核电关键敏感设备焊接技术现状及发展趋势

核电关键敏感设备焊接技术现状及发展趋势赵建仓朱平鲁立中国广东核电集团苏州热工研究院有限公司电站寿命管理中心焊接研究所2010.11.052010-12-112目录‰焊接在核电中的重要性‰核电焊接技术现状─核电焊接标准现状与发展─焊接在核电敏感设备制造中的应用─焊接在核电站设备安装中的应用─焊接修复技术在核电中的应用‰核电焊接技术发展趋势‰核电焊接技术国产化现状与发展‰总结2010-12-113核电发展的方针与规划‰我国核电发展的方针─积极发展核电，引进先进技术─实现自主化，促进国产化‰我国核电发展的规划(十二五规划)─2010年全国总装机容量已达9亿千瓦(实际可能更多)─2020年全国规划核电装机容量要达到1亿千瓦,在建5000万千瓦─2020年中广核集团规划建成总装机5000万千瓦,在建2500余万千瓦─我国正在推进大型先进压水堆(第三代)核电机组建设─如中广核台山EPR和国核技的AP10002010-12-114焊接在核电中的重要性‰焊接是核电关键敏感设备制造的关键工序之一─核反应堆压力容器(RPV)、核反应堆稳压器(PZR)─蒸汽发生器(SG)、控制棒驱动机构（CRDM）─核电汽轮机焊接转子、‰焊接是核电建设工程设备安装的关键施工工艺─主管道安装焊接、波动管道焊接─控制棒驱动机构与顶盖适配器焊接‰焊接是核电设备改造及维修的常用方法‰核电焊接应用了很多先进的焊接方法─激光焊、等离子弧焊、焊接机器人、焊接自动化与智能化─常规方法：SAMW、GTAW、SAW、FCAW等‰核电站设备构件中焊接接头是昀薄弱的环节，容易发生早期失效2010-12-115核电站中常见焊接接头失效情况气动主给水泵系统856VV阀门管道焊缝熔合线疲劳断裂CRDM上部密封焊缝应力腐蚀泄漏不锈钢焊缝应力腐蚀开裂隔离阀焊趾应力开裂气动主给水泵系统法兰支管焊趾应力集中导致疲劳开裂高温汽水环境下的焊缝流体加速腐蚀2010-12-116国际核电焊接标准‰美国核电标准靠原创技术推动，形成以专业为主线、门类齐全、适用于多种技术发展需要的通用体系，且能够全面满足核电焊接的需要，在美国、北美地区及亚洲、欧洲部分国家得到广泛应用。‰法国立足本国工业，参照美国标准，形成了《压水堆核岛设计及建造规范》（RCC-M标准），集中围绕工程设计和建造，结构简洁、应用面窄、操作性强，该标准从93版、2000版，加上2002补遗、2005补遗再到2007版，在不断修订，2007版的标准中原有的法国NF标准大量更换为更通用的EN或AWS标准，更趋于合理、实用。‰日、韩两国的工业体系战后由美国扶植建立，核电设备制造业主要执行美国ASME标准，近期开始参考国际标准构建自己的体系。‰德国、俄罗斯在开发核电技术过程中，建立了自己独立核电标准体系。2010-12-117我国核电焊接法规及标准‰《核电厂质量保证安全规则》HAF003—行政法规，强制性‰《核电厂质量保证安全导则》HAD003/01-10—补充法规，指导性文件‰《核电厂质量保证技术文件》HAFJ0011~J0014、F0045、HAFt5007、J0048—核安全技术方法、程序和数据等方面的参考性文件‰《民用核安全设备焊工焊接操作工资格管理规定》HAF603‰行业性文件─《压水堆核电厂核岛机械设备焊接规程》EJ/T1027.1~19─《民用核承压设备焊工资格考核规则》DL/T833-20003─DL/T1117-2009《核电厂常规岛焊接工艺评定规程》─DL/T1118-2009《核电厂常规岛焊接技术规程》‰其他相关标准：GB、JB等与焊接相关的标准2010-12-118我国在役核电站及其应用的标准核电站名称采用标准台数秦山核电站一期CNP3001秦山核电站二期CNP6502秦山核电站三期CANDU62广东大亚湾核电站RCC-M2广东岭澳核电站一期CPR10002江苏田湾核电站一期AES-91(俄罗斯)22010-12-119我国在建核电站及其应用的标准核电站名