核电站关键部件的智能制造焊接解决方案探究

杨晓冬

（核工业工程研究设计有限公司，北京101300）

0 引言

近年来，全球能源紧缺具有显著趋势，能源多元化发展已成为必然方向。核电能源在节能、减排及环保等领域具有明显的优势，其发展进程对增强国力、促进我国长远发展发挥着举足轻重的作用。随着国家政策的持续改革，中国核电能源必将取得飞速发展。

1 稳压器电加热元件管的智能制造焊接分析

1.1 稳压器焊接现状

稳压器焊接主要采用在役更换焊接的方式。稳压器是核电站的核心设备，其运行状态关乎核电站的运行质量。为实现设备运行的最大功率，稳压器的上封头位置有63根电加热元件，此元件可将设备运行产生的热量进行转移，以达到周围零部件降温的作用，保证了核反应堆的安全运作。

加热元件属于损耗类部件，每隔一段时间需要进行更换，其更换通常采用在役更换的方式。元件更换通常采用符合核运作的不锈钢材质的元件，规格是ф32.5 mm×3.25 mm。由于更换空间较为狭小，所以只允许区域性打磨，焊接点在2G横焊的位置，此焊接必须一次成型，焊接难度极大，相关焊接设备几乎被国外垄断，国内有关发展受到极大阻碍。

1.2 稳压器元件焊接存在的问题及解决对策

在役更换的难题及相关解决方法通常包括如下几点：

（1）焊枪头设计，根据元件特点设计针对性的焊枪头可解决电加热元件更换难的问题，特殊焊枪头可在狭小空间作业。由于在役更换会受到空间及设备的影响，焊接难度远远大于安装难度。电加热元件更换过程中，焊枪头应符合任意更换的狭小空间。

（2）智能化焊接电源控制程序，通过控制焊接电源可有效避免氦气保护而造成的起弧难题。在应用TIG（非熔化极惰性气体保护电弧焊）焊接过程中，由于壁厚较薄，很难应用此焊接方式焊透成型，因此，运用保护器提升焊接熔深十分重要，将氦气作为其保护器可有效实现焊接的双面成型，降低了操作难度。但是，运用氦气只局限于理想状态，常规焊接电源无法在氦气的环境下电离起弧，因此，需根据焊接要求专门定制可在氦气环境下起弧的电源。

（3）娴熟可靠的焊接工艺，设备固然重要，但焊接工艺是确保焊接成形的重中之重。可靠的焊接工艺可确保首次焊接达到圆满的合格率。电加热元件更换前，应模拟焊接过程，更具焊接点模拟参数，确保焊接的合格率。目前，我国已经实现核电站电加热管的在役更换。

2 核岛控制棒驱动机构CRDM中部Ω密封环焊缝解决方案

2.1 CRDM中部Ω密封环焊缝焊接现状

本文将AP1000和“华龙一号”的控制棒驱动机构简称为“CRDM”，CRDM密封壳组件是很反应堆一回路压力边界，该组件是核安全的首要部件。CRDM具体指核反应堆控制系统、安全保护系统的监控手段，是一种依照安全标准伺机服务的组件。CRDM的功能是可根据核电厂反应控制系统的标准操作控制棒以达到范围内提升、调节和安全滞停的效果，CRDM的Ω密封环焊缝焊可避免应焊接而产生的变形，由于其焊接设置类似于Ω形状，所以，将其称成特异密封焊接。常规条件下，此焊接在2G位置开始，每条“华龙一号”为61条焊缝，与“华龙一号”不同，AP1000为69条焊缝。

焊缝可根据技术要求运用“填充环”采用TIG焊接的方式，避免人为焊接而造成的焊缝。以目前发展现状看，TIG全方位自动焊焊接时占地约为2个月，严重影响了其他作业的顺利开展。此外，AP1000的Ω密封环缝焊接主要在车间内进行，而“华龙一号”需在核电站现场进行，因此，对焊缝的要求极高。

2.2 CRDM中部Ω密封环焊缝焊接研究难点及攻克措施

CRDM中部Ω密封环焊缝焊接研究难点及攻克措施主要分为如下几点：

（1）根据作业需要，需对焊接头机构安装进行深入研究。通过分体式侧面安装的方式可有效解决TIG焊设备吊装行车占地的问题。所谓分体式TIG焊，就是采用U形盘进行卡紧操作，通过回旋盘实现Ω密封环焊接。具体操作为一人夹紧焊枪，或通过遥控的方式进行远程焊接。

（2）研究焊枪头。为有效解决AP1000厂内焊接不加填充环的自动填充焊接问题，应借助填丝和不填丝多角度焊头，通过自动化控制的方式在电源处进行操作。

（3）焊接电源的研究。稳定且可靠的数字化焊接电源是确保焊接顺利开展的基础，全方位一体化自动焊电源应具备数据采集、图像监控和相关数据记录的能力。焊接过程可通过远程操作，通过监控成像为焊接提供便利条件。同时焊接电源也应用具备存储数据的能力，便于后续作业的开展。

（4）研究可完全重现焊缝的软件系统，焊缝问题需通过重现性的WPS工艺进行模拟重现，以此实现精准且有效的控制线能量输入，达成一面焊双面成型的效果。同时，也要保证焊缝宽度大小相同，让焊缝具备一致性。焊缝颜色通常为银白色，焊缝形态必须严格按照相关标准执行。

焊接之前，焊接工艺需进行核一级不锈钢锻造棒制造的模拟件评定，依照CPX44601073N52144SS的CRDM小Ω密封环焊接工艺，有效开展焊机工艺试验，并对试验结果进行工艺评定。常规条件下，主要通过控制焊接工艺试验确定焊接实际作业可能出现的问题，通过分析气流量、保护气预送时间、焊接速度及电压等参数确保焊接的顺利进行。实际作业中不可变更任何参数，需按照事先测试成功的参数严格执行。

3 放射源端面焊接

3.1 放射源背景

最为常见的放射源为钴60，该元素是元素钴的同位性放射元素，此元素在国内通常在秦山第三核电站重水生产。钴60放射性极强，需在封闭的防辐射热室中借助遥控的手段将此元素放到符合核反应的不锈钢容器内，通过机械手臂进行断面密封封装焊接。焊接过程中会产生大量的热量，容易加热包壳内的空气，很容易造成焊接封装不充分的现象，由于空气温度高，焊接封装容易形成气孔。

3.2 端面焊研究难题及解决方案

首先，应研究符合热室条件且稳定性较强的自动焊设备，以耐辐照为焊接重点。其次，应研究稳定可靠的自动焊接工艺方法及相应的冷却措施，解决空气温度高的问题，从而避免因温度过高而产生焊接缺陷的问题。

4 结语

本文主要对放射源端面、CRDM及稳压器电加热元件管3个部件进行智能制造焊接分析，并对放射源断面焊、核岛控制棒驱动机构CRDM中部Ω密封环焊缝解决方案、稳压器电加热元件管的智能制造焊接进行详细论述。其中，“华龙一号”作为国内安全可靠的新一代核电站能源代表，不仅承载着国家发展的美好祈愿，还实现了机组高国产化率，为我国“装备的智能化之路”发展提供了明确方向。核电站作为衡量国家发展进程的关键指标，进一步降本增效，可有效提升我国国际化竞争力。