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核電站穩(wěn)壓器設(shè)備安全端焊接技術(shù)

文檔作者：劉全印文檔來(lái)源：中核集團(tuán)西安核設(shè)備有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月07日
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核電站穩(wěn)壓器設(shè)備安全端焊接技術(shù)
劉全印
(中核集團(tuán)西安核設(shè)備有限公司，陜西西安710021)
摘要：安全端為核電站穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器等設(shè)備上的一種異種鋼焊接結(jié)構(gòu)，為保證核電站的安全
運(yùn)行，對(duì)安全端的焊接質(zhì)量要求很高，其焊接工藝難度大。對(duì)穩(wěn)壓器設(shè)備上安全端的坡口設(shè)計(jì)、焊
接材料的選擇、母材性能參數(shù)及焊接工藝等進(jìn)行了介紹，通過(guò)焊接評(píng)定試驗(yàn)對(duì)其焊接工藝參數(shù)進(jìn)行
研究總結(jié)，并成功進(jìn)行產(chǎn)品安全端焊縫的焊接。
關(guān)鍵詞：核電站；安全端；焊接
中圖分類號(hào)：TG457 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1001—4837(2009}06～0034一o4
doi：10．3969／j．issn．1001—4837．2009．06．008
W elding Technology for Safety End of Pressurizer
f0r Nuclear Power Plant
LIU Quan——yin
(Xi an Nuclear Equipment Co．，Ltd。，China National Nuclear Corporation，Xi an 710021，China)
Abstract：The safety end of pressurizer and steam generator used for nuclear power plant is a dissimilar
steel weld structure，in order to ensure the safety operation of nuclear power plant，there is strict require—
ment in terms of welding quality of safety end．It is difficult to meet the requirement of welding procedure．
This paper presents the groove design，selection of welding material，base metal perform ance and
welding procedure used for safety end of pressurizer，and summarizes the welding process parameter
through welding perform ance qualification SO as to guarantee the quality of the welding on safety end of
the product．
Key words：nuclear power plant；safety end；welding
1 前言
核電站核島內(nèi)的大型容器，如反應(yīng)堆壓力容器、
蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器等設(shè)備的殼體一般由專用的低
合金鋼制成，而和核容器連接的各種管道大多為奧
氏體不銹鋼，因此就有奧氏體鋼與低合金鋼的焊接，
異種鋼焊縫的組織復(fù)雜，焊接難度也較大。
為保證核電設(shè)備的質(zhì)量，異種鋼一般在設(shè)備制
· 34 ·
造廠施焊。制造廠先在殼體(或管座)上焊上一段
不銹鋼管(即核電設(shè)備的“安全端”)，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)再
將安全端與不銹鋼管道焊接，這樣，現(xiàn)場(chǎng)就只有奧氏
體不銹鋼之間的焊接。
根據(jù)核設(shè)備安全等級(jí)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安全端可采
用不同的焊接形式(常用的兩種形式見(jiàn)圖1)，連接
處坡口形式，根據(jù)殼體、接管的厚度和直徑確定，低
