鄒國(guó)偉　王偉波

摘要：核反應(yīng)堆壓力容器是核電站唯一不可更換的核心設(shè)備，承受高溫、高壓、強(qiáng)輻射，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格高、制造工藝難度大、質(zhì)量控制要求嚴(yán)，而關(guān)鍵焊接技術(shù)直接影響設(shè)備的質(zhì)量及制造進(jìn)度，不僅與核電站建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)，更是核安全的基石，甚至影響國(guó)家安全。通過(guò)對(duì)“華龍一號(hào)”RPV關(guān)鍵焊接技術(shù)的特點(diǎn)及典型質(zhì)量問(wèn)題的分析，對(duì)焊接工藝、技術(shù)的研究，優(yōu)化以及工程實(shí)踐，顯著提升了“華龍一號(hào)”RPV的焊接質(zhì)量，同時(shí)大幅縮短制造工期、節(jié)約工程成本，對(duì)后續(xù)“華龍”RPV的制造提供了寶貴的技術(shù)積累和工程經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：華龍一號(hào);反應(yīng)堆壓力容器;焊接技術(shù);工藝優(yōu)化;質(zhì)量

中圖分類(lèi)號(hào)：TG40 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號(hào)：1001-2303（2020）12-0065-09

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.14

0 前言

核電是人類(lèi)迄今為止設(shè)計(jì)的最為復(fù)雜的能源系統(tǒng)，它利用核聚變或核裂變產(chǎn)生的巨大能量進(jìn)行發(fā)電，是目前已知最清潔、最高效的能源。核電站主要堆型有石墨堆、壓水堆、重水堆、沸水堆，快中子堆、高溫氣冷堆、鈉冷堆等核裂變反應(yīng)堆以及被稱(chēng)作“人造太陽(yáng)”的核聚變反應(yīng)堆。目前，世界主要建設(shè)的民用商業(yè)核電站堆型開(kāi)始由二代加（以法國(guó)壓水堆CPR1000為代表）發(fā)展為三代核電技術(shù)，在建機(jī)組最多的是中國(guó)的“華龍一號(hào)”（HPR1000）以及美國(guó)的AP1000堆型。世界核電主流堆型概況如圖1所示。

核電設(shè)備質(zhì)量是核電廠安全的基礎(chǔ)。核電廠由核島、常規(guī)島和電站輔助設(shè)施及核電廠的安全防護(hù)設(shè)施組成。核島為核電廠的核心部分，主要部件為核反應(yīng)堆壓力容器（簡(jiǎn)稱(chēng)RPV）、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵、主管道組成的一回路系統(tǒng)。壓水堆核電廠運(yùn)行原理如圖2所示。

“華龍一號(hào)”是“走出去”倡議及“一帶一路”建設(shè)的“中國(guó)名片”[1]，其核電技術(shù)在二代加核電（CPR1000）的成熟設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上融合法國(guó)、美國(guó)三代核電（EPR1700、AP1000）的先進(jìn)設(shè)計(jì)，更加安全和經(jīng)濟(jì)。RPV是核島一回路的核心設(shè)備（見(jiàn)圖3），也是核電站唯一不能更換的設(shè)備，是防止核泄漏的重要屏障。其質(zhì)量關(guān)系著核安全、國(guó)家安全，其制造進(jìn)度是核電工程60個(gè)月建設(shè)周期中一級(jí)里程碑，關(guān)系核電站建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性[2]。

“華龍一號(hào)”RPV采用RCC-M 2007標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相比二代加（CPR1000）堆型RPV顯著改變，且設(shè)計(jì)壽命更長(zhǎng)（60年），水壓試驗(yàn)壓力更大（24.6 MPa），設(shè)備尺寸更大（總高12 580 mm，內(nèi)徑4 340 mm，筒體最大壁厚290 mm，總重350 t）。拉長(zhǎng)關(guān)鍵路徑的同時(shí)，也導(dǎo)致焊接技術(shù)要求更高、焊接工藝難度更大，增加了焊接質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。HPR1000 RPV與CPR1000、AP1000主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比如表1所示，制造完工圖如圖4所示。

