊接时先进行一侧自动对接焊，另一侧清根后再进行埋弧自动焊，焊前进行预热，全部焊完后去氢处理。主给水接管的焊接如图1所示。

图1 主给水接管焊接

四个部件距离筒体端部较近，焊接四个部件会引起较大的焊接变形，将会影响上部壳体的圆度，进而影响干燥器和汽水分离器的装配，以及后续筒体与锥体环缝的装焊。为了保证接头的焊接质量，合理安排四个部件的开孔顺序、焊接顺序，并增加热处理次数，进而控制焊接变形。采取的开孔措施为在筒体端部适当位置装妥星形支撑[1]，开孔时两两对称开孔，以减小筒体的变形。采取的焊接顺序为先焊接四个部件的外壁焊缝，然后立即进行中间热处理，消除焊接应力，再焊接四个部件的内壁焊缝，使圆度得到明显改善，进而使焊接变形得到有效控制。

2.2 水室封头出口接管隔离层堆焊

三代非能动蒸汽发生器水室封头出口接管隔离层需堆焊Inconel 690镍基合金，堆焊厚度至少为38.1 mm。由于堆焊层厚度较大，镍基合金材料热裂纹敏感性高，堆焊金属润湿性和流动性差[2]，易产生未熔合、夹杂等缺陷，因此堆焊难度较大。

堆焊过程中通过控制焊接参数、增加焊接保护与探伤次数来提高堆焊层质量。接管隔离层堆焊应用热丝自动钨极氩弧堆焊技术，采用φ1.2 mm的ERNiCrFe-7A焊丝进行堆焊，在堆焊过程中控制焊道间搭边量，使焊道间搭边量至少为焊道宽度的1/2，每道每层进行打磨清理。接管隔离层的堆焊如图2所示。为更好地保证堆焊层质量，接管周围设置挡风布，接管外壁和内壁均使用气体保护工装，堆焊时严禁使用风扇、气管等，防止气体对流，减小堆焊层产生缺陷的风险。此外，堆焊过程中堆焊至不同厚度时需要进行100%超声波检查，以控制堆焊层的质量[3-4]。

图2 接管隔离层堆焊

2.3 水室隔板焊接

对于水室隔板与管板，以及水室隔板与水室封头的焊接，三代非能动蒸汽发生器设计要求中并未给出。为了后续能更好地进行射线检测，制造过程中在水室隔板两侧各留出一个缺口。在最终水室封头环缝与水室隔板连接时，采用一块与缺口适配的补板来填补水室隔板与环缝内壁堆焊层之间的间隙，将两者焊接即可。补板的结构如图3所示。补板的焊接难度在于需要避免焊接后水室隔板与水室封头环缝内壁堆焊层出现脱层现象。此外，通过合理安排焊接顺序与探伤时机等来保证产品焊接质量。

在补板焊接前，加大堆焊层厚度，即在环缝内壁不锈钢堆焊层上补堆Inconel 690镍基合金堆焊层，之后再焊接补板。补板采用与水室隔板相同的坡口形式和尺寸，双面坡口对称交替焊接。合理布置补板周围四条焊缝的对接顺序，以避免应力集中于堆焊层侧。焊接过程中进行多次液体渗漏检查。焊缝清根时，注意补板和堆焊接合面的清根方式，避免堆焊层厚度减小。全部焊接完成后，在环缝外壁对焊缝位置进行超声波检查，以确保补板与堆焊层焊接区域无任何缺陷[5-6]。

图3 补板结构

2.4 水室封头出口接管与泵壳焊接

三代非能动蒸汽发生器水室封头出口接管需要与泵壳连接，且两者在水压试验后进行焊接，泵壳材料为铸造不锈钢。两者连接如图4所示，两者之间的位置、直线度和角度尺寸有一定要求。技术难点在于两者仅能在蒸汽发生器处于水平位置时进行装配和焊接，焊接空间受到一定限制。要满足两者的装配要求，焊接过程中需控制焊接变形。两者接头厚度约140 mm，焊接的同时需考虑装配要求，可见焊接难度较大。

图4 水室封头出口接管与泵壳连接示意图

针对以上问题，通过合理安排焊接顺序与设置激光监测变形来控制焊接质量。采用全位置焊接方式进行对接焊，采用双面非对称对接坡口，并采用自动钨极氩弧焊接方法进行双面交替焊接。焊接过程中设置激光全程监测，跟踪测量直线度和角度。根据变形情况调整焊接参数和焊接顺序，进而减小焊接变形，保证接管装配质量[7]。

3 热处理质量控制

3.1 焊后热处理要求

焊后热处理分为局部热处理和整体热处理两部分，整个三代非能动蒸汽发生器制造过程中，除了最终两条环缝，即上筒体与锥筒体环缝、管板与水室封头环缝进行局部热处理外，其余所有焊缝均进炉进行整体热处理。热处理后记录每次热处理的最短保温时间和最长保守累积时间。设备制造过程中按ASME《锅炉及压力容器规范》第III卷NB分卷规定，在595～620℃对承压焊缝进行焊后热处理，350℃以上加热速度≤55 K/h，冷却速度≤55 K/h，降到350℃以下进行冷却，加热方式为炉内加热或电红外加热[8]。

