蒸汽发生器管板制造的几个关键工艺

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(上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233)

蒸汽发生器是核电站核岛关键设备之一，属于核电站第二道放射性防护的屏障[1]。蒸汽发生器通过传热管将一回路的热量传递到二回路，产生满足要求的合格蒸汽以推动汽轮机做功发电，同时起到隔离一回路和二回路的重要作用[2]。

蒸汽发生器主要包括一次侧压力边界、二次侧压力边界和内件组成。其中管板同时是一次侧和二次侧的压力边界，其长期接触一回路带有放射性和腐蚀性的反应堆冷却剂，在高温高压的环境中工作，管板的质量直接关系到蒸汽发生器的寿命及核电站的安全运行。

随着核电站单机容量不断增加，蒸汽发生器管板的尺寸也在不断增大，几种不同堆型核电站中蒸汽发生器的管板尺寸如表1所示。

表1 蒸汽发生器管板尺寸Table 1 Dimension of steam generator tube sheet

1 蒸汽发生器制造的特点

蒸汽发生器在制造厂正式开工一般是从管板焊接临时吊耳，一次侧堆焊开始。蒸汽发生器的制造周期一般为3～4年。其中，管板从堆焊到热处理到最终完成钻孔加工需要大半年时间，再考虑到制造过程中可能出现不符合项等因素，其制造周期可能会更长。因此管板的制造对整个蒸汽发生器的进度起着至关重要的影响，管板的制造技术会直接影响蒸汽发生器的产品质量。

对某制造厂蒸汽发生器制造过程中出现的不符合项NCR(Non-conform Report)统计如图1所示。从图1中可以看出蒸汽发生器制造过程中的不符合项主要表现在机加工、人为操作、机械性能、焊接热处理、无损检测等方面。其中机械性能和机加工等因素占比例较大，机械性能主要体现在原材料或产品热处理后性能不能满足文件要求。

图1 蒸汽发生器制过程中NCR分布Fig.1 NCR distribution for steam generator manufacture

按照HAF003《核电厂质量保证安全规定》第十章规定不符合项的处理有四种方式：照用(use as is)，返修(repair)，返工(rework)，报废(reject)[3]。其中，返工为使不合格产品符合要求而对其所采取的措施，是把不合格品变成合格品。返修，为使不合格产品满足预期用途而对其所采取的措施，返修处理后的产品始终还是非良品。从统计分布图中可以发现，蒸汽发生器零部件中因机械性能的不符合报废的较多，其他因素通过返工、返修等途径大部分可以达到可接受的程度。

2 管板锻造

管板锻件直径及厚度很大，在实际生产中，锻造难度大，质量控制难。影响锻件的质量很多，其中主要包括钢锭的性能，锻造工艺及锻造后热处理。锻造比是衡量锻造工艺的一个重要参数。锻造比的选择主要考虑金属材料种类、锻件性能要求、工序种类及锻件的形状尺寸等因素。锻造过程随着锻造比的增大，锻件的纵向和横向力学性能均得到明显提高。锻造比的大小影响金属的力学性能和锻件质量，若锻造比选择过小，锻件达不到性能要求；如锻造比过大，一方面增加工作量且对材料性能无贡献作用，另一方相反可能强化材料的各项异性趋势反而不利于材料性能的提高[4]。因此，合理的选择锻造比是保证锻件质量的一个重要工艺因素。

对蒸汽发生器管板用SA-508 Gr.3 Cl.2锻件进行了不同锻造比的试验。不同锻造比条件下材料的屈服强度和抗拉强度如图2所示。图中表明，锻造比小于4时，随着锻造比的增大材料的性能明显得到改善；锻造比在4～6时材料的性能变化趋于缓和；锻造比大于6时材料的性能不再有显著变化。在蒸汽发生器管板的锻造过程中，通常推荐选择锻造比为6左右。

图2 SA-508 Gr.3 Cl.2锻造比与强度关系Fig.2 The relationship between theforging ratio and strength of SA-508 Gr.3 Cl.2

3 管板堆焊

蒸汽发生器管板为了满足强度需求通常采用低合金钢，但是管板的一次侧与反应堆冷却剂截止接触，为了保证抗腐蚀性能，需要在管板的一次侧表面堆焊耐腐蚀的镍基或者不锈钢堆焊层。

管板的堆焊方法通常分为带极自动堆焊、丝极自动堆焊和手工焊。带极堆焊的原理与丝极堆焊基本相同，最主要的区别在于用焊带取代焊丝。带极堆焊相对丝极的主要的优势：非常均匀的焊道熔深；更低的母材稀释率水平，允许以更少的堆焊层达到化学成分及性能要求；更高的生产率，可减少堆焊焊道数量及搭接数量。手工焊主要用在管板的拐角区域及自动焊机无法到达的边缘区域。蒸汽发生器管板大平面的镍基带极堆焊如图3所示。

