一、核電的發(fā)展

隨著世界氣候變暖等環(huán)保壓力的加劇，提倡低碳經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)綠色發(fā)展的呼聲日趨高漲。2009年9月，我國在聯(lián)合國氣候變化峰會上宣布，爭取到2020年非化石能源占一次能源的比重達(dá)到15%。在2009年年底召開的哥本哈根大會上，中國政府承諾到2020年我國單位GDP的二氧化碳排放量將比2005年下降40%～45%。

實現(xiàn)這一承諾的主要途徑是發(fā)展核能、水能以及風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源。與其他非化石能源相比，核電技術(shù)成熟、可大規(guī)模提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，是最為有效的選擇。

自1951年12月美國實驗增殖堆1號（EBR-1）首次利用核能發(fā)電以來，世界核電至今已有將近60多年的發(fā)展歷史。截止到2009年年底，世界上已有運行核電機(jī)組約441座（包括5座長期關(guān)閉機(jī)組）、在建核電機(jī)組近60座，世界上的核電機(jī)組主要分布在北美、歐洲、日本和韓國，如圖1所示。核電機(jī)組發(fā)電量占世界總發(fā)電量的16%，世界上已經(jīng)有近12 000堆 · 年的核電運行經(jīng)驗，運行核電機(jī)組的平均役齡達(dá)25年。

圖1 世界上的核電機(jī)組主要分布

目前我國大陸已投運核電機(jī)組12座，裝機(jī)容量共約1 016萬kW。國家能源局已核準(zhǔn)了12個核電項目，34座機(jī)組，總裝機(jī)容量3692萬kW，其中已開工建設(shè)25座，其余的也會在2020年以前完工。此外還有近20座機(jī)組獲準(zhǔn)開展前期工作。在全世界在建的近60座核電機(jī)組中，我國已成為世界上在建核電規(guī)模最大的國家。

二、核電機(jī)組

核電機(jī)組就是由核反應(yīng)堆及其配套的汽輪發(fā)電機(jī)組以及為維持它們正常運行和保證安全所需的系統(tǒng)和設(shè)施組成的基本發(fā)電單元。一套核電機(jī)組如圖2。

圖2 核電機(jī)組

核反應(yīng)堆是核電站的核心關(guān)鍵部分，鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)就在其中進(jìn)行。核反應(yīng)堆種類很多，核電站中使用較多的是壓水堆。

壓水堆核電站的基本工作原理：核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)的設(shè)備中發(fā)生裂變而產(chǎn)生大量熱能，再用處于高壓力下的水把熱能帶出，在蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動氣輪機(jī)帶著發(fā)電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，電就這樣源源不斷地產(chǎn)生出來，并通過電網(wǎng)送給用戶。

核燃料是把小指頭大的燒結(jié)二氧化鈾芯塊，裝到鋯合金管中，再將300多根裝有芯塊的鋯合金管組裝在一起，成為燃料組件如圖3。大多數(shù)組件中都有一束控制棒，控制著鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的強度和反應(yīng)的開始與終止。

圖3 燃料組件

壓水堆以水作為冷卻劑在一次側(cè)冷卻水泵的推動下流過燃料組件，吸收了核裂變產(chǎn)生的熱能以后流出反應(yīng)堆，進(jìn)入蒸發(fā)器，在那里把熱量傳給二次側(cè)水，使它們變成蒸汽送去發(fā)電， 而一次側(cè)水本身的溫度就降低了。從蒸汽發(fā)生器出來的一次側(cè)水再由一次側(cè)冷卻水泵送回反應(yīng)堆去加熱。一次側(cè)水的這一循環(huán)通道稱為一回路，一回路的高壓由穩(wěn)壓器來維持和調(diào)節(jié)。

三、壓力容器的作用

壓力容器是核電站反應(yīng)堆中的心臟設(shè)備，其基本作用包括如下三個：

1、作為盛裝及包容反應(yīng)堆堆芯的容器。壓力容器不僅起著固定和支撐堆內(nèi)構(gòu)件的作用，保證燃料組件按一定的間距在堆芯內(nèi)的支撐與定位，同時也起到了維持和控制核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的作用。

2、作為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的一部分。壓力容器不僅使高溫高壓的冷卻劑保持在一個密封的殼體內(nèi)，從而實現(xiàn)核能-熱能轉(zhuǎn)換的裝置，還承受著一回路冷卻劑與外部壓差的壓力邊界的作用。

