核反应堆压力容器驱动管座密封焊焊接质量及变形控制
摘 要：管座与顶盖组件的密封焊作为百万千瓦级压水堆反应器制造过程中的重要环节，在焊接时主要存在两个问题。一方面，由于J形坡口的非对称性和结构件的高精度要求，使得控制变形是焊接过程中重要且困难的问题；另一方面，由于密封焊时的母材和填充金属均为焊接性较差的镍基合金，因此保证焊接质量是焊接过程中面临的又一问题。在产品制造过程中，通过采用反变形工具、水冷、合理的制定焊接工艺及过程控制等方法，解决了以上生产过程中遇到的实际问题，为实现反应堆压力容器批量化生产扫清又一障碍。
关键词：反应堆压力容器；密封焊；焊接变形
前言
目前，国内外核电事业迅速发展，国内核电堆型种类繁多，有以法国核电技术为主的CPR1000堆型，也有以美国核电技术为主的AP1000堆型，到现在已经形成我国自己核心技术的华龙一号[1]。其中堆型结构、尺寸有所不同，但其反应堆压力容器中顶盖组件上驱动管座的焊接始终是其焊接难点，本文以CPR1000堆型为主，从控制焊接变形和焊接质量两个方面所采用的措施进行论述，并揭示管座位置与焊接变形量之间的关系。
1 采用设备
在管座与顶盖法兰密封焊的过程中，主要采用的设备包括如下所示。
1.1 焊接设备
驱动管座密封焊时采用的焊接方法包括手工电弧焊和钨极氩弧焊两种方式：
手工电弧焊设备：威特立手工电弧焊设备。
钨极氩弧焊设备：威特力WSM-400D全数字直流脉冲氩弧焊机。
与氩弧焊抢配套的冷却水循环装置为FNL-35。
1.2 水冷设备
在焊接过程中需要对管座内部加载水冷设施，采用的水冷设备为松下YX-09KGC1。
1.3 其他设备
在焊接过程中还需要由不锈钢材料制作的防变形附具、铝基无铁砂轮、风铣及吸尘器等。
2 制造过程中的问题
2.1 焊接变形
由于J型坡口的焊缝是承力焊缝，且在管座与封头密封焊后不进行热处理，因此J型坡口的设计在反应堆压力容器结构设计中是个关键问题，同时由于管座与封头密封焊后具有较高的位置度的要求，因此要求焊缝中的残余应力和变形要尽可能的小，针对以上情况，J型坡口的设计应满足规范要求的最小的截面积，使焊接填充金属尽可能的少，同时焊缝的上侧面积和下侧面积尽可能相等[2]。
2.2 焊接缺陷
管座贯穿件为镍基材料，考虑到材料本身的特性，选择与其相匹配的镍基690焊材进行施焊。镍基材料在焊接时，容易产生热裂纹、夹杂、未熔合和气孔等缺陷，由于镍及镍基合金焊缝金属表面张力大，流动性差，粘性大不易成形和易产生氧化等因素，自然成形的焊缝一般为凸状，如果焊缝是平坦或下凹状就会由于应力的作用产生裂纹。基于以上焊接特点，镍基材料在焊接时需要制定合理且严格的焊接工艺，以减少焊接过程中出现缺陷的概率[3]。
3 制造方案
3.1 控制焊接变形
在产品制造过程中，主要通过选择合理的装配方案、焊接工艺及适当防变形措施等来控制管座的最终变形量，以满足产品的使用要求。
3.1.1 冷装。CPR1000的管座与顶盖组件装配时，应保证有0.08mm-0.10mm的过盈量。在装配时，对管座采用液氮的冷却方式冷却30Min左右，使之产生0.2mm左右的间隙量，在装配完成30Min后方可移除工装。
3.1.2合理的焊接方法及焊接规范。CPR1000管座与顶盖组件密封焊时，用到的焊接方法共有两种：手工焊条电弧焊和手工TIG焊。在进行前三层焊接时，采用Φ3.2mm的镍基焊条，以给定电流规范的下限进行焊接，尽可能的降低焊接过程中的线能量，从而减小焊接过程中的热变形。
3.1.3 焊接顺序和焊接方向。在管座与顶盖组件密封焊时，焊接过程中要求尽可能对称施焊，每个管座的施焊焊道也要求对称分布，最大程度上减少焊接变形。
