核电设备焊接技术及其发展探究

核电设备焊接技术及其发展探究

林柯宇

烟台台海玛努尔核电设备有限公司  山东 烟台  264003

摘要：为提高核电设备焊接技术水平，保证核电设备制作及安装质量及运行安全性，本文对核反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器等核电设备的焊接技术展开详细论述，并从智能化焊接方向对焊接技术的发展展开总结和展望，意在全面提升核电设备焊接技术水平，推进核电设备生产制造。

关键词：核电设备；焊接技术；焊接材料；智能化；发展

前言：核电产业得已稳定发展的前提是核电设备的质量及运行安全性。核电设备的运行条件复杂，如循环荷载、高温、高压等，对设备的质量和安全提出了更高的要求。在制造及安装环节，焊接是主要的技术手段，人员因素、焊接材料以及焊接工艺等多重因素会对焊接质量产生影响。为推进核电事业稳定发展，重视焊接技术研究具有重要意义。

1.核电设备主要焊接技术工艺

1.1反应堆压力容器焊接工艺

1.1.1壳体焊缝焊接

如下图1所示为反应堆压力容器的内部构造，其作为大型厚壁设备，对焊接接头有着较高的质量要求，以往常规焊接技术难以满足焊接质量。因此采取U型坡口窄间隙的单丝直流电源埋弧自动焊工艺对接管段简体和筒身段简体环焊缝、过渡段简体和底封头环焊缝以及简身段筒体和过渡段简体环焊缝进行焊接。采取平焊焊接且以规格为φ4.0mm的低合金钢埋弧焊丝作为焊接材料，在环缝的外壁边缘实施埋弧自动焊[1]。

采取I型窄坡口单丝直流电源埋弧自动焊工艺对出口接管与接管段筒体马鞍形焊缝、安注接管与接管段筒体马鞍形焊缝以及进口接管和接管段简体马鞍形之间的焊缝进行焊接，实施平焊焊接，以规格为φ4.0mm的埋弧焊丝作为焊接材料，在带有衬板的环缝外壁边缘实施埋弧自动焊。

图1：反应堆压力容器的内部构造

1.1.2壳体、接管、顶盖等结构内壁的焊接

    采取带极埋弧自动平堆焊的焊接工艺对顶盖内壁、下简体内壁、上简体内壁、进口接管内壁、出口接管内壁、顶盖密封面以及接管段简体内壁等位置进行焊接，将奥氏体不锈钢焊带（EQ309L/EQ308L）作为焊接材料，将焊带尺寸控制在30×0.5mm和60×0.5mm。

1.1.3接管安全端焊接

反应堆压力容器接管和回路主管道的第一个焊接接头则为接管的安全端，该位置与堆芯活性区距离较近。其工作环境长期高压、高温且承受的应力复杂多变。因此，对于这一焊接接头要求具有高韧性和高塑性且需具有较好的耐腐蚀性能及抗疲劳性能。

出口接管安全端、进口接管安全端以及安注接管安全端均为反应堆压力容器的接管安全端。因此在焊接过程中，利用自动热丝TIG堆焊工艺对低合金钢接管侧的镍基合金690隔离层进行焊接，经热处理后，采取U型坡口窄间隙的自动冷丝氩弧对接焊工艺做好其与接管安全端镍基合金690对接焊缝的焊接，采取横焊焊接。

1.2蒸汽发生器焊接工艺

1.2.1壳体环缝焊接

如下图2为蒸汽发生器的结构示意图。采取V型手工氩弧焊联合U型坡口窄间隙单丝直流电源埋弧自动焊的焊接工艺对下简体与管板、上简体与上封头、管板与下封头的壳体环缝位置进行焊接，采取平焊焊接，在环缝位置依次实施手工电弧焊、环缝外壁清根以及埋弧自动焊。

图2：蒸汽发生器的结构示意图

1.2.2管板、接管、下封头等内壁焊接

管板材料厚度能够达到783mm且材料构成为低合金钢SA-508 Gr.3 CL.2。如下图3所示为管板堆焊区示意图，利用带极埋弧自动平堆焊焊接工艺对除了中心部位以外的管板平面区域进行焊接，由外圈向内圈环向堆焊。以镍基合金690焊带EQNiCrFe-7A及焊剂作为焊接材料，控制焊带尺寸为60×0.5mm。利用手工电弧平堆焊工艺对管板平面区域的中心位置及管板R区进行焊接，所有焊接材料为镍基合金690焊条[2]。使用带极埋弧自动平堆焊工艺并将奥氏体不锈钢焊带EQ309L/EQ308L及焊剂作为焊接材料对管板直段、出口接管内壁以及进口接管内壁进行焊接，控制焊带尺寸为30mm×0.5mm。