1 關(guān)鍵焊接技術(shù)概述

焊接是“華龍一號(hào)”RPV的主要制造工藝，其關(guān)鍵路徑上的主要焊縫焊接質(zhì)量要求高、工藝難度大、制造工期長(zhǎng)，關(guān)鍵焊接技術(shù)參數(shù)如表2所示，主要部件及關(guān)鍵焊縫如圖5所示。

中國(guó)一重是我國(guó)制造核反應(yīng)堆壓力容器最多的工廠，該廠近5年三大核電公司部分主流堆型RPV關(guān)鍵路徑部分主要焊縫質(zhì)量概況如圖6所示。

焊縫一次無(wú)損檢測(cè)（RT+UT）100%合格的質(zhì)量數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)的焊縫合格率（合格焊縫底片或長(zhǎng)度占比）的統(tǒng)計(jì)方法更為嚴(yán)苛，可更顯著地反映出焊縫質(zhì)量對(duì)制造進(jìn)度的影響。這是因?yàn)楹缚p返修從開(kāi)啟不符合項(xiàng)、分析缺陷原因、制定及審批方案，至補(bǔ)焊及熱處理（若有）完成，再檢測(cè)合格，耗時(shí)至少為1個(gè)月，對(duì)進(jìn)度影響顯著。例如：某項(xiàng)目RPV的馬鞍焊縫返修耗時(shí)3年才完成;焊縫一次合格率100%的防城港3號(hào)RPV制造進(jìn)度較同類(lèi)設(shè)備縮短超過(guò)30%，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著[3]。

2 關(guān)鍵焊接技術(shù)

2.1 大面積堆焊技術(shù)

RPV的大面積堆焊主要分為主鍛件內(nèi)壁大面積堆焊和接管大端曲面堆焊兩類(lèi)。

2.1.1 鍛件內(nèi)壁大面積堆焊

鍛件內(nèi)壁大面積堆焊以帶極埋弧堆焊（SAW）為主，其中6個(gè)大鍛件（上封頭、頂蓋法蘭、接管段、堆芯筒體、過(guò)渡段、下封頭）內(nèi)壁堆焊采用0.5 mm×50 mm焊帶，密封面及6個(gè)進(jìn)出口接管內(nèi)壁堆焊采用0.5 mm×30 mm焊帶，接管段對(duì)于無(wú)法使用帶極堆焊的邊緣部位采用焊條電弧焊（SMAW）。堆焊焊接參數(shù)和焊縫簡(jiǎn)圖以及焊接照片分別如表3和圖7所示。

2.1.2 典型質(zhì)量問(wèn)題1

典型質(zhì)量問(wèn)題1：接管段內(nèi)壁斜面區(qū)域體積型缺陷，夾渣、熔合不良。

技術(shù)改進(jìn)方案：調(diào)整輥輪架，將工件整體傾斜，使待堆焊的7°、16°斜面分別接近水平位置施焊，盡可能降低焊縫金屬熔池側(cè)向流動(dòng)力，減少焊道邊緣未熔合;調(diào)整焊帶與焊接方向角度，由垂直于焊接方向調(diào)至偏轉(zhuǎn)45°角，約可抵消7°斜面焊縫金屬熔池的重力流動(dòng);對(duì)斜面等高風(fēng)險(xiǎn)待焊表面增加拋磨工序，清除表面輕微氧化層，保證徹底清潔，進(jìn)一步提高母材、焊縫過(guò)渡金屬的純凈度，提高結(jié)合力;優(yōu)化斜面位置的修磨工藝，平滑過(guò)渡，消除前道成型不良導(dǎo)致的夾渣缺陷。

2.1.3 典型質(zhì)量問(wèn)題2

典型質(zhì)量問(wèn)題2：頂蓋法蘭密封面堆焊非體積性缺陷，疑似剝離（見(jiàn)圖8）。

技術(shù)改進(jìn)方案：降低首層焊接的預(yù)熱溫度至標(biāo)準(zhǔn)及焊接工藝評(píng)定、規(guī)程允許的下限（根據(jù)工藝控制水平留出5～10 ℃的溫度裕量，避免工件受熱不均勻?qū)е碌木植款A(yù)熱溫度過(guò)低）、焊接熱輸入，從而降低熔覆金屬結(jié)晶在高溫區(qū)停留的時(shí)間，以減少易剝離Ⅱ型晶粒邊界產(chǎn)生;分別從設(shè)計(jì)、工藝、施焊三個(gè)方面盡可能降低堆焊層厚度，從內(nèi)側(cè)逐步向外側(cè)施焊，減小或平衡堆焊層外徑邊緣的巨大殘余拉應(yīng)力。

