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核電站穩壓器設備安全端焊接技術

文檔作者：劉全印文檔來源：中核集團西安核設備有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年07月07日
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核電站穩壓器設備安全端焊接技術
劉全印
(中核集團西安核設備有限公司，陜西西安710021)
摘要：安全端為核電站穩壓器、蒸汽發生器等設備上的一種異種鋼焊接結構，為保證核電站的安全
運行，對安全端的焊接質量要求很高，其焊接工藝難度大。對穩壓器設備上安全端的坡口設計、焊
接材料的選擇、母材性能參數及焊接工藝等進行了介紹，通過焊接評定試驗對其焊接工藝參數進行
研究總結，并成功進行產品安全端焊縫的焊接。
關鍵詞：核電站；安全端；焊接
中圖分類號：TG457 文獻標識碼：B 文章編號：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
核電站核島內的大型容器，如反應堆壓力容器、
蒸汽發生器和穩壓器等設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雜，焊接難度也較大。
為保證核電設備的質量，異種鋼一般在設備制
· 34 ·
造廠施焊。制造廠先在殼體(或管座)上焊上一段
不銹鋼管(即核電設備的“安全端”)，現場安裝時再
將安全端與不銹鋼管道焊接，這樣，現場就只有奧氏
體不銹鋼之間的焊接。
根據核設備安全等級和結構設計，安全端可采
用不同的焊接形式(常用的兩種形式見圖1)，連接
處坡口形式，根據殼體、接管的厚度和直徑確定，低
合金鋼側坡口面，可事先進行預堆隔離層后再與不
銹鋼焊接，也可直接將不銹鋼安全端焊接起來。
第26卷第6期 壓 力 容 器 總第199期
(b) 插入式
圖1 安全端的結構形式
某核電站擴建工程(2×600 MW)用穩壓器為
一個立式圓筒形高溫(360℃)、高壓(17．2 MPa)鍛
焊容器，基材為16MND5(法國牌號，相當于ASME
牌號SA508一m)鍛件，設備內徑02112 mm，壁厚
115 mm，內壁(包括接管管座)堆焊6 mm不銹鋼，
設備總高12103 mm，總重約81 t。設備安全等級為
核一級(最高級)，RCC—M規范等級為一級。
在設備的上封頭有4個閥門接管嘴組件和1個
噴霧接管嘴組件，下封頭有1個波動接管嘴組件。
管座材料均為16MND5，安全端材料均為Z2CND18
— 12控氮不銹鋼(法國牌號)，屬典型的安全端異種
鋼焊接結構。
2 安全端的焊接
穩壓器是核電站反應堆冷卻劑系統的關鍵設備
之一，通過底部波動管座與主管道相連，其作用是調
節反應堆一回路主系統冷卻劑工作壓力，防止一回
路主系統及設備超壓或反應堆內冷卻劑壓力過低而
出現容積沸騰現象，避免堆芯燃料元件棒過熱燒毀
的事故。而安全端為設備的壓力邊界，是核電廠運
行的第二道安全屏障，所以對焊接質量要求極為嚴
格，而該處的異種鋼焊接結構，又增加了焊接難度。
根據產品結構，在焊接前依據法國RCC—M《壓水堆
核島機械設備設計和建造規則》規范和產品技術條
件進行焊接工藝評定，若工藝評定合格，則將用于產
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，根據產品結構及技術條件，承制的穩壓
器設備所有接管嘴安全端的結構均為預堆邊結構
(如圖2所示)。
16MND5低合金鋼 Z2CND18—12控氮不銹鋼
圖2 焊接工藝評定坡口形式
2．2 焊接方法的選擇
為減少母材對焊縫的稀釋，采用較小焊接電流，
較快焊接速度的手工電弧焊進行預堆邊堆焊。后續
與安全端的焊接也采用手工電弧焊。
2．3 焊接材料的選擇
采用預堆邊結構，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，常在鐵素體側焊縫
熔合區會出現淬硬層，并伴有碳的擴散遷移；并且奧
氏體焊縫與鐵素體鋼母材的膨脹系數差別較大，經
受熱循環時會產生較大熱應力等? 。對于在高溫
高壓、工作條件苛刻的情況下，應選用線膨脹系數介
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9O
年代后期基本都選擇鎳基焊材。
依據產品技術條件的要求，選定的鎳基焊材是
瑞典SANDVIK公司生產的Sanicro 71鎳基焊條(相
當于AWS A5．1l ENiCrFe一3)，但和ASME標準的
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。焊條的力學性能
及化學成分指標見表1，2。
2．4 評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，是法國核電站一級設備專用材料，其高溫強度和
疲勞強度較高，低溫特性好，鍛件在正火+回火狀態
． ．
