核电机组主管道焊接技术研究

核电机组主管道焊接技术研究

刘泽,王永宁

中国核电工程有限公司，甘肃 嘉峪关 735100

摘要：对于我国核电站的建设而言，常用的核电机组为AP1000核电机组，其主回路系统核心为反应堆压力容器，并配备2台蒸汽机发生器、4台反应堆冷却剂泵、1台稳压器以及2个环路主管道。AP1000核电机组主管道的设计使用寿命60年，设计工作压力为17．13MPa，设计工作温度为343℃；主管道的设备安全等级为SC－1，质保要求A级，抗震等级Ⅰ级。本文主要是就核电机组主管道焊接技术的要点进行了简单的阐述和分析。

关键词：核电机组；主管道；焊接技术

前言

核电站的主管道不仅是连接核电站主回路压力容器、蒸汽发生器、主泵管道的重要设备，更是保证核反应堆冷却系统安全稳定运行的关键。主管道内部流经高温、高压、放射性介质，属于主回路的承压边界，因此，主管道焊接技术的优劣对于核电站整体安装施工质量的高低有着决定性的影响。

1、AP1000核电机组主管道特点

1．1设计特点

AP1000核电机组的主管道回路保留了现役压水堆的大部分设计特点，但与M310核电机组相比，其主管道设计有以下特点：一是每个环路有2个回路；二是主冷却剂泵直接与蒸汽发生器连接，如图1所示。

图 1 AP1000 核电机组主回路模型图

1．2焊接特点

该核电机组主管道的设计特点造成了其与M310核电机组主管道焊接方面差异，体现在以下两点：

（1）主管道直接采用弯管，取消了弯头、过渡段和RCP与SG之间的连接管道，焊缝数量减少，降低了在役检查的工作量，改善了维修的可达性。

（2）主管道焊接采用窄间隙自动焊，利用3D激光跟踪测量系统现场测量，采用数控欧米加9B加工系统进行坡口加工。

1．3焊接难点

（1）焊口组对难度大AP1000主管道采用倒装法安装，即在蒸汽发生器到货之前将主管道热段和冷段与压力容器进行组对焊接，然后在蒸汽发生器到货之后再同时完成主管道与蒸汽发生器端3个坡口在三维方向上准确组对，这种安装工序存在很大风险，在以往的核电建造过程中尚未采用过。主管道焊接采用窄间隙自动焊，要满足这种自动焊接的要求，对口的错边量应严格遵照焊接工艺评定的数值要求；由于没有调节段，再加上2个主冷却剂泵壳直接焊接在蒸汽发生器上，3个管段对口达到这么高的要求存在一定的难度。

（2）控制焊接变形困难主管道为大直径大壁厚的不锈钢管，焊接过程中收缩量非常大，而且没有过渡段来调节横向和竖向因焊接收缩变形产生的安装偏差，所以只能采用合理的焊接工艺和准确完成主管道两端76.2mm预留量的切除来控制收缩变形。

（3）窄间隙自动焊工艺窄间隙自动焊作为一种新技术，在已建核电项目主管道焊接应用经验不足，其工艺的稳定性、施焊顺序、焊接收缩量及焊接变形控制直接会影响主管道的安装质量。

2、核电机组主管道焊接工艺

2.1 EPR焊接工艺

EPR核电站主回路系统由四环路组成，每对环路都是对称分布的，核电站主回路系统中，每一环路都配置一台蒸汽发生器、一台主泵以及主管道冷段、热段以及过渡段与其相连接。每一环路有6道焊口，四个环路共有24道焊口。AP1000核电站主回路系统分2个环路组成，包括1条热段和2条冷段，稳压器通过波动管与1环热段相连，每个环路有6道主管道焊口，每台机组共12道主管道焊口：（1）借助EPR主管道焊接工艺，我们可以发现，焊接作业要对压力容器、蒸汽发生器、主泵等多种设备进行测算，对坡口进行加工组对并及时做好焊接工作，所以，操作人员必须采取积极有效的措施保证焊接工序的逻辑关系，采用自动焊接工艺完成主管道的焊接。（2）焊接工艺分析。根据核电机组主管道自动焊接工艺的特点和要求，焊接过程中各个组对的间隙必须控制在0～1mm的范围内，这种焊接工艺与传统的1～4mm焊接工艺相比精度也相对更高。因此，EPR核电站主管道焊接中，应当加强施工工艺的重视，保证施工管道焊接的精准，从而很好地保证核电机组的正确安装。