影响管板堆焊质量因素主要包括管板母材的焊接性能，焊材的特性，焊接工艺，焊接工人的操作水平等。

图3 管板堆焊Fig.3 Cladding weld for the tube sheet

3.1 管板母材的焊接性能

管板母材为SA-508 Gr.3 C1.2，其化学成分如表2所示。钢材中决定可焊性的影响因素主要是碳及合金元素的含量。为了方便表达这些元素对焊接性能的影响，通过大量的试验数据统计简单的用碳当量来表示。

表2 管板母材的化学成分Table 2 Chemical composition of tube sheet SA-508 Gr.3 C1.2

根据国际焊接协会推荐的Ceq的计算公式为[5]：

(1)

式中，w为钢材中相应元素的质量分数。碳当量越高，焊接性能越差，当Ceq<0.4%时，材料塑性良好，淬硬倾向不明显，焊接性良好；当Ceq在0.4%～0.6%时，钢材的塑性下降，淬硬倾向逐渐增加，焊前工件需适当预热，焊后需要缓冷防止裂纹；当Ceq>0.6%时，钢材的塑性变差，淬硬倾向和冷裂倾向变大，工件必须预热到较高的温度，要采取减少焊接应力和防止开裂的技术措施，焊后还要进行适当的热处理。蒸汽发生器管板材料SA-508 Gr.3 C1.2按照公式(1)计算得到碳当量为0.7%超过了0.6%，因此管板母材进行堆焊前后，一定要注意预热和后热，以减小焊接前后的温差，降低冷却速度，减少焊接应力，从而防止裂纹的产生。

3.2 管板堆焊NCR原因分析

管板堆的焊层完成需要通过无损检测确保堆焊层的质量，当堆焊层无损检测出现缺陷时，通常需要打磨去除缺陷，然后进行补焊。管板制造过程中产生不符合项归纳起来原因如下：

1)堆焊区域的待焊面打磨不够圆滑或不平整产生的未熔合，如多层焊时，前一层焊缝表面未修磨圆滑，焊道之间凹下量较大等；

2)同一层焊道之间搭接错位，焊接过程中残渣清理不彻底，在起弧、收弧处没有清理彻底导致微小气孔或未熔合；

3)管板焊后热处理不当产生裂纹而导致的缺陷；

4)堆焊时人为因素(如未按规程操作、参数不正确等)造成的不符合。

针对管板母材本身的焊接特性及制造过程中出现NCR的原因，管板焊堆焊时应注意合理选择焊接工艺参数；管板堆焊层与层之间应该打磨彻底，且打磨区域应圆滑过度以利于第二层焊接的良好融合；严格按照评定合格的焊接工艺规程进行操作；严格执行稳定可靠的预热、后热、焊后热处理等热处理工艺。

4 管板热处理

管板堆焊过程中进行的热处理主要包括预热、后热以及焊后热处理等。预热是为了延长焊接时熔池凝固时间，减少温度梯度，降低焊接应力，提高抗裂性；后热是焊接后立即对焊件全部或局部进行加热、保温，是加快扩散氢逸出的工艺措施，主要目的是消氢；焊后热处理是待管板焊接完成后，将其加热到一定的温度，保持一定的时间，然后以一定的速度冷却下来，焊后热处理的目的是降低焊接残余应力，改善金相组织和提高综合性能。

依照管板母材SA-508 Gr.3 C1.2的特点和ASME的要求[6]，管板母材堆焊前进行预热温度150～250 ℃；焊后进行后热温度控制在250～400 ℃，保温时间4～5 h；焊接完成后的整体热处理保温温度为595～620 ℃，保温时间≥1 h，保守累计时间≤5 h。图4是管板焊后热处理过程中五组热电偶的温度曲线。温度控制包括保温时间和保守累计时间，保温时间是指管板上所有布置的热电偶显示超过595 ℃至所有热电偶中有一组热电偶温度开始低于595 ℃。保守累计保温时间是指管板上有一组热电偶温度高于595 ℃开始至加热结束管板上所有布置的热电偶显示都低于595 ℃，累积保温时间主要控制材料在整个服役期内热处理总时间不得超过经评定合格的热处理时间限定。

图4 焊后热处理温度曲线Fig.4 The curve of post weld heat treatment

在管板焊后热处理过程中，管板上任何相距4.5 m的两点间温度差不得超过140 ℃，同时，温度高于425 ℃时加热和冷却速度不超过220 ℃/h除以材料热处理的最大厚度(英寸)。

管板热处理完成，经无损检验合格后方能进行传热管孔的深孔钻，钻孔结束后将对管板管孔的一、二次侧进行工装保护，至此管板的加工完毕，将进行管板与水室封头和下筒体组件等部件的组装。

5 结 论

本文对管板制造的几个关键工艺如锻造、焊接、热处理进行了分析和讨论。管板锻造过程需要根据母材的特性选择合理的锻造比，同时对于管板的见证件需要和管板有相近的锻造比；管板的堆焊需要选取合理的焊接工艺参数并严格按照评定合格的工艺规程执行，同时配套一定的热处理工艺，避免堆焊层出现热裂纹、冷裂纹等缺陷；管板的热处理(预热、后热、焊后热处理)需要注意保温温度，保温时间，加热冷却的速率等因素。