2.1.4 接管大端曲面堆焊

傳統(tǒng)工藝為SMAW，現(xiàn)已逐步向機(jī)動(dòng)氬弧焊（GTAW/TIG）發(fā)展，并研發(fā)應(yīng)用了雙鎢極TIG。為提高焊接熔覆效率，單鎢極TIG堆焊一般采用熱絲焊接，電流0～50 A;雙鎢極TIG堆焊的送絲速度可達(dá)4 000 mm/min，熔敷效率非常高，約為單鎢極熱絲TIG堆焊的4倍。雙鎢極TIG堆焊的焊縫是由柱狀?yuàn)W氏體與鐵素體組成的典型奧氏體焊縫組織，奧氏體晶粒尺寸大于單鎢極晶粒尺寸，堆焊層硬度分布、沖擊性能、晶間腐蝕、化學(xué)成分等性能與單鎢極TIG堆焊接近，熔合線附近也存在與熔合線基本垂直的Ⅰ型邊界和容易產(chǎn)生沿晶界剝離缺陷的Ⅱ型邊界（與熔合線接近平行，見(jiàn)圖9）。高效的雙鎢極TIG堆焊，焊縫理化性能和機(jī)械性能良好，但對(duì)焊接電源質(zhì)量、焊接系統(tǒng)穩(wěn)定性、焊接操作人員技能要求較高[4]。

“華龍一號(hào)”RPV進(jìn)、出口接管大端面雙鎢極堆焊的焊接參數(shù)、焊縫簡(jiǎn)圖以及焊接照片分別如表4、圖10所示。

典型質(zhì)量問(wèn)題：焊道變換的拐彎處、焊接位置改變的過(guò)渡區(qū)熔合不良，道間體積型缺陷。

技術(shù)改進(jìn)方案：適當(dāng)降低焊接速度或換裝反饋?lái)憫?yīng)速度更快、運(yùn)行更穩(wěn)定的焊接電源可為機(jī)動(dòng)焊機(jī)提供高效穩(wěn)定的焊接電弧;高速送絲對(duì)焊接系統(tǒng)送絲機(jī)構(gòu)的磨損較大，需采用更為穩(wěn)定的送絲機(jī)構(gòu)，定期檢查維護(hù)，及時(shí)更換耗材;對(duì)于焊接操作人員，選擇技術(shù)能力過(guò)硬、責(zé)任心強(qiáng)的人員進(jìn)行定向培養(yǎng)，擇優(yōu)錄用，并在核電產(chǎn)品施焊前具有過(guò)類(lèi)似產(chǎn)品或模擬件焊接操作的豐富經(jīng)驗(yàn)為佳。

2.2 主環(huán)縫

“華龍一號(hào)”RPV主環(huán)縫共4條：上封頭+頂蓋法蘭、過(guò)渡段+下封頭（2條向心焊縫）;接管段+堆芯筒體+過(guò)渡段（2條水平焊縫），主環(huán)縫均為窄間隙埋弧焊+清根焊接（如有）+封根堆焊。低合金鋼坡口深而窄（深度分別為164 mm、200 mm、220 mm，寬度僅約30 mm），根部難以觀察，工藝難度高、焊接持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，施焊環(huán)境溫度高（預(yù)熱溫度175 ℃以上）。優(yōu)先采用冷加工方法（車(chē)、銑或磨）清根，若執(zhí)行碳弧氣刨清根，需在征求設(shè)計(jì)方認(rèn)可的基礎(chǔ)上，對(duì)碳弧氣刨產(chǎn)生的滲碳、滲銅層（約3 mm）采用冷加工方法去除。封根堆焊層的焊材（EQ309L、EQ308L、E309L、E308L）的規(guī)格應(yīng)保持一致，不允許不同規(guī)格的焊材混合搭配使用。對(duì)于帶極堆焊無(wú)法覆蓋的封根堆焊層部位可采用焊條電弧焊銜接。

