核电站稳压器设备安全端焊接技术.pdf

《核电站稳压器设备安全端焊接技术.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《核电站稳压器设备安全端焊接技术.pdf（4页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、核电站稳压器设备安全端焊接技术 刘全印 ( 中核集团 西安核设备有限公司， 陕西 西安7 1 0 0 2 1 ) 摘要： 安全端为核 电站稳压器、 蒸汽发生器等设备上的一种异种钢焊接结构， 为保证核电站的安全 运行， 对安全端的焊接质量要求很高， 其焊接工艺难度 大。对稳压器设备 上安全端的坡 口设计、 焊 接材料的选择、 母材性能参数及焊接工艺等进行 了介绍 ， 通过焊接评定试验对其焊接工艺参数进行 研究总结， 并成功进行产品安全端焊缝的焊接。 关键词： 核 电站 ； 安全 端 ；焊接 中图分类号 ： T G 4 5 7 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 4 8 3 7 (

2、2 0 0 9 0 6 0 0 3 4一 o 4 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 0 9 0 6 0 0 8 W e l d i ng Te c hn o l o g y f o r Sa f e t y En d o f Pr e s s u r i z e r f 0 r Nu c l e a r Po we r Pl a nt L I U Qu a n y i n ( X i a n N u c l e a r E q u i p m e n t C o ， L t d 。 ，C h i n a N a t i o n

3、a l N u c l e a r C o r p o r a t i o n ， X i a n 7 1 0 0 2 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e s a f e t y e n d o f p r e s s u riz e r a n d s t e a m g e n e r a t o r u s e d f o r n uc l e a r p o we r p l a n t i s a d i s s i mi l ar s t e e l we l d s t r u c t u r e，i n o r d e r t o e n

4、s u r e t he s a f e t y o p e r a t i o n o f n u c l e a r p o we r p l a n t ， t h e r e i s s t ric t r e q u i r e me n t i n t e r ms o f we l d i n g q u a l i t y o f s a f e t y e n d I t i s d i f f i c u l t t o me e t t h e r e q u i r e me n t o f w e l d i n g p r o c e - d u r e Th i

5、s p a pe r p r e s e n t s t h e g r o o v e de s i g n， s e l e c t i o n o f we l d i n g ma t e ria l ， b a s e me t a l p e rfo rm a n c e a n d we l d i n g p r o c e d u r e u s e d for s afe t y e n d o f p r e s s u riz e r ， a n d s u mma r i z e s t h e we l d i n g p r o c e s s p a r a m

6、e t e r t h r o u g h we l d i n g p e rfo rm a n c e q u a l i f i c a t i o n S O a s t o g u a r a n t e e t h e q u a l i t y o f t h e we l d i n g o n s afe t y e n d o f t he p r o d u c t Ke y wo r ds： n u c l e a r p o we r p l a n t ； s afe t y e n d； we l d i n g 1 前言 核电站核岛内的大型容器， 如反应堆压力容

7、器 、 蒸汽发生器和稳压器等设备的壳体一般由专用的低 合金钢制成， 而和核容器连接的各种管道大多为奥 氏体不锈钢， 因此就有奥氏体钢与低合金钢的焊接， 异种钢焊缝的组织复杂， 焊接难度也较大。 为保证核 电设备的质量 ， 异种钢一般在设备制 3 4 造厂施焊。制造厂先在壳体 ( 或管座 ) 上焊上一段 不锈钢管( 即核 电设备的“ 安全端 ” ) ， 现场安装时再 将安全端与不锈钢管道焊接， 这样， 现场就只有奥氏 体不锈钢之间的焊接。 根据核设备安全等级和结构设计 ， 安全端可采 用不同的焊接形式( 常用的两种形式见图 1 ) ， 连接 处坡口 形式， 根据壳体、 接管的厚度和直径确定， 低

8、 合金钢侧坡 口面， 可事先进行预堆隔离层后再与不 锈钢焊接 ， 也可直接将不锈钢安全端焊接起来。 第 2 6卷第 6期 压 力 容 器 总第 1 9 9期 ( b ) 插入式 图1 安全端的结构形式 某核电站扩 建工程 ( 26 0 0 MW) 用稳 压器为 一 个立式圆筒形高温( 3 6 0) 、 高压 ( 1 7 2 M P a ) 锻 焊容器 ， 基材为 1 6 MN D 5( 法国牌号 ， 相当于 A S ME 牌号 S A 5 0 8一m) 锻件 ， 设备 内径 0 2 1 1 2 mm， 壁厚 1 1 5 mm， 内壁( 包括接管管座 ) 堆焊 6 m m不锈钢 ， 设备总高 1

