核电厂非能动余热排出热交换器管板堆焊技术

宋天雄

中核辽宁核电有限公司辽宁葫芦岛125112

摘要：相关单位通过选用一定数量的优良焊接材料，制定出一个合理的堆焊工艺，成功地完成第三代核电无源废热去除热交换器管板堆焊，获得了质量和性能优异的堆焊层。通过分析可以了解到采用两侧交替堆焊的方法，以及带钢埋弧焊与电极电弧焊相结合的堆焊方式，既能有效提高堆焊效率，又能保证堆焊后管材的各项基本要求，为第三代核电技术在国内的应用提供了相关的经验。第三代核电技术在传统成熟的压水堆核电技术的基础上，使用被动安全系统，是典型的第三代核电反应堆。

关键词：核电厂热交换器堆焊技术

第三代核电最主要的安全系统是余热排出系统，当核岛主泵发生故障时，利用这种被动余热去除换热器能够通过自然循环的方式来去除核心区衰变带。该系统能够独立于交流电源，同时它还能将严重损坏的堆芯保存在压力容器内，这样就能有效避免放射性物质的释放，从而保证核电站的安全。这种热交换器是核安全的一级组成部分，主要根据美国的技术条件和相关要求来进行生产的。管板的堆焊是制造该交换器的重要环节，堆焊质量对管板的耐蚀性、管板和管板焊缝的焊接质量以及产品的制造进度有着直接的影响，所以说，合理的堆焊工艺是保证管板质量的关键之处。

1.管板的特点以及堆焊的相关要求

在实际生产中，管板的两面都需要堆焊。690合金为第一侧面堆焊，不锈钢为第二侧面堆焊，第二侧面堆焊外墙也需要不锈钢。管材的直径比较小，厚度相对也是比较薄的，管材两侧的堆焊以及堆焊材料的焊接性也是比较差的，在实际使用的时候对堆焊层的厚度和管材的变形程度也有严格的要求。在进行堆焊后要求进行严格的熔透试验和超声波试验，不仅要保证堆焊层内部质量，还应该保证堆焊层金属的强度、塑性、铁氧体含量和化学性能等符合实际需求。这些因素都增加了堆焊的难度，所以说在进行堆焊的时候选择一个合适的工艺是非常重要的。

2.管板堆焊的相关工艺

2.1堆焊方法及设备

管板一侧690合金堆焊和二侧不锈钢堆焊所采用的方法主要是埋弧焊和平焊，在相应的位置进行一定的焊接。比如说，在对边缘和角落的管板进行堆焊工作的时候不能使用这种方法，690合金主要是在电极电弧堆焊的平焊位置进行焊接，在二次侧和不锈钢堆焊的时候，主要是在平焊位置和十字架的电极电弧焊接部位进行堆焊工作。采用ESABLAF1601焊接电源及其控制系统和SUODOKEY125-ESI-300堆焊机头进行带钢埋弧焊堆焊。

2.2堆焊工艺的相关参数

因为管板材料SA-508Gr.3Cl.2中的合金元素比较多，其中碳的量有0.5%，在进行焊接过程中，热影响的区域有较高的硬化倾向，所以说，在进行堆焊之前一定要进行适当预热、焊后加热并且要控制好焊接冷却速度，这样就能有效保证是保证焊堆材料不产生冷裂纹。在焊接690合金材料时，镍和杂质元素容易形成低熔点共结晶，产生热裂纹。同时，由于熔融金属的粘度非常高，容易产生不熔化的焊接缺陷，这些都对工艺参数提出了更为严格的要求。然而，目前690合金的堆焊通常采用带极电渣堆焊或热丝TIG焊接的方式进行，镍基合金埋弧堆焊的相关研究较少。主要焊接参数有焊接电流、电弧电压和焊接速度，相关工作人员进行了大量堆焊试验和堆焊层性能测试，最终得到一组最优焊接参数。为了能够使加工余量更加充足，有三层埋弧焊带，每层埋弧焊带厚度应该保证在3mm左右，这样就能保证电极电弧焊带厚度与埋弧焊带厚度相等。整个管板在进行堆焊之前前应该在加热炉中进行预热，堆焊过程中通过火焰加热以及感应加热的方法来维持预热温度。

2.3堆焊的方式和顺序

为了实现带钢埋弧堆焊面积更大得目标，减少手工焊条电弧焊的工作负载，中心区域的范围内(800毫米)的平面部分两边的管板堆焊是平行的直线，而外部区域的平面部分是用同心圆的方法来进行堆焊的。对于这个产品，实际生产的时候应该使用双方交替用的方法来进行堆焊工作，也就是说，第一次进行堆焊的管板第一层镍基合金在二侧不锈钢堆焊的第二层次的二侧，第二和第三层的镍基合金的初级侧管板和不锈钢在第三层的二侧管板。管板的第一、二道焊道方向平行，两侧相邻堆焊层的焊道方向垂直。

对于管板一次侧和二次侧的镍基合金和不锈钢带极埋弧堆焊，每层均以管板中心线为中心，沿第一层对称堆焊。每边第一层的每一层堆焊圆尺寸为800mm，第二层和第三层堆焊圆尺寸最大，不超过上层。再次预热后，将管板水平放置在焊接定位器上，一次侧置，将690合金在管板平面部分外侧以同心圆焊接。通过调整堆焊机头，保证了带钢埋弧堆焊的最大范围，焊道边缘与焊管薄板角堆焊后的距离小于10mm，有效减少了后续的电极电弧堆焊。焊接管板二次侧平面外不锈钢的埋弧焊带堆焊方法与一次侧镍基合金堆焊方法相同。由于二次高度较小，所以说该次焊接操作比二次侧堆焊稍微方便一些。

电弧焊是在管材的初角和圆弧段逐层堆焊镍基合金的一种焊接方法。由于熔融的690合金流动性和可加工性较差，焊条电弧焊也必须是平焊。在焊接过程中，对定位器调节堆焊位置进行调整，确保焊接操作始终处于平焊位置。外侧的二次侧管板是由电极电弧焊进行堆焊的，管板的水平放置减少了管板的移动，许多工作人员可以同时在不同的区域工作，从而提高生产效率。除此之外，在管板堆焊过程中，特别是管板一次侧镍基合金堆焊过程中洁净度的控制、必要的抛光和操作技巧对管板堆焊层的质量有着重要的影响，在堆焊过程中必须严格控制。管板堆焊层表面处理后，按照相关技术要求进行穿透和超声波检测。根据实际要求进行应力释放热处理后，对各种堆焊层的试验再次进行合格检验，以保证堆焊层的形状尺寸、平整度、厚度均满足产品要求。

【结束语】综上所述，可以了解到：优良的焊接材料、合理的工艺参数和合理的堆焊顺序是保证堆焊层质量的前提。两侧交替堆焊的方法，带钢埋弧堆焊与电极电弧焊相结合，既能最大限度地提高堆焊效率，又能保证堆焊后管材的各种性能和尺寸要求。管板堆焊的成功完成，为我国第三代核电技术的推广应用提供了宝贵的制造经验。

参考文献

[1]王莉,徐祥久,王舒伟,杜玉华.AP1000非能动余热排出热交换器管板堆焊技术[J].锅炉制造,2016(02):38-41.

[2]关庆鹤,廉松松,杜鑫.镍基合金堆焊管板深孔加工工艺技术及优化[J].锅炉制造,2017(05):44-47.