核電站穩壓器設備安全端焊接技術 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℃指標外，其余為質保書值。
下使用。力學性能及化學成分見表3，4。
焊接工藝評定用材料為與產品鍛件同爐批號的
鍛板，評定模擬產品的實際情況。由于產品上管嘴
內壁堆焊有不銹鋼堆焊層，故在評定用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(見圖2)。
表2 Sanicro 71焊條的化學成分 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(常溫) 拉伸試驗(360℃) R 叩
0℃ 常溫 ～20℃ R (MPa) 岡2(MPa) 4％(5d) R (MP丑) 月 2(MPa) (cc)
個別最小40， 個別最小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。控氮不銹鋼一般在鋼中加入約
0．05％ 一0．08％ 的N(N為強的奧氏體化元素)，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化作用，而且加入N后可
提高材料的耐晶問腐蝕性能、耐點蝕及縫隙腐蝕性
能。接管安全端Z2CND18—12(控N)材料力學性
能及化學成分分別見表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
質量的污物，frr檢查坡口合格，預熱到≥125℃ ，用
Sanicro 71進行堆焊預堆邊，堆焊電流90～120 A，
堆至厚度約10 1TIITI，做中間消應力處理；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檢查合格后進行消應力
· 36 ·
熱處理。
3 性能試驗
按RCC規范及產品技術條件進行性能試驗，結
果如下。
3．1 拉伸試驗及彎曲試驗
橫向拉伸試驗，兩個全厚度試樣，試樣應涉及到
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，一個室溫，要求R ≥550
MPa，另一個360℃高溫拉伸，要求R瑚2≥190 MPa
(見表7)；截取兩個面彎、背彎和兩個側彎試樣進行
彎曲試驗，結果合格(見表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 彎曲試驗結果
試驗 試樣 試樣 彎軸 彎曲 試驗
類型 厚度 寬度 直徑 角度 結果 備注
(mm) (mm) (ram) (。)
面彎， 30 35 120 l8O 合格 面、背彎
背彎 各2個
側彎 10 30 40 180 合格 側彎2個
3．2 AKv沖擊試驗
在室溫下進行，對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，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，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
標準10 mm x 10 mm×55 mm，要求4Kv單個保證值
I>60 J，結果見表9。
3．3 硬度試驗
為檢測熱處理后母材、焊縫及熱影響區性能的
變化，根據RCC—M規范，進行硬度試驗，硬度檢測
線涉及到兩種母材、隔離層和連接焊縫，要求HVIO
~<320，結果全部滿足要求。
3．4 化學成分檢測
化學分析試樣應在無母材稀釋的熔敷金屬中心
區域取得，要求結果應滿足鎳基焊材ENiCrFe一3熔
敷金屬化學成分的規定，結果見表1O。
缺口 焊縫 不銹鋼HAZ區 16MnD5 HAZ區(1 mm) 16MnD5 HAZ區(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
宏觀檢測：無裂紋、未焊透、熔敷金屬與母材問
無未熔合；無焊道間的未熔合及超標的氣孑L。
微觀檢測：無顯微裂紋及影響接頭性能的脆性
夾雜物等缺陷。
4 結論
在工藝評定合格的基礎上，進行了產品安全端
的焊接，結果一次檢測合格。以相同焊接工藝參數
所焊接的見證件，無損探傷，力學性能也一次合格。
證明所選焊接工藝參數是可靠的。
選擇鎳基焊材可防止碳的擴散遷移和減少焊接
應力，比采用不銹鋼焊材更容易保證焊接質量，接頭
性能更容易達到要求。
我國目前正處在核電建設的快速發展時期，安
全端結構的焊接成功，為該項技術的推廣應用奠定
了基礎。
參考文獻：
[1] 周振豐，張文鉞．焊接冶金與金屬焊接性(第2版)
[M]．北京：機械工業出版社，1987．
[2] RCC—M．壓水堆核島機械設備設計和建造規范[s]．
收稿日期：2009—01一l9 修稿日期：2009—04—27
作者簡介：劉全印(1971一)，男，高級工程師，焊接責任工程
師，主要從事三類壓力容器、核電站核島設備的焊接工藝研
究，通訊地址：710021陜西西安市北郊徐家灣中核集團西安
核設備有限公司技術部。 。

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