3.1.4 固定和水冷措施。管座密封焊开始前，首先用千分尺测量每个管座距离芯棒的实际尺寸，在不加工装的情况下进行首层密封焊的焊接，首层焊接结束后对每个管座距离芯棒的尺寸重新测量，通过分析得出，根据管座位置的不同，其发生焊接变形的范围在0～0.3mm之间，变形方向为背心方向。在其后的焊接过程中，需要将对称管座加以刚性固定并根据之前变形量的不同施加0～0.25mm的反变形，同时，必须严格保证对称管座两人同时施焊，并应注意焊接过程中两人的焊接顺序及位置的一致性。
3.2 保证焊缝的焊接质量
镍基材料在焊接时，由于液态熔池金属的流动性较差，熔深较浅；材料中合金元素比较复杂，亲氧元素的存在易导致焊接热裂纹、夹渣等问题产生，因此，控制焊缝质量是镍基材料焊接过程中面临的最大问题。
3.2.1 焊前准备。焊前准备对于镍基材料密封焊是非常重要的工艺步骤，保证待焊表面的清洁是获得镍基合金优良接头的重要条件。在密封焊开始之前，应用干净的布蘸丙酮来清理待焊接表面，保证待焊接表面无水、无油脂、无油污、无氧化物和任何可能影响焊接质量的缺陷。
3.2.2 控制焊接热裂纹的产生。为了管座与顶盖组件在密封焊时产生焊缝裂纹，应从以下几个方面进严格控制：①选用硫、磷含量较低的镍基合金焊材。②除了焊前清理坡口外，还应该注意在焊接过程中对焊缝表面的氧化皮进行层间清理。③采用短弧、窄焊道、不摆动的焊接方法控制焊缝成型，焊缝表面应均匀平整，以均匀凸起的自然成形为好。④收弧时需采取多次填弧坑的方法将弧坑均匀填满。氩弧焊收弧时电流衰减时间要长，并使电流衰减至最小程度，使收弧处无任何凹陷存在。对于収弧的地方还应采用风铣或者铝基无铁砂轮进行打磨清理干净，弧坑清理深度需大于焊道宽度。⑤保证熔合良好的情况下尽量选用较小的焊接线能量和较低的层间温度，以防止焊缝及热影响区过热而产生热裂纹。在管座与顶盖组件密封焊时，选用给定规范的下限进行施焊。
3.2.3 控制气孔。为了避免产生焊接气孔，除了焊材的选用和规范参数的选择外，焊条电弧焊时应尽量保持焊条与焊接位置垂直，并将电弧压低，以最大程度的保护熔池。在使用TIG焊时应使用高纯度的氩气做保护气体，密封焊采用的保护气体纯度为99.999%。
3.2.4 控制夹渣和未熔合。在进行密封焊时，由于镍基的流动性差，不良的焊道成型是导致夹渣和未熔合的主要原因，可通过调整焊道搭接量来保证焊道平整，一般焊道的搭接量应保证在1/2焊道宽度以上，对于搭接不好的地方，还应采用风铣或无铁铝基砂轮打磨，以保证较好的焊道成型。
3.2.5 无损检测。为了得到高质量的焊接接头，管座与顶盖组件在密封焊时采用的无损检测方法为PT，检测时机为填充焊时的首层焊道、每三层焊缝及盖面焊时的每层焊缝，将产生的缺陷及时清除干净。PT时应首先将焊缝表面打磨满足PT要求，缺陷清除后还应将PT后的杂质清理干净后方可继续施焊。
结束语
通过采用以上焊接方法，完善焊接顺序和焊接工装，以高效率、高质量的方法完成了CPR1000管座与顶盖组件的密封焊，该方法可以推广到AP1000、CAP1400、华龙一号等堆型的焊接，为实现核反应堆压力容器的批量化生产奠定了坚实的基础。
参考文献
[1]中国广东核电集团有限公司.中国改进型压水堆核电站CPR1000简介[J].现代电力，2006，23（5）：36～38.
[2]罗英，米小琴，魏亚东，钟元章，曹锐，张敬才，等.秦山二期工程反应堆压力容器管座焊接设计和工艺研究[J].核动力工程，2007，28（2）：48～51.
[3]顾钰熹.特种工程材料焊接[M].辽宁科学技术出版社，1998.
作者简介：张忠海（1971-），1994年本科毕业于哈尔滨工程大学金属材料及热处理专业，2006年毕业于清华大学核能及新能源技术研究院核工程与技术专业，现从事压力容器制造工作，高级工程师。
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