2.2 CPR1000焊接工艺

CPR1000焊接工艺使用“二代加”百万千瓦级压水堆核电站的技术路线。通过主管道，将反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器以及主泵等连接到一起，形成三个闭式回路。首先，进行焊接工艺评定。在焊接主管道回路时，对焊接中的母材材质、规格、坡口形式、焊接位置以及焊接方法等的进行分析，一般来说，主管道母材选用其硼量应当小于0.0018%，氮含量小0.08%不锈钢材料。其次，现场焊接。CPR1000压水堆核电站需要先将热段和压力容器以及蒸发器进行焊接，然后，将过渡段和蒸汽机以及主泵加以焊接，最后，焊接冷段和主泵泵壳，这样做的主要目的就是保证各自的焊接独立完成，互不影响，提升焊接效率。

2.3 AP1000主管道焊接工艺

首先，AP1000核电站的主回路系统，由一条热段和两条冷段两个环路组成的。在进行主管道的焊接作业时，作业人员必须利用波动管和一环热段将稳压器连接在一起，然后，再按照要求进行主回路管道的焊接。其次，AP1000核电站主管道安装施工中，经过长期实践得出，主管道的安装顺序应当为以下几个环节：

（1）压力容器、蒸汽发生器、主泵泵壳、主管道等全部就位。

（2）检查主管道压力容器侧焊接坡口，然后进行焊接组对，最后使用点固块固定焊口内部。

（3）RV侧焊接至主管道壁厚50%，并在焊接完成后检查焊缝质量。

（4）仔细检查坡口与焊口组对，保证焊接厚度达到管道厚度的50%。

3、主管道焊接主要焊接流程及要点

3.1 条件检查

（1）焊接环境。如果主管道焊接现场风速大于2m/s；空气相对湿度大于90%；环境温度低于10℃，焊接人员在没有有效防护措施的前提下，不得私自开展焊接作业。

（2）母材材料。主管道的材质为316LN不锈钢。

（3）焊接材料。为了保证焊接接头的使用性能，确保焊缝的综合性能与母材相匹配，根据主管道的材质，焊材选用直径为1.0mm的ER316L焊丝。

3.2 坡口检查

AP1000主管道冷热段坡口的焊接，需要施工人员根据施工方案，根据坡口表面粗糙度，将其控制在3.2μm。

3.3 组对

焊接作业过程中，反变形量是需要控制的一项关键要点，如果冷段焊接收缩量为δ，在进行冷段压力容器的焊接操作中，需要保证冷段蒸汽发生器管径向外弧水平方向预留出δsinα的量。如果热段焊接的收缩量为σ，在进行热段压力容器的焊接操作中，需要保证热段蒸汽发生器侧管端径向外弧的水平方向预留出σsinβ的量，以此达到核电机组的安装质量以及安装标准。

3.4 焊接

根据核电机组焊接作业的质量要求，操作人员在采用窄间隙冷丝TIG焊接方法进行核电机组主管道的焊接作业时，根据激光跟踪器，对焊接变形问题进行全程监测，控制焊接厚度要保证14mm以上，然后拆除内卡。

3.5 无损检测

完成核电机组主管道焊接之后，无损检测人员必须及时地对焊缝进行100%的VT，PT，RT检测。首先，VT检测。确定焊缝余高必须控制在0～1.6mm且焊缝表面不能出现气孔、夹渣、裂纹、未熔合、焊瘤等问题。其次，PT检测。所有尺寸大于1.6mm的焊接缺陷必须做好相应的焊接缺陷记录工作，详细的记录焊接作业过程中出现的问题，如果发现焊接流程出现任何问题都不得进行验收。最后，RT检测。如果经过检测发现射线照相底片上存在着裂纹、未熔合、未焊透等长度超过19mm的焊缝缺陷时，则可以判定其焊接质量不合格。

4、结语

AP1000核电机组比M310核电机组主管道的焊缝数量少，但施工难度增大。通过总结AP1000核电机组主管道的焊接特点和难点，明确了主管道焊接施工过程中的工作重点和注意事项；同时，施工过程中要注重对焊接变形的控制，新技术的采用在施工前应做好充足的试验和演练工作，掌握焊接收缩量变化规律，合理安排焊接顺序，从而保证主管道焊接质量。

参考文献：
[1]黄宗仁，董岱林，冯琳娜.核电厂主管道手工焊与自动焊工艺对比分析[J].电焊机，2019，4511:107-111.

[2]尚巍，薛敬凯，刘铖丹，王永新.核电机组主管道焊缝返修技术及应用[J].焊管，2019，3808:29-33.