浅析秦山第二核电厂反应堆压力容器设备焊接难点

摘 要： 本文简单介绍了压水堆核电厂600MW反应堆压力容器的结构、材料，结合秦山二期扩建工程3、4号反应堆压力容器制造情况总结了压力容器在焊接方面的一些难点，其中对压力容器最大的难点接管-安全端焊接过程中出现的质量问题进行了分析，并提出了个人的建议。

关键词：反应堆压力容器 焊接难点 个人建议

中图分类号：C35 文献标识码： A

1 绪论

1.1 引言

反应堆压力容器设备是压水堆核电站中的心脏设备，该设备是放射性物质的包壳，在运行期间不仅承受高温、高压和强辐照，而且在核电站的整个运行寿期内不可更换，对电厂的稳定安全运行极其重要。

反应堆压力容器作为核电厂一回路主设备承担着三项重要功能：一、作为包容反应堆堆芯的容器，起着固定和支撑堆内构件的作用，保证燃料组件按一定的间距在堆芯内的支撑与定位；二、作为反应堆冷却剂系统的一部分，起着承受一回路冷却剂与外部压差的压力边界的作用；三、与其它一回路压力边界设备一起构筑了核电厂防止放射性物质外逸的第二道屏障。

1.2 600MW反应堆压力容器概况

我国自主设计的CNP600反应堆核电站是根据大亚湾的压水堆技术进行设计修改的，采用了两条30万千瓦标准回路的结构。目前采用该堆型的有秦山二期4个机组和海南昌江核电2个机组，秦山二期扩建工程3、4号机组沿用了1、2号机组的设计理念和标准，在原来的基础上进行了改进。600MW反应堆压力容器遵循法国“压水堆核岛机械设备设计和建造规则（RCC-M）”要求进行设计和制造，属于安全一级、质保Q1级和抗震1I级设备。设备主要设计参数和整体尺寸如下：

主要材料：16MND5 水压试验压力：22.8Mpa

设计压力：17.2Mpa 外型尺寸：6200×5282×12978mm

运行压力：15.5Mpa 设计寿命：40年

设计温度：343℃ 总 重：339t

运行温度：327.2--292.8℃ 全容积： 123m3

最大快中子通量 5×1019n/cm2 有效容积：98.577m3

秦山二期扩建工程3、4号反应堆压力容器是由中国核动力研究设计院设计，韩国斗山重工株式会社（简称斗山）和中国第一重型机械股份公司（简称一重）各自承制一台。

2 反应堆压力容器结构

反应堆压力容器通常分为顶盖组件、筒体组件两大部分。

2.1顶盖组件

顶盖组件主要由上封头和顶盖法兰两部分组成。上封头上焊有37个贯穿件管座，其中33个为CRDM管座，4个为热电偶管座，以供安装控制棒驱动机构组件和热电偶仪表导向管；有1根排气管，用于排放容器内的气体；有3个吊耳，用来运输吊装；还有通风罩支承，用来支承上面CRDM通风罩组件。顶盖法兰上开有56个主螺栓孔，用于主螺栓贯穿；在法兰面上设有两道同心环形沟槽，用于安装两道金属密封环。

2.2 筒体组件

筒体组件主要由法兰-接管段筒体、堆芯筒体、过渡段和下封头组成。其中法兰-接管筒体上有2个入口接管和2个出口接管，它们分别与反应堆各个冷却剂环路的冷段和热段连接；另外还设有2个安注管，用于在事故情况下注入冷却剂；在法兰面上设有1个检漏管，用于检测并引出密封泄露。过渡段上焊有四个径向支承块，这四个支承块与堆内构件M形插入件配合，用以限制堆内构件下部在水力冲击下发生转动。下封头上有38根中子测量管座，用作堆芯测量系统伸入压力容器的通道。