9、 2 1 0 3 m m， 总重约 8 1 t 。设备安全等级为 核一级 ( 最高级) ， R C CM规范等级为一级。 在设备的上封头有 4个阀门接管嘴组件和 1 个 喷雾接管嘴组件 ， 下封头有 1个 波动接管嘴组件。 管座材料均为 1 6 MN D 5 ， 安全端材料均为 Z 2 C N D 1 8 1 2控氮不锈钢( 法国牌号) ， 属典型的安全端异种 钢焊接结构。 2 安全 端的焊 接 稳压器是核电站反应堆冷却剂系统的关键设备 之一 ， 通过底部波动管座与主管道相连 ， 其作用是调 节反应堆一回路主系统冷却剂工作压力 ， 防止一回 路主系统及设备超压或反应堆内冷却剂压力过低而 出现容

10、积沸腾现象 ， 避免堆芯燃料元件棒过热烧毁 的事故。而安全端为设备 的压力边界 ， 是核电厂运 行的第二道安全屏障， 所以对焊接质量要求极为严 格 ， 而该处的异种钢焊接结构 ， 又增加了焊接难度。 根据产品结构 ， 在焊接前依据法 国 R C CM 压水堆 核岛机械设备设计和建造规则 规范和产品技术条 件进行焊接工艺评定 ， 若工艺评定合格 ， 则将用于产 品的焊接。 2 1 坡 口形式的选择 焊接坡 口形式依连接处的厚度和直径选择单边 或双面坡 口， 根据产品结构及技术条件 ， 承制的稳压 器设备所有接管嘴安全端的结构均为预堆边结构 ( 如图 2所示 ) 。 1 6 MN D 5低合金钢

11、Z 2 C ND 1 8 1 2控氮不锈钢 图 2 焊接工艺评定坡 口形式 2 2焊接方法的选择 为减少母材对焊缝的稀释 ， 采用较小焊接电流 ， 较快焊接速度 的手工电弧焊进行预堆边堆焊。后续 与安全端 的焊接也采用手工电弧焊。 2 3焊接材料的选择 采用预堆边结构， 有两类焊材可供 选择 ： c r N i 不锈 钢焊材 ， 如 3 0 9 L+3 0 8 L ； I n c o n e l 类镍基 焊 材 ， 如 E N i C r F e 一3 。 选用 c r N i 的不锈钢焊材 ， 常在铁素体侧焊缝 熔合 区会 出现淬硬层 ， 并伴有碳 的扩散迁移； 并且奥 氏体焊缝与铁素体钢母

12、材的膨胀系数差别较大， 经 受热循环时会产生较大热应力等 。对于在高温 高压 、 工作条件苛刻的情况下 ， 应选用线膨胀系数介 于奥 氏体钢与铁素体钢之间的 I n c o n e l 类镍基焊材。 早期安全端 的焊接 多采 用不锈钢焊材 ， 2 0世纪 9 O 年代后期基本都选择镍基焊材。 依据产 品技术条件的要求 ， 选定的镍基焊材是 瑞典 S A N D V I K公司生产的 S a n i c r o 7 1 镍基焊条( 相 当于 A WS A 5 1 l E N i C r F e一3 ) ， 但 和 A S ME标准 的 E N i C r F e一 3不 同， 主要是 降低 了碳

13、含量 ， 提高 了铬 含量 ， 以提高其耐 晶间腐蚀性能。焊条的力学性能 及化学成分指标见表 1 ， 2 。 2 4评 定试板 母材 的成 分及性 能 1 6 Mn D 5锻件属于 MnN i Mo类型的低合金 钢 ， 是法国核电站一级设备专用材料 ， 其高温强度和 疲劳强度较高 ， 低温特性好， 锻件在正火 +回火状态 核电站稳压器设备安全端焊接技术 V o 1 2 6 N 0 6 2 0 0 9 A K ( J ) 焊缝纵向拉伸( 常温) 焊缝纵向拉伸 ( 常温) ( 3 6 0) R R H 1 2 A R R H】 2 7 9 ( MP a ) ( MP a ) ( 5 d ) ( M

14、 P a ) ( MP a ) 6 2 0 3 9 0 3 5 57 5 3 50 注 ： 除 3 6 0指标外， 其余为质保书值。 下使用。力学性能及化学成分见表 3 ， 4 。 焊接工艺评定用材料为与产品锻件同炉批号的 锻板 ， 评定模拟产品的实际情况。由于产品上管嘴 内壁堆焊有不锈 钢堆焊层， 故在评定用 2 4 m m厚 1 6 M n D 5锻板的一面上也有不锈钢堆焊层 ， 并 已加 工到 6 m m， 试板的总厚度为 3 0 m m( 见图2 ) 。 表 2 S a n i c r o 7 1 焊条的化学成分 f 元素 l C l s i I M n l P I S l c r l