合金鋼側(cè)坡口面，可事先進(jìn)行預(yù)堆隔離層后再與不
銹鋼焊接，也可直接將不銹鋼安全端焊接起來(lái)。
第26卷第6期 壓 力 容 器 總第199期
(b) 插入式
圖1 安全端的結(jié)構(gòu)形式
某核電站擴(kuò)建工程(2×600 MW)用穩(wěn)壓器為
一個(gè)立式圓筒形高溫(360℃)、高壓(17．2 MPa)鍛
焊容器，基材為16MND5(法國(guó)牌號(hào)，相當(dāng)于ASME
牌號(hào)SA508一m)鍛件，設(shè)備內(nèi)徑02112 mm，壁厚
115 mm，內(nèi)壁(包括接管管座)堆焊6 mm不銹鋼，
設(shè)備總高12103 mm，總重約81 t。設(shè)備安全等級(jí)為
核一級(jí)(最高級(jí))，RCC—M規(guī)范等級(jí)為一級(jí)。
在設(shè)備的上封頭有4個(gè)閥門接管嘴組件和1個(gè)
噴霧接管嘴組件，下封頭有1個(gè)波動(dòng)接管嘴組件。
管座材料均為16MND5，安全端材料均為Z2CND18
— 12控氮不銹鋼(法國(guó)牌號(hào))，屬典型的安全端異種
鋼焊接結(jié)構(gòu)。
2 安全端的焊接
穩(wěn)壓器是核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備
之一，通過(guò)底部波動(dòng)管座與主管道相連，其作用是調(diào)
節(jié)反應(yīng)堆一回路主系統(tǒng)冷卻劑工作壓力，防止一回
路主系統(tǒng)及設(shè)備超壓或反應(yīng)堆內(nèi)冷卻劑壓力過(guò)低而
出現(xiàn)容積沸騰現(xiàn)象，避免堆芯燃料元件棒過(guò)熱燒毀
的事故。而安全端為設(shè)備的壓力邊界，是核電廠運(yùn)
行的第二道安全屏障，所以對(duì)焊接質(zhì)量要求極為嚴(yán)
格，而該處的異種鋼焊接結(jié)構(gòu)，又增加了焊接難度。
根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在焊接前依據(jù)法國(guó)RCC—M《壓水堆
核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》規(guī)范和產(chǎn)品技術(shù)條
件進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，若工藝評(píng)定合格，則將用于產(chǎn)
品的焊接。
2．1 坡口形式的選擇
焊接坡口形式依連接處的厚度和直徑選擇單邊
或雙面坡口，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及技術(shù)條件，承制的穩(wěn)壓
器設(shè)備所有接管嘴安全端的結(jié)構(gòu)均為預(yù)堆邊結(jié)構(gòu)
(如圖2所示)。
16MND5低合金鋼 Z2CND18—12控氮不銹鋼
圖2 焊接工藝評(píng)定坡口形式
2．2 焊接方法的選擇
為減少母材對(duì)焊縫的稀釋，采用較小焊接電流，
較快焊接速度的手工電弧焊進(jìn)行預(yù)堆邊堆焊。后續(xù)
與安全端的焊接也采用手工電弧焊。
2．3 焊接材料的選擇
采用預(yù)堆邊結(jié)構(gòu)，有兩類焊材可供選擇：cr—
Ni不銹鋼焊材，如309L+308L；Inconel類鎳基焊
材，如ENiCrFe一3。
選用cr—Ni的不銹鋼焊材，常在鐵素體側(cè)焊縫
熔合區(qū)會(huì)出現(xiàn)淬硬層，并伴有碳的擴(kuò)散遷移；并且?jiàn)W
氏體焊縫與鐵素體鋼母材的膨脹系數(shù)差別較大，經(jīng)
受熱循環(huán)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大熱應(yīng)力等? 。對(duì)于在高溫
高壓、工作條件苛刻的情況下，應(yīng)選用線膨脹系數(shù)介
于奧氏體鋼與鐵素體鋼之間的Inconel類鎳基焊材。
早期安全端的焊接多采用不銹鋼焊材，20世紀(jì)9O
年代后期基本都選擇鎳基焊材。
依據(jù)產(chǎn)品技術(shù)條件的要求，選定的鎳基焊材是
瑞典SANDVIK公司生產(chǎn)的Sanicro 71鎳基焊條(相
當(dāng)于AWS A5．1l ENiCrFe一3)，但和ASME標(biāo)準(zhǔn)的
ENiCrFe一3不同，主要是降低了碳含量，提高了鉻
含量，以提高其耐晶間腐蝕性能。焊條的力學(xué)性能
及化學(xué)成分指標(biāo)見(jiàn)表1，2。
2．4 評(píng)定試板母材的成分及性能
16MnD5鍛件屬于Mn—Ni—Mo類型的低合金
鋼，是法國(guó)核電站一級(jí)設(shè)備專用材料，其高溫強(qiáng)度和
疲勞強(qiáng)度較高，低溫特性好，鍛件在正火+回火狀態(tài)