称采用技术台数岭澳核电站二期CPR10002红沿河核电站一期CPR10004宁德核电站一期CPR10006福清核电站RCCM2阳江核电站CPR10006秦山核电站扩建方家山核电CPR10002中国实验快堆快堆1三门核电站AP10002台山核电站一期EPR2海阳核电站AP10002石岛湾核电站高温气冷堆12010-12-1110目录‰焊接在核电中的重要性‰核电焊接技术现状─核电焊接标准现状与发展─焊接在核电敏感设备制造中的应用─焊接在核电站设备安装中的应用─焊接修复技术在核电中的应用‰核电焊接技术发展趋势‰核电焊接技术国产化现状与发展‰总结2010-12-1111焊接在核电敏感设备制造中的应用‰焊接在核电重要机械设备制造中起着举足轻重的地位。─核电设备制造周期长，锻件来之不易，一旦在焊接环节出现失误，将造成无法弥补的重大损失。‰焊接是决定核电敏感设备质量的昀重要因素之一。─重型压力容器：如反应堆压力容器等─热交换设备：如蒸发器等─大型机械设备：如焊接转子、重型支撑等─精密焊接：如CRDM中的OMEGA焊缝等2010-12-1112重型压力容器制造中的焊接技术反应堆压力容器内不同位置的焊接接头示意图蒸发器稳压器反应堆压力容器主环焊缝CRDM装配接管与筒体的焊接内壁及密封面堆焊接管与封头的焊接2010-12-1113重型压力容器制造中的焊接技术筒体主环焊缝焊接90度弯管内壁堆焊接管与筒体马鞍形双面自动焊接管内壁堆焊蒸发器管端堆焊蒸发器管板焊接2010-12-1114重型压力容器制造中的焊接技术安全端窄间隙焊接压力容器内壁堆焊管-管内焊缝对接2010-12-1115大型机械设备制造——核电焊接转子‰转子材料：22Cr2NiMo,22Cr2Ni3MoV等‰转子外径：Φ3500mm(Max.)‰转子长度：8000~15000mm‰转子重量：30~300t‰转子端部直径：400~1500mm‰坡口深度：≤180mm；‰焊接方法：窄间隙自动TIG焊窄间隙自动SAW焊核电焊接转子焊缝位置示意焊接转子结构示意图2010-12-1116大型机械设备制造——核电焊接转子多机位自动窄间隙氩弧焊窄间隙氩弧焊打底窄间隙氩弧焊焊枪水平窄间隙埋弧焊2010-12-1117核电精密焊接——CRDM中的“Ω”焊缝‰控制棒驱动机构CRDM是核电厂反应堆控制系统和安全保护系统中的一种伺服机构，其压力室组件为核1级设备。‰压力室组件主要由主要由棘爪室、行程室、顶盖三部分组成，三者通过螺纹连接后再通过“Ω”焊缝密封，构成一回路系统边界的耐压腔室。‰“Ω”焊缝是为了减少焊接变形而设置的形状奇特的密封焊缝。在焊接过程中必须严格控制“Ω”焊缝焊接时引起的变形，从而减小对驱动机构的影响。“Ω”焊缝示意图“Ω”焊缝背压保护工装2010-12-1118目录‰焊接在核电中的重要性‰核电焊接技术现状─核电焊接标准现状与发展─焊接在核电敏感设备制造中的应用─焊接在核电站设备安装中的应用─焊接修复技术在核电中的应用‰核电焊接技术发展趋势‰核电焊接技术国产化现状与发展‰总结2010-12-1119焊接在核电站设备安装中应用的现状‰核电设备现场安装阶段以管道焊接为主。‰出于空间位置的限制、管材部件的结构特征和成本考虑，目前现场安装仍以手工焊接操作居多，其中涉及较多的是手工焊条电弧焊和手工钨极氩弧焊。‰一些半自动的焊接方法，如CO2气体保护焊、药芯焊丝气体保护焊、熔化极气体保护焊等也得到了一定量的使用。‰窄间隙焊接技术也在不断拓展应用，例如用于主管道焊接的全位置窄间隙TIG自动焊现场应用技术。2010-12-1120窄间隙TIG自动焊用于一回路焊接窄间隙TIG自动焊设备窄间隙TIG焊缝窄间隙自动坡口机在核电机组安装中采用窄间隙TIG自动焊，可以缩短施工工期达到2个月。