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(上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233)

蒸汽發(fā)生器是核電站核島關鍵設備之一，屬于核電站第二道放射性防護的屏障[1]。蒸汽發(fā)生器通過傳熱管將一回路的熱量傳遞到二回路，產生滿足要求的合格蒸汽以推動汽輪機做功發(fā)電，同時起到隔離一回路和二回路的重要作用[2]。

蒸汽發(fā)生器主要包括一次側壓力邊界、二次側壓力邊界和內件組成。其中管板同時是一次側和二次側的壓力邊界，其長期接觸一回路帶有放射性和腐蝕性的反應堆冷卻劑，在高溫高壓的環(huán)境中工作，管板的質量直接關系到蒸汽發(fā)生器的壽命及核電站的安全運行。

隨著核電站單機容量不斷增加，蒸汽發(fā)生器管板的尺寸也在不斷增大，幾種不同堆型核電站中蒸汽發(fā)生器的管板尺寸如表1所示。

表1 蒸汽發(fā)生器管板尺寸Table 1 Dimension of steam generator tube sheet

1 蒸汽發(fā)生器制造的特點

蒸汽發(fā)生器在制造廠正式開工一般是從管板焊接臨時吊耳，一次側堆焊開始。蒸汽發(fā)生器的制造周期一般為3～4年。其中，管板從堆焊到熱處理到最終完成鉆孔加工需要大半年時間，再考慮到制造過程中可能出現(xiàn)不符合項等因素，其制造周期可能會更長。因此管板的制造對整個蒸汽發(fā)生器的進度起著至關重要的影響，管板的制造技術會直接影響蒸汽發(fā)生器的產品質量。

對某制造廠蒸汽發(fā)生器制造過程中出現(xiàn)的不符合項NCR(Non-conform Report)統(tǒng)計如圖1所示。從圖1中可以看出蒸汽發(fā)生器制造過程中的不符合項主要表現(xiàn)在機加工、人為操作、機械性能、焊接熱處理、無損檢測等方面。其中機械性能和機加工等因素占比例較大，機械性能主要體現(xiàn)在原材料或產品熱處理后性能不能滿足文件要求。

圖1 蒸汽發(fā)生器制過程中NCR分布Fig.1 NCR distribution for steam generator manufacture

按照HAF003《核電廠質量保證安全規(guī)定》第十章規(guī)定不符合項的處理有四種方式：照用(use as is)，返修(repair)，返工(rework)，報廢(reject)[3]。其中，返工為使不合格產品符合要求而對其所采取的措施，是把不合格品變成合格品。返修，為使不合格產品滿足預期用途而對其所采取的措施，返修處理后的產品始終還是非良品。從統(tǒng)計分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，蒸汽發(fā)生器零部件中因機械性能的不符合報廢的較多，其他因素通過返工、返修等途徑大部分可以達到可接受的程度。

2 管板鍛造

管板鍛件直徑及厚度很大，在實際生產中，鍛造難度大，質量控制難。影響鍛件的質量很多，其中主要包括鋼錠的性能，鍛造工藝及鍛造后熱處理。鍛造比是衡量鍛造工藝的一個重要參數(shù)。鍛造比的選擇主要考慮金屬材料種類、鍛件性能要求、工序種類及鍛件的形狀尺寸等因素。鍛造過程隨著鍛造比的增大，鍛件的縱向和橫向力學性能均得到明顯提高。鍛造比的大小影響金屬的力學性能和鍛件質量，若鍛造比選擇過小，鍛件達不到性能要求；如鍛造比過大，一方面增加工作量且對材料性能無貢獻作用，另一方相反可能強化材料的各項異性趨勢反而不利于材料性能的提高[4]。因此，合理的選擇鍛造比是保證鍛件質量的一個重要工藝因素。

對蒸汽發(fā)生器管板用SA-508 Gr.3 Cl.2鍛件進行了不同鍛造比的試驗。不同鍛造比條件下材料的屈服強度和抗拉強度如圖2所示。圖中表明，鍛造比小于4時，隨著鍛造比的增大材料的性能明顯得到改善；鍛造比在4～6時材料的性能變化趨于緩和；鍛造比大于6時材料的性能不再有顯著變化。在蒸汽發(fā)生器管板的鍛造過程中，通常推薦選擇鍛造比為6左右。

圖2 SA-508 Gr.3 Cl.2鍛造比與強度關系Fig.2 The relationship between theforging ratio and strength of SA-508 Gr.3 Cl.2

3 管板堆焊

蒸汽發(fā)生器管板為了滿足強度需求通常采用低合金鋼，但是管板的一次側與反應堆冷卻劑截止接觸，為了保證抗腐蝕性能，需要在管板的一次側表面堆焊耐腐蝕的鎳基或者不銹鋼堆焊層。

管板的堆焊方法通常分為帶極自動堆焊、絲極自動堆焊和手工焊。帶極堆焊的原理與絲極堆焊基本相同，最主要的區(qū)別在于用焊帶取代焊絲。帶極堆焊相對絲極的主要的優(yōu)勢：非常均勻的焊道熔深；更低的母材稀釋率水平，允許以更少的堆焊層達到化學成分及性能要求；更高的生產率，可減少堆焊焊道數(shù)量及搭接數(shù)量。手工焊主要用在管板的拐角區(qū)域及自動焊機無法到達的邊緣區(qū)域。蒸汽發(fā)生器管板大平面的鎳基帶極堆焊如圖3所示。