． ．
核電站穩(wěn)壓器設(shè)備安全端焊接技術(shù) Vo126．N06 2009
AK (J) 焊縫縱向拉伸(常溫) 焊縫縱向拉伸
(常溫) (360℃)
R R H1 2 A％ R R H】2
≥79 (MPa) (MPa) (5d) (MPa) (MPa)
≥620 ≥ 390 ≥ 35 575 350
注：除360℃指標(biāo)外，其余為質(zhì)保書值。
下使用。力學(xué)性能及化學(xué)成分見(jiàn)表3，4。
焊接工藝評(píng)定用材料為與產(chǎn)品鍛件同爐批號(hào)的
鍛板，評(píng)定模擬產(chǎn)品的實(shí)際情況。由于產(chǎn)品上管嘴
內(nèi)壁堆焊有不銹鋼堆焊層，故在評(píng)定用24 mm厚
16MnD5鍛板的一面上也有不銹鋼堆焊層，并已加
工到6 mm，試板的總厚度為30 mm(見(jiàn)圖2)。
表2 Sanicro 71焊條的化學(xué)成分 f％
元素l C l si I Mn l P I S l cr l Ni l cu
含量l≤0．05 I≤0．50 I 4．0—6．0 I≤0．02 l≤0．01 l 18．0～22．0 l／>67．0{≤0．2 l≤2．0 I 2．0～2．5 l≤0．05 1≤4
A v(J) 拉伸試驗(yàn)(常溫) 拉伸試驗(yàn)(360℃) R 叩
0℃ 常溫 ～20℃ R (MPa) 岡2(MPa) 4％(5d) R (MP丑) 月 2(MPa) (cc)
個(gè)別最小40， 個(gè)別最小28，
最小平均56 最小72 552—670 ≥400 最小平均40 ≥2O ≥510 ≥300 ≤一12
元素 C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo V Co Al
含量 ≤0 0．10～ 1．15～ 0．50～ 0．45一
． 22 0 ≤0．012 ≤ O．Ol2 ≤O．25 ≤O．1O ≤0．01 ≤0．08 ≤0．04
． 30 1．60 0．80 O．55
代表不銹鋼安全端的試板材料牌號(hào)為
Z2CND18—12(控氮)，厚度為30 mm，其含Cr量約
為18％ ，含Ni量約為12％ ，約2．5％ 的Mo，近似
316L不銹鋼?？氐讳P鋼一般在鋼中加入約
0．05％ 一0．08％ 的N(N為強(qiáng)的奧氏體化元素)，不
銹鋼中加入N可以適量降低Ni元素的含量，另外，
N的加入可以形成固溶強(qiáng)化作用，而且加入N后可
提高材料的耐晶問(wèn)腐蝕性能、耐點(diǎn)蝕及縫隙腐蝕性
能。接管安全端Z2CND18—12(控N)材料力學(xué)性
能及化學(xué)成分分別見(jiàn)表5，6。
Axv(常溫) 焊縫縱向拉伸( }溫) 焊縫縱向拉伸
(J)(橫向) (360℃)
R R尸o 2 A％ R m
． 2
(MPa) (MPa) (5d) (MPa) (MPa)
≥6O
≥45
／>520 >／220 (縱向) >／455 ≥145
元素 C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo N Co B
含量 ≤0 17．0～ l1．50～ 2．25～
． 035 ≤ 1．00 ≤2．00 ≤0．03 ≤0．015 18 ≤1．00 ≤0．08 ≤O．20 ≤0．0ol5
． 20 12．50 2．75
2．5 焊接買施
焊前清理坡口表面的油，銹氧化物等影響焊接
質(zhì)量的污物，frr檢查坡口合格，預(yù)熱到≥125℃ ，用
Sanicro 71進(jìn)行堆焊預(yù)堆邊，堆焊電流90～120 A，
堆至厚度約10 1TIITI，做中間消應(yīng)力處理；熱處理后加
工堆焊層，保留8 mm厚度隔離層并加工出坡口，
，UT檢查合格后，再用Sanicro 71焊條與
Z2CND18—12(控N)不銹鋼焊接，層溫控制在≤100
℃ ，多層多道焊滿，PT，RT檢查合格后進(jìn)行消應(yīng)力
· 36 ·
熱處理。
3 性能試驗(yàn)
按RCC規(guī)范及產(chǎn)品技術(shù)條件進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)
果如下。
3．1 拉伸試驗(yàn)及彎曲試驗(yàn)
橫向拉伸試驗(yàn)，兩個(gè)全厚度試樣，試樣應(yīng)涉及到
兩種母材、隔離層和連接焊縫，要求R >I520 MPa；
第26卷第6期 壓 力 容 器 總第199期
熔敷金屬縱向拉伸試樣，一個(gè)室溫，要求R ≥550
MPa，另一個(gè)360℃高溫拉伸，要求R瑚2≥190 MPa
(見(jiàn)表7)；截取兩個(gè)面彎、背彎和兩個(gè)側(cè)彎試樣進(jìn)行
彎曲試驗(yàn)，結(jié)果合格(見(jiàn)表8)。
接頭橫向
拉伸 焊縫縱向拉伸({ 溫) 焊縫縱向拉伸(360℃)