顶盖组件和筒体组件通过可拆卸的56件主螺栓、主螺母和垫圈联接紧固。

冷却剂通过入口接管进入压力容器，并且向下流过堆芯吊篮和容器壁之间的环形空间，在底部转向朝上流过堆内构件/燃料组件堆芯到出口接管，将堆芯内产生的热能带出。

3 反应堆压力容器主体材料

根据1、2号反应堆压力容器良好的运行业绩，3、4号反应堆压力容器的主材依然选用16MND5锻件。该锻件具有优良的焊接性能、较高的淬透性和强度、较强的抗中子辐照与抗脆化性，同时还具有良好的低温冲击韧性和较低的无延性转变温度等优点（1）。所不同的是4号反应堆压力容器的16MND5锻件，全部由一重锻造。北钢院对此材料与国外同牌号锻件进行了等效性试验与论证，证明各项指标都达到了等效的要求。因科镍贯穿件采用了抗各种水介质和高温应力腐蚀性能的因科镍690材料（1）；安全端采用了304LN型或316LN型的控氮不锈钢。

4 反应堆压力容器焊接难点

反应堆压力容器的制造主要涉及到冶炼、锻造、焊接、机加工、无损检验等专业。涉及的每个专

业领域都存在一些工艺难点，包括：法兰接管段等大锻件的锻造；接管-安全端异种金属焊接，大接管马鞍形窄坡口埋弧自动焊，CRDM管座/中子测量管与封头的密封焊；筒体组件的最终精加工，封头J型坡口的机加工；以及接管-安全端异种金属焊缝的无损检验。

以下重点介绍焊接工艺难点。

4.1焊接工艺难点

反应堆压力容器制造中有大量的焊接工序，包括不锈钢堆焊、镍基隔离层堆焊、低合金钢环焊缝组焊、管座对接焊、管座-封头密封焊、接管-安全端异种金属焊接及各种补焊。这里重点介绍接管-安全端异种金属焊接这个业内公认的难题，很多制造厂都走过弯路。

反应堆压力容器共设有6个接管，入口接管、出口接管和安注接管各2个。为了减少安装现场的焊接难度，以及方便压力容器设备在现场与一回路管道（奥氏体不锈钢）进行同种金属焊接，因此每个接管端部都与不锈钢锻件（即安全端）进行焊接，这条焊缝即为“接管-安全端焊缝”。由于低合金钢与不锈钢的线膨胀系数有较大差别，并在长期高温运行会发生碳迁移，如直接进行连接将会在低合金钢与不锈钢的结合面上形成较大应力差，从而影响结构安全。设计上选取了线膨胀系数介于低合金钢与不锈钢之间、并略接近于低合金钢的镍基合金作为过渡材料，从而不仅较好地缓和焊缝两侧的应力差，还能阻止碳迁移，低合金钢的稀释作用对镍基合金来说影响不大（2）。

该焊缝的结构为“低合金钢接管（16MND5）-镍基预堆边-镍基对接焊缝-不锈钢安全端（Z2CND18-12）”，参见示意图4.1、4.2。

图 4.1 出入口接管-安全端焊缝结构 图4.2 安注管-安全端焊缝结构

此异种金属焊接工艺的难点在于镍基合金本身熔池的流动性差、润湿性不好，焊接过程中焊缝容易氧化，熔池表面的氧化膜不易彻底去除，从而形成了焊缝夹杂物，因此对焊接工艺和焊接操作工要求很高，否则在焊接过程中很容易产生缺陷。考虑到焊接的困难性，为了优化焊接参数，以及提高焊接操作工的技能，斗山和一重除了进行焊接工艺评定试验外，都进行了大接管焊接前的焊接工艺试验，如斗山在焊接大接管前共进行了三次模拟试验，以及焊接见证件和在役检查试块的焊接；一重也进行了一次工艺试验。斗山针对模拟试验中出现的预堆边与对接焊缝融合处整圈未熔合缺陷进行了深层次的原因分析，并对试环进行解剖试验，缺陷的真实性得到了验证，并根据实际情况对工艺进行了改进。一重委托无损检验专业单位运用自动超声仪器进行扫查来确认试验环的焊缝质量。

虽然两家制造厂做了很多工艺准备的工作，但由于焊接过程不易控制，3、4号压力容器产品焊缝中还是出现了焊接缺陷。3号反应堆压力容器中6条接管-安全端焊缝共有5条焊缝出现了缺陷，主要位置在镍基预堆边与对接焊缝的融合处。4号压力容器有1条接管-安全端焊缝出现了质量问题。焊接结果详见表4.1。