主環(huán)縫焊接工藝規(guī)程的焊接參數(shù)、焊縫簡(jiǎn)圖以及焊接照片如表5和圖11所示。

典型質(zhì)量問(wèn)題：咬邊、未熔合、夾渣及UT合格，但RT超標(biāo)的多層“疊加缺陷”。

技術(shù)改進(jìn)方案：精準(zhǔn)控制焊絲與坡口邊緣的距離（簡(jiǎn)稱(chēng)距邊量），以原焊接參數(shù)為基礎(chǔ)，綜合考慮坡口深度（160～220 mm）、坡口角度（1°～2°）、熱膨脹量（0～2 mm）、焊縫收縮量（1～3 mm）、工件竄動(dòng)等因素，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，實(shí)時(shí)關(guān)注、反復(fù)校核、及時(shí)調(diào)整距邊量，確保焊縫坡口邊緣熔合質(zhì)量，避免咬邊、未熔合、成型不良等質(zhì)量問(wèn)題;使用專(zhuān)用輔助焊渣清除裝置，徹底清除向心焊縫（2條焊縫：頂蓋與上封頭、下封頭與過(guò)渡段）焊渣殘留的問(wèn)題;使用不?；∽儞Q焊道技術(shù)，減少焊接質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)較高收、引弧，增加焊接收、引弧錯(cuò)位距離，避免鄰近的微小缺陷“區(qū)域疊加”，在UT或RT的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)下被判定為不合格的問(wèn)題;細(xì)化、固化焊道修磨工藝要求、充分打磨、圓滑過(guò)渡，消除工藝規(guī)范、人為因素風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 馬鞍焊縫

馬鞍焊縫是接管與接管段筒體的插入式角接接頭、對(duì)接焊縫，因其相貫線為馬鞍形，故稱(chēng)馬鞍焊縫?！叭A龍一號(hào)”RPV有馬鞍焊縫6條：進(jìn)、出口接管各3條與接管段焊接，宏觀上為平焊位，但因坡口水平高度持續(xù)變化，焊接過(guò)程中循環(huán)經(jīng)歷上坡焊、下坡焊，需持續(xù)調(diào)整焊接參數(shù)，焊接難度高;且焊縫厚度大（接管段壁厚290 mm，焊縫厚度290～330 mm）、焊接時(shí)間長(zhǎng)（6個(gè)/3組接管焊接、熱處理、無(wú)損檢測(cè)，無(wú)返修工期約5個(gè)月），質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)極高，歷史項(xiàng)目鮮有6條馬鞍焊縫RT、UT一次全部合格的質(zhì)量業(yè)績(jī)，某項(xiàng)目機(jī)組RPV曾因馬鞍焊縫返修的NCR處理耗時(shí)2年之久。馬鞍焊縫兼具窄間隙和復(fù)雜曲面的雙重高難度焊縫特點(diǎn)，普通的埋弧焊機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)其整圈連續(xù)施焊，效率低、質(zhì)量差。為此，制造廠與相關(guān)方聯(lián)合研制了專(zhuān)用“馬鞍焊機(jī)”，即將窄間隙埋弧焊機(jī)頭與仿形運(yùn)行機(jī)構(gòu)相結(jié)合，但“馬鞍焊機(jī)”長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)施焊，經(jīng)常出現(xiàn)運(yùn)行卡阻問(wèn)題，極易導(dǎo)致焊接缺陷。

進(jìn)、出口接管與容器法蘭-接管段筒體焊縫焊接工藝為窄間隙埋弧焊+清根焊接+封根堆焊，工藝參數(shù)與主環(huán)縫相同，焊縫簡(jiǎn)圖以及焊接照片見(jiàn)圖12。