(常溫)
m R 2 A％ R尸0 2 A(％ )
(MPa) (MPa) (MPa) (5d) (％) (MPa) (MPa) (56) (％)
605，605 720 450 40 53 610 380 39 50
表8 彎曲試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn) 試樣 試樣 彎軸 彎曲 試驗(yàn)
類型 厚度 寬度 直徑 角度 結(jié)果 備注
(mm) (mm) (ram) (。)
面彎， 30 35 120 l8O 合格 面、背彎
背彎 各2個(gè)
側(cè)彎 10 30 40 180 合格 側(cè)彎2個(gè)
3．2 AKv沖擊試驗(yàn)
在室溫下進(jìn)行，對(duì)16MnD5母材和鎳基焊縫，各
取兩組沖擊試樣，一組取在上表面，一組取在根部；
在不銹鋼和16MnD5的熱影響區(qū)，各取兩組試樣，不
銹鋼HAZ在表面和根部各取一組，缺口位于熔合線
上，16MnD5熱影響區(qū)，一組缺口底部距熔合線1
mm，另一組缺口底部距熔合線4 mm；試樣尺寸均為
標(biāo)準(zhǔn)10 mm x 10 mm×55 mm，要求4Kv單個(gè)保證值
I>60 J，結(jié)果見(jiàn)表9。
3．3 硬度試驗(yàn)
為檢測(cè)熱處理后母材、焊縫及熱影響區(qū)性能的
變化，根據(jù)RCC—M規(guī)范，進(jìn)行硬度試驗(yàn)，硬度檢測(cè)
線涉及到兩種母材、隔離層和連接焊縫，要求HVIO
~<320，結(jié)果全部滿足要求。
3．4 化學(xué)成分檢測(cè)
化學(xué)分析試樣應(yīng)在無(wú)母材稀釋的熔敷金屬中心
區(qū)域取得，要求結(jié)果應(yīng)滿足鎳基焊材ENiCrFe一3熔
敷金屬化學(xué)成分的規(guī)定，結(jié)果見(jiàn)表1O。
缺口 焊縫 不銹鋼HAZ區(qū) 16MnD5 HAZ區(qū)(1 mm) 16MnD5 HAZ區(qū)(4mm) 母材
位置 表面 根部 表面 根部 表面 根部 表面 根部 表面 根部
沖擊功 120．116． 130，133， 112，127， 142，143， 250，240， 210，280， 238，243， 230，186， 202，236， 195，210，
(J) 123 l30 131 138 253 215 220 238 228 227
元素 C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo Ti Nb Co N Fe
含量 0．025 0．50 5．67 0．006 0．005 l8．9l 余量 0．028 1．23 0．06 2．28 0．017 0．041 3．82
3．5 金相檢測(cè)
宏觀檢測(cè)：無(wú)裂紋、未焊透、熔敷金屬與母材問(wèn)
無(wú)未熔合；無(wú)焊道間的未熔合及超標(biāo)的氣孑L。
微觀檢測(cè)：無(wú)顯微裂紋及影響接頭性能的脆性
夾雜物等缺陷。
4 結(jié)論
在工藝評(píng)定合格的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了產(chǎn)品安全端
的焊接，結(jié)果一次檢測(cè)合格。以相同焊接工藝參數(shù)
所焊接的見(jiàn)證件，無(wú)損探傷，力學(xué)性能也一次合格。
證明所選焊接工藝參數(shù)是可靠的。
選擇鎳基焊材可防止碳的擴(kuò)散遷移和減少焊接
應(yīng)力，比采用不銹鋼焊材更容易保證焊接質(zhì)量，接頭
性能更容易達(dá)到要求。
我國(guó)目前正處在核電建設(shè)的快速發(fā)展時(shí)期，安
全端結(jié)構(gòu)的焊接成功，為該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定
了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 周振豐，張文鉞．焊接冶金與金屬焊接性(第2版)
[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987．
[2] RCC—M．壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)范[s]．
收稿日期：2009—01一l9 修稿日期：2009—04—27
作者簡(jiǎn)介：劉全印(1971一)，男，高級(jí)工程師，焊接責(zé)任工程
師，主要從事三類壓力容器、核電站核島設(shè)備的焊接工藝研
究，通訊地址：710021陜西西安市北郊徐家灣中核集團(tuán)西安
核設(shè)備有限公司技術(shù)部。 。

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