3、考慮到反應(yīng)堆內(nèi)中子的外逸，壓力容器的厚壁起到了輻射屏蔽的作用。

一般核電站的設(shè)計壽命為40年(目前世界上較先進(jìn)的第三代核電站的設(shè)計壽命已達(dá)60年)，以及核電站運行時由于冷卻劑的循環(huán)流動，造成的水對核心設(shè)備的沖刷和腐蝕，設(shè)備的耐蝕性能與金屬的蠕變及老化，在材料的選擇上要選用具有高機(jī)械強度和在強中子輻射下不易脆化的材料。

壓力容器在安全等級上屬核Ⅰ級設(shè)備，必須具備極高的可靠性和安全性，以保證其在各種工況條件下均能保持安全可靠運行，不致發(fā)生容器破壞或放射性冷卻劑外泄等嚴(yán)重的事故。

四、壓力容器的結(jié)構(gòu)

壓力容器是一個立式大開口法蘭螺栓聯(lián)接的圓筒形厚壁容器，本體高約10m(控制棒長度不計算在內(nèi))，內(nèi)徑約4m，壁厚約0.2m。它由反應(yīng)堆容器、頂蓋、緊固密封件三部分組成。

壓力容器主體是一個厚厚的鋼質(zhì)筒形外殼，其底部是焊接的半球形底封頭，上部為一個可拆的、用法蘭連接和裝密封環(huán)的半球形上封頭，腰部有若干個進(jìn)水口和出水口接管分別與反應(yīng)堆各個冷卻劑環(huán)路的冷段和熱段連接。這些接管位于恰好低于反應(yīng)堆壓力容器法蘭但高于堆芯頂部的一個水平面上。另外，還有兩個中壓安注的入口接管，壓力容器內(nèi)是堆芯，堆芯由燃料組件和控制棒組件等構(gòu)成。壓力容器結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 壓力容器結(jié)構(gòu)

水作為冷卻劑通過進(jìn)口接管進(jìn)入壓力容器，并且向下流過堆芯吊籃和容器壁之間的環(huán)形空間，在底部轉(zhuǎn)向，朝上流過堆芯到出口接管。

此時水起到了兩個作用，一是降低中子的速度使之易于被鈾-235吸收，二是帶出核燃料反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量。

反應(yīng)堆壓力容器法蘭和上封頭用兩道金屬密封環(huán)密封，密封泄漏借助內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的一根引漏接管檢測。

壓力容器頂部裝有控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)，通過上下移動控制棒來改變控制棒在燃料組件中的位置，從而實現(xiàn)開堆、停堆（包括緊急停堆）和調(diào)節(jié)功率大小的作用。

五、壓力容器的制造

壓力容器具有尺寸大，壁厚及重量大，焊接、裝配及加工精度高，制造過程中需涉及大量光學(xué)測量。

1、壓力容器驅(qū)動管座J形接頭自動脈沖氬弧焊接

壓力容器頂蓋CRDM管座與封頭J型接頭的鎳基合金焊接工藝如圖5，早期采用的是手工氬弧焊工藝。如秦山二期2號堆600MW反應(yīng)堆壓力容器，CRDM管座與封頭J型接頭的焊接工藝采用的就是手工氬弧焊，焊接材料為INCONEL 690合金系統(tǒng)的鎳基合金。由于接頭空間形狀復(fù)雜，焊接操作困難，而且焊道表面打磨困難，效率低，焊接質(zhì)量控制難度大。

圖5 壓力容器驅(qū)動管座J形接頭

J型接頭鎳基合金焊接的要點是J形接頭自動脈沖氬弧焊工藝和熔池動態(tài)保護(hù)、基于最小焊接變形的焊接工藝分析、強制快冷和外力作用下的焊接變形分析、J型接頭焊接變形動態(tài)測量技術(shù)異種金屬接頭（包括J型接頭）堆焊層及焊縫化學(xué)成分與微觀組織和性能分析、異種金屬接頭高溫試驗條件下元素擴(kuò)散與組織演變規(guī)律及性能關(guān)聯(lián)性研究、J型接頭30年使用壽命所允許的最大內(nèi)部缺陷尺寸的評估。

