AP1000核电站余热排出泵管口焊接技术

AP1000核电站余热排出泵管口焊接技术

付维强

中国核工业第五建设有限公司海阳核电工程施工总承包部山东海阳265116

摘要：本文对AP1000核电站正常余热排放系统中的余热排出泵管口焊接中遇到的难点进行阐述及分析，对镍基合金和奥氏体不锈钢的焊接性、焊接工艺准备、焊接方法的选择、焊材的选择及安装过程控制等要点进行介绍，保证AP1000核电站余热排出泵管口的安装质量。

关键词：余热排出泵管口；镍基合金；焊接过程控制；工艺准备

引言：AP1000核电站的余热排出泵的主要功能是带出核反应堆冷却剂系统停堆时的热量。在换料期间，提供正常余热排出系统与化容系统的流动能，以净化反应堆冷却剂。余热排出泵的压力边界属于核安全级别，余热排出泵一旦失去功能将会带来灾难性后果，因此余热排出泵管口的焊接是安装中至关重要的环节。通过母材的焊接性分析，制定合理的焊接工艺、焊接过程控制措施来保证管口焊接的质量，保证余热排出泵整体功能的完整，达到核电站运行过程中的安全保障。

1工程概述

AP1000核电站共设有A和B两台余热排出泵；余排泵管口端部堆焊了牌号为ERNiCr-3的镍基焊材，其中与余排泵管口通过焊接相连的管道材质为ASMESA-312GRTP304L奥氏体不锈钢，两者形成异种钢焊接接头。每台余排泵安装共涉及2道对接焊口规格分别为Φ273.1×12.7mm和Φ168.3×10.97mm。

2焊接工艺分析

2.1母材的焊接性

镍基合金和奥氏体不锈钢分别具有如下的焊接特性：

1）镍基合金热裂纹具有特别高的敏感性，合金元素的质量分数也比较高。在进行焊接之时，微量元素在晶界集结，这就很容易产生低熔共晶组织，尤其是硫化、磷共晶物的熔点与镍铁相比较要低了不少，焊缝结晶之时，低熔点共晶物液态膜就会在晶界区残留。另外，镍以及镍合金线胀系数也是相对较大的，在进行焊接过程中就会出现很大的应力，这就使得低熔点共晶物液态膜会在收缩应力的作用下出现开裂的情况。

2）若想将镍基合金焊缝熔敷金属展开是较为困难的，这就说明熔敷金属所具有的流动性也相对差一些，而这正是镍基合金所具有的特征，其使得焊缝会出现熔合、气孔、咬边等各种问题。

3）奥氏体不锈钢焊接性较好，但其导热系数小，线性膨胀系数大，接头在冷却过程中会产生较大的拉应力，焊接热输入较大时易产生热裂纹及较大的焊接变形。

2.2焊接工艺控制

综合考虑镍基合金与奥氏体不锈钢的焊接特性，在焊接过程中应注意以下要求：

1）防止坡口表面的污染，焊前坡口附近的氧化层及焊接过程中的焊缝表面必须清理干净；

2）控制焊接参数，避免焊接接头过热现象。限制热输入，保证熔合良好的情况下尽量选用较小的焊接电流，较低的电弧电压和较快的焊接速度；

3）焊接时尽量合理控制喷嘴的摆幅，摆动至镍基合金一侧时稍作停留，避免因镍基合金熔深浅而产生层间未熔合；

4）焊接过程中应合理控制层间温度，以免温度过高导致产生热裂纹。

2.3焊接方法选择

由于镍基合金与奥氏体不锈钢，都容易因过热而产生热裂纹，因此焊接过程中需控制热输入。同时为减少焊缝层间的清理，保证焊缝成形质量，确定使用GTAW方法进行焊接。

2.4焊材选型

镍基合金与奥氏体不锈钢之间的焊接，应考虑下列因素：

1)化学成分；

2)焊缝的强度匹配；

3)考虑焊材对焊接裂纹、气孔的敏感性。

经过对化学成分、力学性能及技术文件的要求，确定选用ERNiCrFe-7焊丝进行焊接，此焊丝Ni含量较高，能保证焊缝良好的耐高温及力学性能，同时P、S含量较低可以降低焊缝裂纹的敏感性，Ti、Al元素含量可以有效减少气孔的产生。