15、 N i l c u 含量 l 0 0 5 I 0 5 0 I 4 0 6 0 I 0 0 2 l 0 0 1 l 1 8 0 2 2 0 l 6 7 0 0 2 l2 0 I 2 0 2 5 l0 0 5 14 A v ( J ) 拉伸试验( 常温) 拉伸试验( 3 6 0) R 叩 0 常温 2 0 R ( MP a ) 冈2 ( MP a ) 4 ( 5 d ) R ( MP 丑 ) 月 2 ( M P a ) ( c c) 个 别最小 4 0 ， 个别最小 2 8 ， 最小平均 5 6 最小 7 2 5 5 2 6 7 0 4 0 0 2 O 5 1 0 3 0 0 一1 2 最小平均

16、 4 0 元素 C S i M n P S C r N i C u Mo V C o A l 0 1 0 1 1 5 0 5 0 0 4 5一 含量 0 2 2 0 01 2 O Ol 2 O 2 5 O 1 O 0 01 0 08 0 0 4 0 3 0 1 60 0 8 0 O 55 代 表 不 锈 钢 安 全 端 的 试 板 材 料 牌 号 为 Z 2 C N D 1 81 2 ( 控氮 ) ， 厚度为 3 0 m m， 其含 C r 量约 为 1 8 ， 含 N i 量 约为 1 2 ， 约 2 5 的 Mo ， 近似 3 1 6 L不 锈 钢。控 氮 不 锈 钢 一 般 在 钢 中加

17、 入 约 0 0 5 一 0 0 8 的 N(N为强的奥氏体化元素) ， 不 锈钢中加入 N可以适量降低 N i 元素的含量， 另外 ， N的加入可以形成 固溶强化作用， 而且加入 N后可 提高材料的耐晶问腐蚀性能、 耐点蚀及缝隙腐蚀性 能。接管安全端 Z 2 C N D 1 81 2 ( 控 N) 材料力学性 能及化学成分分别见表 5 ， 6 。 A x v ( 常温) 焊缝纵向拉伸( 温) 焊缝纵向拉伸 ( J ) ( 横向) ( 3 6 0) R R尸 o 2 A R m 2 ( MP a ) ( MP a ) ( 5 d ) ( M P a ) ( MP a ) 6O 45 5 2 0

18、 2 2 0 4 5 5 1 4 5 ( 纵向 ) 元素 C S i Mn P S C r N i C u Mo N C o B 1 7 0 l 1 5 0 2 2 5 含量 0 0 3 5 1 0 0 2 0 0 0 0 3 0 01 5 1 0 0 0 0 8 O 2 0 0 0 o l 5 1 8 2 0 1 2 5 0 2 75 2 5焊 接 买 施 焊前清理坡 口表面的油， 锈氧化物等影响焊接 质量的污物 ， f r r 检查坡 口合格 ， 预热到 1 2 5 ， 用 S a n i c r o 7 1 进行堆焊预堆边 ， 堆焊 电流 9 01 2 0 A， 堆至厚度约 1 0 1T

19、 I IT I ， 做中间消应力处理； 热处理后加 工堆焊层 ， 保 留 8 mm厚度隔离层并加工 出坡 口， ，U T 检 查 合 格 后 ， 再 用 S a n i c r o 7 1焊 条 与 Z 2 C N D 1 81 2 ( 控 N) 不锈钢焊接 ， 层温控制在1 0 0 ， 多层多道焊满 ， P T， R T检查合格后进行消应力 3 6 热处理。 3 性能试验 按 R C C规范及产品技术条件进行性能试验 ， 结 果如下。 3 1 拉 伸试验及 弯 曲试 验 横向拉伸试验， 两个全厚度试样， 试样应涉及到 两种母材、 隔离层和连接焊缝， 要求 R I5 2 0 M P a ； 第

20、 2 6卷第 6期 压 力 容 器 总第 1 9 9期 熔敷金属纵 向拉伸试样 ， 一个室温 ， 要求 R 5 5 0 M P a ， 另一个 3 6 0高温拉伸 ， 要求 R 瑚2 1 9 0 MP a ( 见表 7 ) ； 截取两个面弯 、 背弯和两个侧弯试样进行 弯曲试验 ， 结果合格 ( 见表 8 ) 。 接头横 向 拉伸 焊缝纵向拉伸( 温) 焊缝纵向拉伸( 3 6 0) ( 常温 ) m R 2 A R尸 0 2 A( ) ( MP a ) ( MP a ) ( MP a ) ( 5 d ) ( ) ( MP a ) ( MP a ) ( 5 6 ) ( ) 6 05， 60 5