对于除中心部位以外的下封头内壁的焊接工艺为带极埋弧自动平堆焊，使用奥氏体不锈钢焊带EQ309L/EQ308L及焊剂，堆焊3层，将焊带尺寸控制在60mm×0.5mm。

图3：管板堆焊区示意图

1.3稳压器焊接工艺

1.3.1壳体环缝焊接

稳压器结构示意图如下图4所示，利用V型手工氩弧焊结合U型坡口窄间隙单丝直流电源埋弧自动焊的焊接工艺对上简体与中简体、下简体与下封头、上封头与上简体以及中简体与下简体的壳体环缝进行焊接，以平焊作为焊接位置。焊接流程如下：手工电弧焊对环缝内壁进行焊接——环缝外壁清根——埋弧自动焊。焊接材料包括低合金钢F9P4-EM2一M2埋弧焊丝/焊剂，规格为φ4.0mm；低合金钢E9018-G焊条，规格包括φ3.2mm、φ4.0mm和φ5.0mm。

采取I型窄坡口的单丝直流电源埋弧自动焊工艺对人孔座与上简体的马鞍形环缝进行焊接，以平焊作为焊接位置。焊接工艺流程如下：埋弧自动焊焊接带衬板的环缝外壁——将衬板去除并清根——埋弧自动焊。所用焊接材料为低合金钢F9P4一EM2一M2埋弧焊丝/焊剂，焊丝规格为φ4.0mm。

图4：稳压器结构示意图

1.3.2接管安全端焊接

    稳压器内部构造中波动接管安全端、安全卸压接管安全端和喷雾接管安全端均为接管安全端构成。其中对于安全卸压接管安全端与波动接管安全端的焊接而言，要求在低合金钢接管内壁堆焊镍基合金690，随后在低合金钢接管侧外端进行镍基合金690隔离层的预堆焊，最后将其和安全端进行对接。而喷雾接管安全端则需要在低合金钢接管侧（母材SA-508 Gr.3Cl.2）对镍基合金690隔离层进行预先堆焊，再与安全端对接（母材SB564 UNS N06690）。

2.核电设备焊接技术发展展望

如今，基于核电产业的特殊性，其在尝试先进焊接工艺方面较为保守。以核级主设备为例，当前常用的焊接技术均为传统焊接，智能化焊接及自动化焊接的发展与应用仍存在一定不足。随着人工智能、超声电弧焊、激光焊以及真空电子束焊等焊接技术的发展与应用，核电设备也向着一体化和大型化方向发展。未来发展过程中对焊缝厚度的要求以及焊接精度的要求将越来越高，传统的焊接技术的应用受到一定限制。因此，在核电设备焊接技术发展过程中应注重与智能化焊接技术的融合。

首先，对于镍基对接焊缝、RPV上的贯穿件与封头焊缝等焊接难度较大，应当根据焊接要求及焊缝特点对先进焊接设备进行研发，早日实现应用焊接机器人[3]。其次，运用视觉传感技术对焊缝熔池实现实时监测，自动化获取余高、熔深等焊缝参数，基于焊缝参数与焊缝质量间的模型关系，对焊接质量进行评估，保证核电设备安全性。此外，基于数据库、智能化焊接工艺、智能设备构建焊接系统平台，实现智能化焊接的远程操控、焊接及诊断，提高焊接精度及质量。

结束语：综上所述，核电设备焊接技术水平及焊接质量直接关联着核电设备制造的质量及安全性。本文就核电设备的反应堆压力容器、蒸汽发生器以及稳压器焊接中常用的焊接技术进行介绍，并从智能化焊接角度展望核电技术的发展，意在为核电事业的发展作出应有贡献。

参考文献：

[1] 罗英,郑浩,邱天,等. 核级主设备焊接技术探讨及展望[J]. 电焊机,2020,50(9):194-201.

[2] 肖瑞旺. 核电站硼注箱国产化材料20MnHR的焊接[J]. 电焊机,2019,49(2):109-112.

[3] 池乐忠. 对核电设备焊接技术现状与发展前景的探究[J]. 科学与财富,2019(12):64.