表4.1 压力容器接管-安全端异种金属焊缝结论

针对以上的结论，我们对两个制造厂所使用的焊接方式、焊材以及焊接操作工方面进行分析比较。

4.1.1 焊接方式

斗山和一重都采用了钨极脉冲氩弧焊，针对出入口接管和安注管不同的焊接厚度，韩国斗山重工使用了日立的BHIC焊机和美国AMI焊机，分别采用了半全位置（自下而上）和全位置焊接方式，压力容器处于竖直状态，接管横躺，如图4.3。这种方式的好处在于可使用两台焊机同时焊接对称的两个接管，焊接周期缩短一半。但这种焊接方式难度较大，焊机从6点钟位置爬坡至12点位置，焊接参数未针对不同的弧度进行细化，而是用相同参数从头焊至结束，增加了产生缺陷的可能性。

一重对所有的接管都采用横焊焊接方式，使用的是焊机POLYSOUDE PC600，压力容器处于躺着状态，接管竖直向上，这种焊接方式能使焊机始终保持同一姿势，熔池成形比较规则，如图4.4。

图4.3 3号压力容器大接管-安全端焊接方式 图4.4 4号压力容器大接管-安全端焊接方式

4.1.2 焊材选择

3、4号压力容器都使用了镍基合金690焊接材料，具体类型、批号使用如表4.2。

表4.2 镍基合金焊材内容

从以上表可看出，3号压力容器大接管镍基预堆边使用的是焊带25.4×0.5，而对接焊缝使用的是Φ1.2的焊丝。据了解，该镍基焊缝很少用焊带和焊丝这种搭配方式进行焊接，而斗山使用焊带，主要是考虑焊接效率比较高。但焊带热输入量大、熔池晶粒比较粗大，塑性比较差，流动性很差，并且金属纯净度也比较差，因此与焊丝熔敷金属的晶粒熔合的不是非常好。

4号压力容器接管镍基预堆边和对接焊缝使用了同种规格的焊丝Φ0.9，镍基预堆边和对接焊缝搭接处熔合的比较好。

4.1.3 焊接操作工

斗山之前制造的很多压力容器都没有此类接管-安全端异种金属焊缝，焊接操作工的技能就是靠产品焊接前的工艺准备中摸索累积的，包括三次模拟试验、一次焊接工艺评定试验、一次焊接见证件试验和在役检查试块的焊接，因此经验相对比较欠缺。以致焊接过程中的一些细节未完全控制，产生了焊接质量缺陷。主要有以下三个方面：

（1）对焊接参数的控制得不太好，例如送丝速度和焊接速度过快造成热输入量偏低。

（2）气体保护不理想，气体保护不足使焊道产生氧化物，可能生成氧化镍（NiO），由于镍基合金与氧化镍的熔点差别很大（镍基合金：1446℃，氧化镍：2090℃），氧化镍会以夹渣出现在焊缝中。同时INCONEL52中的Al含量较高，气体保护不理想的情况下，也很容易生成Al2O3。

（3）焊道打磨不够理想，部分焊道打磨不充分，氧化物未去除，部分焊道打磨过量，产生凹坑。

针对3号压力容器接管-安全端焊缝质量问题，我们对一重进行了多次经验反馈，通报了3号焊接情况和返修方案，并强调了焊接过程中的注意事项。一重焊工进行了针对性的技能培训，在焊接前进行工艺试验，掌握了打磨和气体保护有效方法，并增加了层间渗透检验来保证质量。因此相对3号压力容器，4号压力容器的接管-安全端异种金属焊接的结果好一点。

鉴于以上原因的分析，由于焊接方式和焊接材料一经选定不能进行更换，斗山在产品焊缝返修前进行了补焊模拟试验来加强焊接操作工的技能，增加过程中层间渗透检验来加强质量控制，优化了焊接参数、更换了打磨工具、改善了气体保护等措施，并邀请了西屋专家对焊接进行指导和把关，顺利完成了返修并经最终无损检验确认合格。