影響管板堆焊質量因素主要包括管板母材的焊接性能，焊材的特性，焊接工藝，焊接工人的操作水平等。

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

3.1 管板母材的焊接性能

管板母材為SA-508 Gr.3 C1.2，其化學成分如表2所示。鋼材中決定可焊性的影響因素主要是碳及合金元素的含量。為了方便表達這些元素對焊接性能的影響，通過大量的試驗數(shù)據統(tǒng)計簡單的用碳當量來表示。

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

根據國際焊接協(xié)會推薦的Ceq的計算公式為[5]：

(1)

式中，w為鋼材中相應元素的質量分數(shù)。碳當量越高，焊接性能越差，當Ceq<0.4%時，材料塑性良好，淬硬傾向不明顯，焊接性良好；當Ceq在0.4%～0.6%時，鋼材的塑性下降，淬硬傾向逐漸增加，焊前工件需適當預熱，焊后需要緩冷防止裂紋；當Ceq>0.6%時，鋼材的塑性變差，淬硬傾向和冷裂傾向變大，工件必須預熱到較高的溫度，要采取減少焊接應力和防止開裂的技術措施，焊后還要進行適當?shù)臒崽幚?。蒸汽發(fā)生器管板材料SA-508 Gr.3 C1.2按照公式(1)計算得到碳當量為0.7%超過了0.6%，因此管板母材進行堆焊前后，一定要注意預熱和后熱，以減小焊接前后的溫差，降低冷卻速度，減少焊接應力，從而防止裂紋的產生。

3.2 管板堆焊NCR原因分析

管板堆的焊層完成需要通過無損檢測確保堆焊層的質量，當堆焊層無損檢測出現(xiàn)缺陷時，通常需要打磨去除缺陷，然后進行補焊。管板制造過程中產生不符合項歸納起來原因如下：

1)堆焊區(qū)域的待焊面打磨不夠圓滑或不平整產生的未熔合，如多層焊時，前一層焊縫表面未修磨圓滑，焊道之間凹下量較大等；

2)同一層焊道之間搭接錯位，焊接過程中殘渣清理不徹底，在起弧、收弧處沒有清理徹底導致微小氣孔或未熔合；

3)管板焊后熱處理不當產生裂紋而導致的缺陷；

4)堆焊時人為因素(如未按規(guī)程操作、參數(shù)不正確等)造成的不符合。

針對管板母材本身的焊接特性及制造過程中出現(xiàn)NCR的原因，管板焊堆焊時應注意合理選擇焊接工藝參數(shù)；管板堆焊層與層之間應該打磨徹底，且打磨區(qū)域應圓滑過度以利于第二層焊接的良好融合；嚴格按照評定合格的焊接工藝規(guī)程進行操作；嚴格執(zhí)行穩(wěn)定可靠的預熱、后熱、焊后熱處理等熱處理工藝。

4 管板熱處理

管板堆焊過程中進行的熱處理主要包括預熱、后熱以及焊后熱處理等。預熱是為了延長焊接時熔池凝固時間，減少溫度梯度，降低焊接應力，提高抗裂性；后熱是焊接后立即對焊件全部或局部進行加熱、保溫，是加快擴散氫逸出的工藝措施，主要目的是消氫；焊后熱處理是待管板焊接完成后，將其加熱到一定的溫度，保持一定的時間，然后以一定的速度冷卻下來，焊后熱處理的目的是降低焊接殘余應力，改善金相組織和提高綜合性能。

依照管板母材SA-508 Gr.3 C1.2的特點和ASME的要求[6]，管板母材堆焊前進行預熱溫度150～250 ℃；焊后進行后熱溫度控制在250～400 ℃，保溫時間4～5 h；焊接完成后的整體熱處理保溫溫度為595～620 ℃，保溫時間≥1 h，保守累計時間≤5 h。圖4是管板焊后熱處理過程中五組熱電偶的溫度曲線。溫度控制包括保溫時間和保守累計時間，保溫時間是指管板上所有布置的熱電偶顯示超過595 ℃至所有熱電偶中有一組熱電偶溫度開始低于595 ℃。保守累計保溫時間是指管板上有一組熱電偶溫度高于595 ℃開始至加熱結束管板上所有布置的熱電偶顯示都低于595 ℃，累積保溫時間主要控制材料在整個服役期內熱處理總時間不得超過經評定合格的熱處理時間限定。

圖4 焊后熱處理溫度曲線Fig.4 The curve of post weld heat treatment

在管板焊后熱處理過程中，管板上任何相距4.5 m的兩點間溫度差不得超過140 ℃，同時，溫度高于425 ℃時加熱和冷卻速度不超過220 ℃/h除以材料熱處理的最大厚度(英寸)。

管板熱處理完成，經無損檢驗合格后方能進行傳熱管孔的深孔鉆，鉆孔結束后將對管板管孔的一、二次側進行工裝保護，至此管板的加工完畢，將進行管板與水室封頭和下筒體組件等部件的組裝。

5 結 論

本文對管板制造的幾個關鍵工藝如鍛造、焊接、熱處理進行了分析和討論。管板鍛造過程需要根據母材的特性選擇合理的鍛造比，同時對于管板的見證件需要和管板有相近的鍛造比；管板的堆焊需要選取合理的焊接工藝參數(shù)并嚴格按照評定合格的工藝規(guī)程執(zhí)行，同時配套一定的熱處理工藝，避免堆焊層出現(xiàn)熱裂紋、冷裂紋等缺陷；管板的熱處理(預熱、后熱、焊后熱處理)需要注意保溫溫度，保溫時間，加熱冷卻的速率等因素。