2010-12-1121目录‰焊接在核电中的重要性‰核电焊接技术现状─核电焊接标准现状与发展─焊接在核电敏感设备制造中的应用─焊接在核电站设备安装中的应用─焊接修复技术在核电中的应用‰核电焊接技术发展趋势‰核电焊接技术国产化现状与发展‰总结2010-12-1122焊接修复技术在核电中的应用‰核电设备的焊接返修─核电设备在制造过程中由于客观原因不可避免的会出现各种缺陷，主要有：原材料本身缺陷，设备存在过加工或损伤，焊缝缺欠等。‰在役核电站设备构件的焊接修复─电站服役期间，由于受应力、温度、辐照、腐蚀、振动、磨损等外部分环境影响以及设备在设计、选材、制造等方面存在和缺陷，运行期间，不可避免出现材料、焊缝失效等设备缺陷。2010-12-1123核电设备典型焊接接头返修——堆焊层‰返修部位：筒体或管道内壁堆焊层‰返修方案：分4种情况缺陷位于堆焊层缺陷位于过渡层缺陷位于过渡层与母材交界缺陷位于母材2010-12-1124核电设备典型焊接接头返修——窄间隙焊未熔合气孔裂纹‰窄间隙焊常见缺陷由于窄间隙焊坡口很窄，一旦发生缺陷，返修非常困难。‰窄间隙焊返修方案方案1：局部返修max10mmmax10mm工件1工件2max30mmmax70mm工件1工件2GTAWSMAW方案2：整体返修1、采用特殊的加工设备从整个环缝外侧去除缺陷金属层至内壁10mm；2、采用镗床从内壁加工至超过缺陷5-10mm；3、直接切断，重新焊接。2010-12-1125在役核电站设备构件的焊接修复案例‰CRDM上部密封焊缝泄漏堆焊修复─岭澳核电站一号机CRDM上部密封焊缝，因母材/焊缝发生应力腐蚀，上部密封焊缝发生轻微泄漏。上部密封焊缝泄漏的硼结晶照片修复焊接设计由美国SI公司负责，要求在焊缝表面至少堆焊两层ALLOY52合金，每层厚度不小于2mm。堆焊顺序从Ω焊缝上下两边交替焊接至焊缝中间位置。堆焊设计焊缝分布示意图2010-12-1126在役核电站设备构件的焊接修复案例‰手动截止阀密封焊缝泄漏处理─手动截止阀常用于电厂设备、管道的疏水、排气管线，因密封焊缝失效，曾发生多起阀门泄漏事件。阀门内部结构图在密封焊缝处安装2个半圆形套环，将套环焊成一体，将密封焊缝内包裹在其中，在套环上形成新的密封结构2010-12-1127目录‰焊接在核电中的重要性‰核电焊接技术现状‰核电焊接技术发展趋势‰核电焊接技术国产化现状与发展‰总结2010-12-1128核电焊接发展趋势‰在核电设备制造、安装、运行和维修过程中应用更加安全、高效和优质的焊接技术，是当前核电焊接的主要发展趋势。─高效、优质焊接方法的应用研究─远程焊接与机器人焊接─计算机模拟技术─核电站修复与延寿技术─准确失效分析与寿命评估2010-12-1129高效、优质焊接方法的应用研究‰对现有的GTAW、SAW和MIG/MAG焊接方法加以改进，以提高金属填充速率，加快焊接速度，改善焊接质量，例如：─多丝/药芯焊丝埋弧焊─超短弧高速MIG/MAG（RapidArc）─用于管道的行星轨道TIG焊机头（OrbitalWeldHead）─垂直/全位置带极堆焊OrbitalWeldHeadRapidArc药芯焊丝SAW垂直位置堆焊2010-12-1130远程焊接与机器人焊接‰在核电站检修中，对辐射剂量大，特别是设备检修或更换中涉及直接接触一回路冷却介质、反应堆堆芯等高辐射区的作业（如核岛主设备维修更换、控制棒驱动机构维修等），使用远程焊接和机器人焊接，可以保障施工人员的生命安全，但是该项技术目前仍处于示教阶段。‰在核电敏感设备的制造过程中，进行机器人自动化焊接技术的应用研究，可以有效的缩短制造工期，提高焊接质量。2010-12-1131计算机模拟技术‰在设备的焊接制造和安装中使用计算机模拟仿真技术，对焊接工艺的设计优化、焊接接头残余应力和变形的控制、接头位置的组织和性能、焊接接头的寿命评估都有很大的好处。‰尤其在核电设备的焊接修复中，由于核安全的特殊性，在施工前对焊接过程进行模拟仿真，全面掌握并优化可能由焊接施工造成的应力变形等不利影响，是目前主要的一个研究应用方向。焊接修复中残余应力的有限元模拟通过有限元优化焊接方法以减轻奥氏体不锈钢管道应力腐蚀情况2010-12-1132核电站修复与