4.1.4 个人建议

通过以上焊接工艺等方面的分析比较，并借鉴1号、2号压力容器的制造经验，以及其它项目的一些设计理念，有以下三方面的建议。

（1）焊接工艺改进

秦山二期共4台压力容器的接管-安全端异种金属焊缝只有三菱承制的1号压力容器的焊缝非常干净，未发现任何显示。具有丰富制造经验的三菱采用的是自行开发的等离子焊丝自动堆焊技术进行堆焊镍基预堆边，而对接焊缝选择了管嘴向下的布置和特殊辅助工装的焊机进行自动脉冲氩弧焊，并没有采用接管向上，横焊这种比较简易操作的焊接方式。三菱采用如此复杂的焊接工艺，从最终的焊缝效果来看，还是具有一定道理的。因此建议制造厂在焊接工艺还需改进，对焊接方式和焊机辅助装置上进行研究。

（2）焊材的选择

2号压力容器大接管-安全端的镍基预堆边是采用了传统的药皮焊条进行手工堆焊，对接焊缝是用焊丝进行自动焊接的，在预堆边和对接焊融合面出现过有规律的缺陷，几方研究后建议不采纳手工焊与自动焊结合的焊缝结构。从目前3号压力容器来看，用焊带堆焊的预堆边和焊丝焊接的对接焊缝两者的融合面也存在大量未熔合缺陷。因此在焊材选择方面，建议都选择焊丝，而焊接手法都用自动焊更好。

（3）焊缝结构更改

接管-安全端焊缝之所以采用镍基焊材，主要考虑了低合金钢与不锈钢的线膨胀系数有较大差别，并在长期高温下运行会发生碳迁移等因素。但目前其它电厂百万千瓦压力容器接管-安全端焊接结构采用了不锈钢焊材替代镍基焊材的设计。焊接顺序为安全端与接管组焊后进行一次中间消除应力热处理，之后与法兰接管段焊接，该焊缝要经受最终消除应力热处理。

这种设计可通过中间热处理方法来消除材料线膨胀系数不同引起的焊接残余应力，以及采用了堆焊不锈钢309L过渡层和热处理方法来有效地抑制碳向奥氏体不锈钢308L焊缝金属迁移。之前所担心的不锈钢在经过热处理热循环后，由于过饱和碳向晶界迁移，在晶界形成贫铬现象，容易产生晶间腐蚀现象。目前有研究认为，在采用超低碳不锈钢的情况下，由于不锈钢中碳含量在0.04%以下，即使发现碳向晶界迁移，也不会造成明显的贫铬现象，因此，超低碳不锈钢对热处理敏化不太敏感。

安全端的焊接流程为：

其它电厂接管-安全端具体使用的焊接材料与采用的焊接方法如表4.3所示。

表4.3 其它电厂接管-安全端焊接材料与焊接方法

采用这种焊接结构，不仅可以避免镍基焊材的异种金属焊接，大大减少了产生焊接缺陷的概率。而且还改变了焊接顺序，可以大大缩短制造周期。

反应堆压力容器除了接管-安全端这个焊接难点外，其它如大接管与筒体的马鞍型焊接最困难的是在焊接过程中要周期性地进行上坡焊和下坡焊，焊道的厚度也会因此而使得上坡时加厚，下坡时减薄。焊接操作工在施焊过程中通过频繁调节焊接速度，使在上坡焊时焊速快些，而在下坡焊时焊速放慢，来保证焊层的厚度均匀（2）。

另外CRDM管座与上封头密封焊存在很难控制焊接变形的难点，焊接的变形引起了CRDM管座位置度偏差，越焊到外面的管座变形越大。虽然制造厂在焊接过程中通过管座内充水冷却、安装辅助工装等措施来控制变形，但还是有很多管座的位置度不满足设计要求。中子测量管座与下封头的焊接也存在位置度超差的问题，对设备质量存在隐患。

5 总结

秦二厂已完成制造的4台600MW反应堆压力容器，只有三菱重工承制的1号压力容器按期交货，其余3台由于制造工艺难点或管理原因引起了质量问题导致推迟交货。其中2号压力容器、3号压力容器由于接管-安全端异种金属焊缝的质量问题对整个机组的工期造成很大影响。因此工艺难点的解决对质量保证和进度控制都是至关重要的。

参考文献：

〔1〕《压力容器实用技术丛书》编写委员会. 压力容器用材料及热处理. 北京：化学工业出版社 2004：56-64

〔2〕 上海焊接协会. 现代焊接生产手册 上海：上海科学技术出版社，2007：207-212