目前國際上多采用先進(jìn)的自動氬弧焊技術(shù)，自動氬弧焊技術(shù)首先可大幅提高焊接效率，相比手工焊，效率至少可提高一倍以上；焊道表面成形可減少打磨工作量，焊縫質(zhì)量可明顯提高。更易確定焊接變形的規(guī)律，對制定控制焊接殘余變形的措施提供了更為有利的條件。

2、進(jìn)出口接管與壓力容器接管段深坡口的焊接

進(jìn)出口接管與接管段深坡口環(huán)焊縫部位厚度大、剛度大，具有相當(dāng)大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和焊接應(yīng)力，易產(chǎn)生焊接變形和裂紋，進(jìn)出口接管與接管段深坡口環(huán)焊縫如圖6。

目前國內(nèi)已經(jīng)在研究窄間隙馬鞍焊縫焊接焊接技術(shù)，通過研究可以得到合理的焊接順序和適時的中間焊后熱處理，使之具有焊縫填充金屬最少，焊接應(yīng)力和變形最小的優(yōu)點。

圖6 進(jìn)出口接管與接管段深坡口環(huán)焊縫

3、Inconel690異種金屬接管安全端焊接技術(shù)

壓力容器由于長期在高溫、高壓、高輻射條件下運行，其接管安全端異種鋼焊接接頭易受熱變應(yīng)力的長期作用而出現(xiàn)疲勞以致失效，這對焊接接頭的綜合性能要求就很高。另外，由于接管安全端的焊接是異種金屬（Inconel690與不銹鋼316L）之間的對接焊，對于焊接工藝和焊接操作方面也是一個挑戰(zhàn)。因此，接管安全端異種金屬的焊接技術(shù)也是目前世界各核電設(shè)備制造商研究并力求突破的一個難點。Inconel690異種金屬接管安全端焊接如圖7。

壓力容器Inconel690異種金屬安全端焊接技術(shù)的關(guān)鍵是窄間隙坡口Inconel690的可焊性和焊接接頭的綜合性能，窄間隙坡口下Inconel690異種金屬低塑性裂紋傾向的評定，三維應(yīng)力下異種金屬接頭的斷裂行為研究。

圖7 Inconel690異種金屬接管安全端焊接

目前國內(nèi)正在通過相關(guān)研究，建立異種金屬低塑性裂紋判據(jù)，形成接頭質(zhì)量控制技術(shù)，如最小坡口寬度，不同焊接位置的適應(yīng)性，冷速、應(yīng)力、成分波動的控制。

4、壓力容器的立式加工

壓力容器具有長度大，重量大的特點，以往由于受加工設(shè)備的限制，一般壓力殼容器組件的最終機(jī)加工都采用臥式加工方式，由大型數(shù)控鏜銑床進(jìn)行密封面及各部的最終加工。由于這種加工方式難以解決工件因臥置而造成的工件變形，而且臥式加工的工裝復(fù)雜、加工效率偏低、加工精度也易受到各種因素的綜合影響。

圖8 壓力容器的立式加工

臥式加工方法克服不了由于工件自重而產(chǎn)生的直徑變形，因此相關(guān)的加工精度要求確實難以保證。同時，由于這種加工方法需要特制的工裝刀盤，該刀盤的繁冗結(jié)構(gòu)及過大重量給鏜銑床心軸的壓力為車削精度的保證帶來了難度。頂蓋密封面采用立式加工，機(jī)床裝夾定位相對簡便，但頂蓋結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。兩個O形圈密封槽對密封面的機(jī)加工提出了嚴(yán)苛的要求。

目前已在研究壓力容器組件密封面采用立式裝夾加工，將壓力容器段組件下封頭，坐于立式車銑加工中心工作臺的支撐工裝上，并輔之于出、入口接管下部的支承面的支撐來進(jìn)行裝夾和校正，卡爪高度達(dá)6m，利用高、低卡爪的分別調(diào)整方式及支承面的水平調(diào)整手段，校正容器法蘭接管端密封面平面與機(jī)床X軸平行，法蘭接管端外圓與機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺同軸車削密封面。頂蓋開口向上，采用數(shù)控車銑床加工頂蓋密封面、密封槽、銷釘孔以及頂蓋法蘭下平面、定位銷孔連接板，也可進(jìn)行法蘭上45只主螺栓孔和2只導(dǎo)向螺孔支承塊基準(zhǔn)孔的半精加工。

