1000MW压水堆核电站国产化蒸汽发生器关键焊接制造技术_李双燕

发生器的所有原材料包括本体材料均自主采购。 还采用了 5 项新技术，包括（1）管板大面积 Inconel
1.2 焊接填充材料
600 镍基合金带极电渣堆焊技术（2）下封头内壁大
焊接材料的选择是焊缝质量优劣的重要前提， 面积带极埋弧堆焊技术（3）下封头进出口接管内壁
根据 1000MW 蒸汽发生器的结构特征、原材料类别、 带极埋弧堆焊技术（4）下封头进出口接管安全端不
管板 18MND5
镍基合金 堆焊层
≥150℃，堆焊过渡层后进行后热处理，之后预热 ≥15℃堆焊不锈层。堆焊后对堆焊层进行 100%PT
和 100%UT 检测。
图 4 管子管板焊接接头示意
表 3 带极埋弧堆焊参数表
管子管板焊接（图 5）的难度很大，不仅因为 堆焊层和管子的材料不同，而且管子壁厚很薄，全 位置焊接时线能量控制不当会使管子变形超标。
管子管板焊接接头形式，对于保证焊缝的焊接质量 60mm×0.5mm EQ309L/EQ308L 类型，共堆焊三层； 是非常重要的[2]。1000MW 蒸汽发生器传热管端面 进/出口管嘴内壁首次采用带极埋弧堆焊技术进行
与管板堆焊层表面平齐。管子管板焊接接头见图 4。 堆焊，焊带为 30mm×0.5mm EQ309L/EQ308L。所有 焊带堆焊前预热≥150℃，堆焊第一层过渡层后进行
滞后停气时间等参数。焊接后对接头进行目视检查、
2.2 管子-管板焊接
尺寸检查、100%PT 检测、氦检漏以及 6%焊缝的 RT
管板材料为 18MND5 低合金钢锻件，总厚度 检测。
557mm，Inconel 600 镍基合金堆焊层至少 8mm。管
板上钻有 8948 个正方形排列的管孔，孔径为Φ
2.3 下封头不锈钢堆焊
焊接部位多；材料特殊，涉及到低合金钢、不锈钢
表 1 蒸汽发生器设计参数
和镍基合金等同种和异种金属之间的焊接；焊接材
类型
立式 U 型
料种类多、焊材试验多，包括焊材牌号的评定等； 焊接工艺评定多，涉及对接、角接、堆焊、模拟补 焊等；采用的焊接工艺方法多，除采用成熟的焊接 工艺外还采用了多项自主创新技术；焊接文件多， 包括焊接数据包、焊缝及相关检查清单等。
包括 E309L、E308L 和 E316L 焊条，ER309L、ER308L 堆焊金属润湿性差[1]，要获得质量较高的堆焊层，
和 ER316L 氩弧焊丝，ER308L 埋弧焊丝/烧结型焊剂， 管板堆焊工艺的选择至关重要。产品堆焊示意见图
EQ309L/ EQ308L 埋弧堆焊焊带/烧结型焊剂。镍基 2 所示。
体下、管板、下封头均采用 18MND5 锰镍钼低合金钢
设备焊接制造过程中，除采用成熟的焊接工艺
锻件。一次侧接管安全端材料为 Z2CND18-12(N2)奥 包括主环缝 SMAW+SAW 焊接、纵缝 SAW 焊接、人孔座
氏体不锈钢；U 型管材料为 NC30Fe 镍基合金。蒸汽 与筒体 SAW 焊接、给水接管与筒体 SAW 焊接等外，
≤200 6～7
≤200
图 5 管子管板焊接
2.4 下封头进出口接管安全端焊接 接管安全端焊接接头为异种钢焊接接头，由于
设计及使用要求，在 18MND5 低合金钢焊接坡口面 上预先堆焊不锈钢隔离层后，再与 Z2CND18-12（N2） 奥氏体不锈钢进行对接焊。接管安全端焊接接头坡 口形式为单面 U 型坡口，见图 6。
A
V
mm/min mm ℃
1~3
1050 ～1150
24～26