3焊接工艺评定

3.1焊接工艺评定

根据焊接工艺需求，评定试样采用与现场实际材质相同的SA240GR304L板材以及带有ERNiCr-3预堆的板材进行工艺评定。按着标准对试件进行拉伸试验和弯曲试验评定结果符合要求。

3.2焊接工艺参数

经工艺评定试验验证，焊接工艺评定的各项参数满足技术条件及焊接标准要求，可指导现场施工，详见表3.2。

表3.2焊接工艺参数

3.3人员资质

余热排出泵属于核三级设备，根据核安全局及设计要求，从事该焊口焊接操作的焊工同时具备HAF资质：HWSTGWVI/VII02(VII)t23.01D219H-L045ssnb和ASME资格：

GTAW-P-NO.8/P-NO.43-6G-23.01/219-F-NO.43[4]。

4施工工序

综合考虑母材材质、焊接工艺及焊缝形式等因素，确定施工工序为：

坡口准备组对及点焊充氩保护焊接NDE

4.1坡口准备

对于镍基合金的焊接来说，焊前清理是保证焊接成功的最重要因素。氧化层中的P、S、Zn、C等有害杂质是造成焊缝裂纹、气孔、未熔合的主要因素，因此，在焊前必须将焊接坡口及两侧30mm范围内清理干净，尤其要去除表面的氧化层，同时用丙酮将打磨后的表面进行擦拭。

4.2组对及点焊

管道组对前，需检查余热排出泵内部接口处的清洁情况，使清洁度满足要求后再进行组对工作。根据技术条件要求，管道组对时，内错边量不能超过0.8mm。

采用点固棒的方式进行点固组对，点固棒材质为304L，沿坡口一周均匀分布，点固棒布置示意图如图4.1所示。为了避免焊接过程中产生的热量造成点固棒将管口堆焊层表面拉裂，因此规定现场将点固棒点焊在坡口内侧，通过实际计算，10〞点固棒直径为不大于14mm,6〞点固棒直径为不大于12mm。

因焊口两端材质不同，在点焊点固棒时为避免因焊材不匹配造成坡口拉裂，在与管口连接一侧使用ERNiCrFe-7焊材点焊固定，与管道连接一侧使用ER308L焊材进行点焊固定。

图4.1点固棒布置示意图

点固棒应在焊接打底完成后去除，应采用机械磨削的方法，严禁锤击去除。点固棒去除后应对打磨区域进行PT检测，PT检测合格后方可进行填充焊接。

4.3充氩保护

用水溶纸作为充氩保护装置，为避免水溶纸被灼烧或者碳化，影响溶解性，施工时水溶纸与焊缝热影响区（HAZ）的距离要大于200mm.焊接前，至少提前充氩5分钟，使用测氧仪测定焊缝背面含氧量，氧气含量必须低于1%后才可以进行焊接。由于焊缝背面充氩可对焊缝起到冷却作用，为了避免焊缝过热，规定焊接过程中必须保持背面充氩直至焊缝最终焊接完成。

4.4焊接

在余热排出泵管口焊接前，泵底部支撑已安装完毕，导致管口焊接空间受限如图4.2，对焊工的操作造成一定的影响。

图4.2焊接操作空间受限

焊接时的工艺参数应严格按照WPS范围，为避免焊接过程中因热量过高产生裂纹，需严格控制最大热输入，因此在焊接过程中设置专人监控焊接参数，密切测量层间温度，确保层间温度不超过100℃，确保焊接质量。

经质检人员目视检测合格后，按着技术要求进行相应的NDE。

5结论

AP1000核电站余热排出泵管口焊接技术已应用于三门核电站和海阳核电站共四台机组的安装中，焊缝质量良好，满足设计要求，整体验收合格。

参考文献：

[1]APP-MP08-Z0-001，《余热排出泵设计技术规格书》,美国西屋电气公司,2012；

[2]郗峰波，《镍基合金的可焊性及工艺性》，西安核设备厂，2015；

[3]万军，《镍及镍基合金的焊接》，哈尔滨锅炉厂有限责任公司，2004；

[4]ASMEIX，《焊接和钎焊评定标准》，ASME锅炉及压力容器委员会，2013；

[5]陈祝年，《焊接工程师手册》，机械工业出版社，2002。