3.2 管板与水室封头环缝焊后热处理

三代非能动蒸汽发生器在管束组件装入壳体工序完成后进行管板与水室封头的焊接，因此管板与水室封头环缝焊后的热处理只能采取局部热处理方式。局部热处理既要有效消除管板与水室封头间焊缝的焊接残余应力，又不能因为过高的热处理温度而造成靠近焊缝的管板胀接区胀接力松驰，以及管板焊缝的机械性能损害[9]。根据工程经验，对环缝区域、管板一次侧与二次侧表面区域通过热电偶进行温度控制，对进口管嘴安全端焊缝区域、出口管嘴隔离层区域、非能动余热导出管嘴安全端焊缝区域、管板附近手孔区域等的温度进行监测。热处理电加热板和保温棉采用整套装置，便于安装和拆除。管板与水室封头环缝焊后热处理如图5所示。

图5 管板与水室封头环缝焊后热处理

3.3 局部热处理传热管防凹痕技术

当环缝进行局部热处理时，由于管板一次侧表面温度高于二次侧表面温度，管板会向一次侧表面方向发生隆起变形，带动支撑板拉杆向一次侧表面方向位移，使支撑板边缘发生角位移，导致传热管与支撑板梅花孔间的间隙变化，严重时可能造成传热管受梅花孔直段顶压，出现凹痕。在环缝局部热处理保温结束后的降温阶段，管板由隆起恢复至原始状态，导致支撑板拉杆反向位移，使支撑板边缘发生反向角位移，再次引起传热管与支撑板梅花孔间的间隙变化，严重时同样可能造成传热管受梅花孔直段顶压，出现凹痕。为保证产品质量，避免局部热处理过程中传热管出现凹痕，采用热风机和冷风机对蒸汽发生器二次侧内腔空气温度进行调节，使支撑板拉杆与管板变形趋于同步，从而可以有效避免支撑板弯曲，防止传热管产生凹痕。热处理过程中通过布置在管板、U形管内壁等多个部位的热电偶进行温度监测，并通过布置在顶部支撑板四个位置的角位移测量仪进行支撑板变形监控。热处理结束后，对支撑板外圈U形管进行内部电涡流检测，以验证传热管是否产生凹痕。实践确认，热处理过程中通过加热设备和冷却设备进行空气温度调节，应用不同距离和不同位置的温度监测与支撑板变形监控，配合电涡流检测等措施，可以保证三代非能动蒸汽发生器焊后热处理质量[10]。

4 结束语

三代非能动蒸汽发生器尺寸大，制造复杂，质量要求高，笔者通过设备的自主制造，基本掌握了三代非能动蒸汽发生器制造中的焊接与焊后热处理技术，形成了一套满足规范的焊接技术和焊接文件体系。三代非能动蒸汽发生器的制造为批量化生产积累了丰富经验，也为我国核压水堆示范工程项目的顺利实施打下了坚实的基础。目前，三代非能动蒸汽发生器的焊接技术已达到国际先进水平，当然，为保证设备质量，还需不断进行工艺改进，并开发出新的工艺技术，用以提高质量和效率，降低成本，并始终保持技术领先。

[1] 景军涛，罗吾希，江才林，等.EPR蒸汽发生器制造过程中变形控制的研究[J].上海电气技术，2012，5（4）：38-42.

[2] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册[M].3版.北京：机械工业出版社，2015.

[3] 李双燕.核电设备中的Inconel 690镍基合金热丝TIG堆焊技术[J].金属加工（热加工），2014（16）：56-59.

[4] 李双燕，张茂龙.一种控制熔深的不锈钢铸件表面堆焊方法：201510576578.6[P].2015-11-18.

[5]李双燕.600 MW压水堆核电站蒸汽发生器焊接工艺与焊接材料[J].金属加工（热加工），2011（18）：26-29.

[6] 李双燕，张茂龙，徐超，等.防止堆焊层撕裂的隔板与壳体的连接结构及其连接方法：201610835067.6[P].2017-01-04.

[7] 李双燕，张茂龙.空间受限的核电设备低合金钢与不锈钢接管的对接方法：201510769551.9[P].2016-01-06.

[8]李双燕.“二代加”百万千瓦级压水堆核电机组蒸汽发生器焊接技术[J].上海电气技术，2011，4（1）：25-31.

[9] 李双燕，张茂龙.百万千瓦级核岛主设备蒸汽发生器焊接制造技术（下）[J].金属加工（热加工），2013（2）：51-52.

[10]李双燕，徐超，张茂龙.一种核电蒸汽发生器环缝热处理装置系统及其用途：201410615413.0[P].2015-02-18.