5、壓力容器水壓試驗

水壓試驗作為壓力容器出廠前的承壓檢驗，對判斷壓力容器制造質(zhì)量有重要的意義。另外，水壓試驗涉及面廣，持續(xù)時間長，整體難度大，具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性和系統(tǒng)性。立式水壓試驗深坑及水壓試驗如圖9及圖10所示。

圖9 立式水壓深坑

圖9 水壓試驗

壓力容器水壓試驗在于掌握壓力容器水壓試驗和檢驗的各項技術(shù)。針對主螺栓的特點，消化吸收主螺栓預(yù)緊要求，選用或定制合適的主螺栓拉伸器；掌握進(jìn)出口接管機(jī)械密封裝置和試驗用大型工藝裝備的技術(shù)。通過檢測技術(shù)研究和模擬試驗掌握該項檢測關(guān)鍵技術(shù)，通過模擬試驗驗證試驗參數(shù)，完善應(yīng)力和變形測試試驗規(guī)范。研制水壓試驗用水加熱系統(tǒng)和壓力試驗系統(tǒng)的控制技術(shù)。

以上介紹了壓力容器本體主體部件制造及壓力容器檢漏孔的鉆孔、M155×4主螺孔鉆孔、CRDM 和中子測量管座孔J 型坡口銑加工、壓力殼整體起吊、CRDM 管座冷裝、格柵板的安裝、燃料組件的安裝等工序。

六、技術(shù)優(yōu)勢

1、本體材料的預(yù)熱處理

壓力容器本體材料為Mn-Ni-Mo系低合金鋼鍛件，焊前必須預(yù)熱。低合金鋼對接焊要求的最低預(yù)熱溫度為175℃，一般控制在175～200℃左右；在低合金鋼表面上堆焊不銹鋼，第一層堆焊前預(yù)熱溫度控制在150℃以上，第二層及以后層堆焊前不預(yù)熱，層間溫度都控制在250℃以下。鎳基合金堆焊則保持在150℃以上的預(yù)熱溫度，同時層間溫度控制在225℃以下。不銹鋼或鎳基合金（包括堆焊或隔離層）之間焊接或堆焊一般不預(yù)熱，但當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時，要求預(yù)熱至少15℃。預(yù)熱范圍包括焊接（堆焊）區(qū)域及四周至少1.5 倍工件厚度范圍或整個工件，預(yù)熱處理方法采用電紅外加熱或燃?xì)饧訜帷?/p>

2、內(nèi)壁不銹鋼堆焊

(1)筒體、封頭、大面積堆焊工藝采用帶極埋弧堆焊，焊帶規(guī)格60×0.5mm。第一層用EQ309L焊帶，第二或第二、第三層用EQ308L 焊帶。局部帶極埋弧堆焊不可實施區(qū)域采用直流手工電弧堆焊工藝，第一層用E309L 焊條，第二、三/四層用E308L 焊條。

(2)接管采用鎢極氬弧焊堆焊和直流手工電弧堆焊工藝，鎢極氬弧焊焊絲規(guī)格φ1.2mm，第一層用ER309L 焊，第二及以后焊層使用ER308L 焊絲。直流手工電弧堆焊，第一層用E309L 焊條，第二、三/四層用E308L 焊條。

(3)密封面采用鎢極氬弧焊堆焊，焊絲規(guī)格φ1.2mm。第一層用ER309L 焊，第二層以后焊層使用ER308L 焊絲。

3、壓力容器的起吊翻身

壓力容器各零件尺寸大重量重，加工過程中需頻繁起吊翻身，為保證安全和對零件表面保護(hù)，尤其在容器組件整體翻身豎立以及頂蓋組件在泵水時與容器組件的精確吊裝就位時必須慎之又慎。因此必須對起吊翻身的手段和措施予以足夠的重視。

(1)在零件上裝焊“2+1”分布的工藝吊耳，實現(xiàn)起吊，翻身則利用行車的大小鉤在空中進(jìn)行。

(2)筒體組件等的翻身，考慮采用承重300t 的專用翻身設(shè)備，筒節(jié)先水平放置在翻轉(zhuǎn)設(shè)備上，翻轉(zhuǎn)設(shè)備通過液壓作用或行車提供動力，翻轉(zhuǎn)90°，筒節(jié)也隨之翻轉(zhuǎn)。采用翻轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，筒節(jié)或筒節(jié)組件不會因為局部受到較大的翻轉(zhuǎn)作用力產(chǎn)生變形，對筒節(jié)及組件的形狀保持更加有利。