21、7 2 0 4 5 0 4 0 5 3 61 0 38 0 3 9 5 0 表 8 弯 曲试验结果 试 验 试样 试样 弯轴 弯曲 试验 厚度 宽度 直径 角度 备注 类 型 结果 ( m m) ( m m) ( ra m) ( 。 ) 面弯， 3 0 3 5 1 2 0 l 8 O 合格 面、 背弯 背弯 各 2个 侧弯 1 0 3 0 4 0 1 8 0 合格 侧弯 2个 3 2 A K v 冲击试 验 在室温下进行 ， 对 1 6 Mn D 5母材和镍基焊缝 ， 各 取两组冲击试样 ， 一组取在上表面， 一组取在根部 ； 在不锈钢和 1 6 Mn D 5的热影响区， 各取两组试样 ， 不

22、 锈钢 H A Z在表面和根部各取一组 ， 缺 口位于熔合线 上 ，1 6 M n D 5热影 响 区， 一组缺 口底部 距熔合 线 1 m m， 另一组缺 口底部距熔合线 4 m m； 试样尺寸均为 标准 1 0 m m x 1 0 m m 5 5 mm， 要求 4 K v 单个保证值 I6 0 J ， 结果见表 9 。 3 3硬度 试验 为检测热处理后母材 、 焊缝及热影响区性能 的 变化 ， 根据 R C CM规范， 进行硬度试验 ， 硬度检测 线涉及到两种母材、 隔离层和连接焊缝 ， 要求 H V I O 3 2 0 ， 结果全部满足要求 。 3 4化学成分检测 化学分析试样应在无母材

23、稀释的熔敷金属中心 区域取得 ， 要求结果应满足镍基焊材 E N i C r F e一 3熔 敷金属化学成分的规定 ， 结果见表 1 O 。 缺 口 焊缝 不锈钢 H A Z区 1 6 M n D 5 H A Z区( 1 m m) 1 6 M n D 5 H A Z区( 4m m ) 母材 位置 表面 根部 表 面 根部 表面 根部 表面 根部 表 面 根部 冲击功 1 2 0 1 1 6 1 3 0 ， 1 3 3 ， 1 1 2 ， 1 2 7 ， 1 4 2 ， 1 4 3 ， 2 5 0 ， 2 4 0 ， 2 1 0 ， 2 8 0， 2 3 8 ， 2 4 3 ， 2 3 0 ，

24、1 8 6 ， 2 0 2 ， 2 3 6 ， 1 9 5 ， 2 1 0 ， ( J ) 1 2 3 l 3 0 1 3 1 1 3 8 2 5 3 2 1 5 2 2 0 2 3 8 2 2 8 2 2 7 元 素 C S i Mn P S C r N i C u Mo T i N b C o N F e 含量 0 0 2 5 0 5 0 5 6 7 0 0 0 6 0 0 0 5 l 8 9 l 余量 0 0 2 8 1 2 3 0 0 6 2 2 8 0 0 1 7 0 0 4 1 3 8 2 3 5金 相检 测 宏观检测 ： 无裂纹、 未焊透 、 熔敷金属与母材 问 无未熔合； 无焊

25、道间的未熔合及超标的气孑 L 。 微观检测 ： 无显微裂纹及影响接头性能 的脆性 夹杂物等缺陷。 4结论 在工艺评定合格的基础上 ， 进行了产 品安全端 的焊接 ， 结果一次检测合格。以相 同焊接工艺参数 所焊接的见证件 ， 无损探伤 ， 力学性能也一次合格。 证明所选焊接工艺参数是可靠的。 选择镍基焊材可防止碳 的扩散迁移和减少焊接 应力 ， 比采用不锈钢焊材更容易保证焊接质量 ， 接头 性能更容易达到要求。 我国 目前正处在核电建设 的快速发展时期 ， 安 全端结构的焊接成功， 为该项技术的推广应用奠定 了基 础 。 参考文献 ： 1 周振丰， 张文钺 焊接冶金与金属焊接性 ( 第 2版) M 北京： 机械工业出版社， 1 9 8 7 2 R C CM 压水堆核岛机械设备设计和建造规范 s 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 1 一l 9 修 稿 日期 ： 2 0 0 9 0 4 2 7 作者简介： 刘全印( 1 9 7 1一) ， 男， 高级工程师， 焊接责任工程 师， 主要从事三类压力容器 、 核电站核岛设备的焊接工艺研 究， 通讯地址 ： 7 1 0 0 2 1 陕西西安市北郊徐家湾中核集团西安 核设备有限公司技术部。 。