典型質(zhì)量問(wèn)題：咬邊、未熔合、夾渣等缺陷。

技術(shù)改進(jìn)方案：焊機(jī)改造，使用精密儀器用的滾珠絲杠替換傳統(tǒng)的T型絲杠（見(jiàn)圖13），運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、無(wú)阻滯、無(wú)滑移、磨損小、壽命長(zhǎng)，故障率極低;進(jìn)行1∶1的模擬焊接試驗(yàn)，通過(guò)焊道成型、坡口邊緣熔合狀態(tài)對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，尋找到最佳參數(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品;焊接方法改進(jìn)，根據(jù)坡口加工及裝配的實(shí)際情況，取消手工焊條打底焊，直接采用半機(jī)械埋弧焊，消除手工焊飛濺及打磨清理工序?qū)Υ傅钠驴诒砻嬖斐蓳p傷，降低焊縫缺陷風(fēng)險(xiǎn);定制、應(yīng)用馬鞍焊縫專(zhuān)用電加熱工裝替代傳統(tǒng)的火焰加熱方式（見(jiàn)圖14），改善焊工作業(yè)環(huán)境，減少燃燒粉塵對(duì)焊縫熔池的污染，溫度控制精準(zhǔn)，節(jié)約能耗50%以上。

2.4 安全端焊縫

不同于CPR1000的RPV的奧氏體不銹鋼焊縫，HPR1000 RPV的安全端焊縫為鎳基焊縫[5]。安全端焊縫由低合金鋼（16MND5）接管端部堆焊鎳基隔離層后與控氮不銹鋼（Z2 CND 18.12 NS ，類(lèi)似316L）安全端采用鎳基焊材機(jī)動(dòng)TIG焊接，焊接難度高于CPR1000的不銹鋼焊縫（含隔離層），采用2個(gè)接管同時(shí)施焊的工藝，可節(jié)約50%的工期（單個(gè)接管焊接工期約1個(gè)月，合計(jì)6個(gè)月，縮短為3個(gè)月）：即1組進(jìn)、出口接管分別位于水平放置筒體的上、下部，橫焊位同時(shí)施焊，焊接難度高于平焊位;每組2個(gè)接管并非完全對(duì)稱(chēng)，軸線夾角170°，同時(shí)施焊，必須每個(gè)焊縫在橫焊位置的基礎(chǔ)上各傾斜5°，進(jìn)一步加大了焊接難度。由于焊接技術(shù)難度高，且坡口深而窄，鎢極、焊縫、熔池不易觀察，單個(gè)焊縫需要2名焊機(jī)操作工分別觀察焊接熔池前后，即1組焊縫需要4名焊接操作工。

安全端的焊接參數(shù)如表6所示，焊縫簡(jiǎn)圖以及焊接照片分別如圖15和圖16所示。

典型質(zhì)量問(wèn)題：未熔合、氣孔、夾渣等缺陷。

技術(shù)改進(jìn)方案：加強(qiáng)焊接工裝剛性，減少顫動(dòng)，保證距邊量、電弧穩(wěn)定、成型良好;預(yù)計(jì)算焊道數(shù)，模擬排布，保證每層焊道寬度均勻、成型平整;設(shè)計(jì)并使用專(zhuān)用清潔工棚，保證焊接期間環(huán)境清潔，減少污染物導(dǎo)致的微小裂紋;徹底清潔每條焊道，保證無(wú)任何氧化物殘留，全部露出金屬光澤，消除夾渣的質(zhì)量隱患。

3 結(jié)論

“華龍一號(hào)”代表了我國(guó)民用核電技術(shù)設(shè)計(jì)的最高水平，其RPV的焊接技術(shù)先進(jìn)、工藝難度高、質(zhì)量控制嚴(yán)，代表了國(guó)際核電焊接技術(shù)的最高水平。文中大面積堆焊、主環(huán)縫、馬鞍焊縫、安全端焊縫4種焊縫關(guān)鍵焊接技術(shù)的應(yīng)用及優(yōu)化，在中廣核首臺(tái)“華龍一號(hào)”的實(shí)踐中取得了RPV關(guān)鍵路徑“零缺陷”的質(zhì)量奇跡，相關(guān)質(zhì)量問(wèn)題、工藝優(yōu)化對(duì)后續(xù)核電設(shè)備的制造提供了系統(tǒng)的工程經(jīng)驗(yàn)，有助于提高核設(shè)備的焊接質(zhì)量、核電建設(shè)的工程進(jìn)度，更好地守護(hù)了核電站的安全運(yùn)行。

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收稿日期：2020-08-15

作者簡(jiǎn)介：鄒國(guó)偉（1982— ），男，本科，工程師，主要從事核電及特種設(shè)備焊接的研究。E-mail：zly20061026@163.com。