(3)容器組件最終機(jī)加工為立式加工，因此容器組件的翻身可利用主螺孔預(yù)加工螺孔起吊，并設(shè)計制造一橫跨法蘭端面，定位在螺栓孔端面和外圓并固定在4只工藝螺栓孔內(nèi)的梁式吊具，吊具中心孔與行車主鉤配合，同時將鞍型支座（弧形面上墊木塊）放置在過渡段靠下封頭側(cè)下方，供翻身直立時支承。

4、容器法蘭和接管段筒體的變形控制

容器法蘭-接管段筒體及其6 只出、入口接管包含了容器組件最終機(jī)加工的絕大部分加工面，而且又是其中制造工序及熱處理循環(huán)最長的。因此，如何將容器法蘭-接管段筒體在制造過程中的變形控制在一定的范圍內(nèi)，確保各加工面最終的余量分配及堆焊層厚度的均勻性，具有非常重要的意義。

容器法蘭-接管段筒體內(nèi)壁及平面堆焊期間盡可能減少中熱次數(shù)，同時中熱時采用豎式裝爐，以減少熱處理過程中因自重而引起的變形；考慮到6只出、入口接管較大，同時接管焊縫又靠近接管段筒體端口，極易在焊接過程中發(fā)生變形，因此開孔、裝焊接管選擇在接管段筒體與堆芯筒體組焊成一體后進(jìn)行為宜；接管孔開孔和裝焊接管分三次進(jìn)行，先開面對面的一只入口接管孔和一只出口接管孔并焊妥兩只接管，選取筒體內(nèi)壁接管附近若干測量基準(zhǔn)點，在整個焊接過程中采用機(jī)械和光學(xué)測量監(jiān)控筒體變形，并視實際變形情況決定是否一只接管一次焊滿，或者兩只接管交替焊接。

5、進(jìn)出口接管的裝配

出、入口接管具有較高的方位以及軸向和徑向的尺寸要求，以確保出口接管內(nèi)凸臺的最終機(jī)加工余量和現(xiàn)場安裝時與主管道的順利對接，因此必須首先從接管裝配時加以嚴(yán)格控制。

(1)出口接管內(nèi)凸臺堆焊后在零件狀態(tài)下先對凸臺進(jìn)行初加工，為后續(xù)的裝配、變形測量和最終加工時的余量分配提供可靠的測量依據(jù)。

(2)開孔裝配在法蘭接管段筒體和堆芯筒體環(huán)縫裝焊后進(jìn)行，以增加開孔區(qū)筒體剛性。

(3)分三次開孔和裝配，每次開面對面的兩只孔。

6、CRDM（熱電偶）管座冷裝

CRDM 管座冷裝是頂蓋制造中的一項難點，管座冷裝需要使用到許多專用工裝輔具，并考慮到各方面因素對最終裝配精度的影響，同時需要進(jìn)行工藝試驗作為冷裝工藝的支撐。

(1)將一體化頂蓋口朝下置于三個高支撐座上，使用另三個矮支撐上的千斤頂校調(diào)密封面至水平。調(diào)整時在密封面放置光靶，使用全站儀監(jiān)控，調(diào)整密封面各位置高度差至±1.5mm 以內(nèi)，在法蘭面與高支撐之間塞入填隙片填實間隙。撤掉千斤頂，復(fù)查以保證頂蓋水平度。

(2)制造參考平臺工裝作為CRDM 冷裝支撐座的支撐底面，以及CRDM 高度定位的基準(zhǔn)平面。使用前先上立車光平上表面保證平面度±0.5mm以內(nèi)。將該支撐面置于頂蓋的正下方。

(3)制造若干規(guī)格的支撐座，并配有若干規(guī)格的高度填塊，要求能夠與支撐座一起組合出13 個高度，以滿足冷裝時CRDM 管座底面13 種規(guī)格的高度要求。工裝要求穩(wěn)定可靠，并能承受CRDM管座冷裝時恢復(fù)室溫后，軸向的伸長對支撐造成的擠壓。使用時，將支撐座調(diào)整好高度置于相應(yīng)的頂蓋管孔下方。