200～220 5～8
≤200
却速度≤55℃/h，降到 350℃以下冷却，加热方式
管子管板连接方式采用胀接加焊接。制造工艺
为先机械定位胀，再进行管子管板焊接，再进行液
压胀。管子管板采用不填丝脉冲自动 TIG 焊接一圈，
焊接设备采用 Polysoude 公司的 TS25/PS406 焊机，
管板二次侧
带极纵向堆焊区 带极环向堆焊区
为分析管子-管板焊缝对管板堆焊层的热影响，
图 2 管ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ堆焊示意图
对管板一回路侧堆焊用镍基合金焊接材料（包括焊
直段区域首次采用带极电渣堆焊技术，焊带采
带、焊条、焊丝）必须按 RCC-M S3750 进行模拟试 用 EQNiCr-3 类型，尺寸 60×0.5mm，焊接参数见表
型号 一次侧设计压力（Mpa） 一次侧设计温度（℃） 二次侧设计压力 (MPa) 二次侧设计温度（℃）
55/19 B 17.23 343
8.6 316
U 型管材料
Inconel 690
U 型管数量
4474
U 型管规格（mm）
Φ19.05×1.09
U 型管节距（正方形）（mm）
27.43
上筒体外径Φ1（mm）
Φ3.0mm 对接
SAW
不锈层： 不锈层：
ER308L 焊后
SAW
Φ3.0 mmER308L
用隔离层热丝 TIG+SAW 堆焊工艺，对接焊 SAW 焊接 工艺是可行的。
2.5 水室隔板的焊接 蒸汽发生器水室隔板与下封头不锈钢堆焊层的
焊接采用 K 型坡口（图 8）双面手工电弧焊方法， 焊接材料均为 690 镍基合金。焊接的重点为全焊透 及防止变形，前者采取清除焊根的方法来达到，而 后者则采取分区域控制焊接方向的方法来保证。同 时，在镍基合金焊接过程中，必须每一焊道表面清 理，每一层焊后进行打磨/清除氧化膜等杂物。
后热处理，之后预热≥15℃堆焊不锈层。焊接参数
TIG
见表 3。下封头中心区域、进/出口管嘴内壁拐角区
域、人孔内壁和拐角区域均采用手工焊条
E309L/E308L 焊接，焊接时第一层过渡层 E309L 使
U型管NC30Fe
用采购的最大尺寸，E308L 不锈层的第一层焊条尺 寸不大于过渡层 E309L 使用的尺寸。堆焊前预热
4484
上筒体厚度 E1（mm）
95min
下筒体内径Φ2（mm）
3286
下筒体厚度 E2（mm）
77min
产品总长度 H（mm）
~21115
产品重量 （T）
345
1 主要材料
图 1 1000MW 蒸汽发生器结构示意
蒸汽发生器是核电站核岛的核心装置， 1000MW 蒸汽发生器型号为 55/19B，每个机组由 3 个环路组成，每个环路有一台蒸汽发生器，图 1 为
表 2 带极电渣堆焊参数表
接时道间温度为低合金钢≤250℃，不锈钢≤250℃， 镍基合金≤225℃。后热处理温度为 200~300℃，至 少 2 小时。焊后热处理温度为 595-620℃，最大保 温时间 20 小时，350℃以上加热速度≤55℃/h，冷
层数 堆焊电流 堆焊电压 堆焊速度 搭边量
层间 温度
保护气体选用 75%He+25%Ar 混合气体。每一个焊工
或焊接操作工在每一次产品焊缝施焊前焊接一个管
子-管板见证件焊缝，合格后方能进行产品焊接。焊
接前需严格控制清洁度，焊接过程中需控制起弧位
置、预送气时间、预熔电流和时间、气体流量、脉
图 3 管板带极电渣堆焊
冲频率、脉冲电流和时间、焊接速度、熄弧电流、
1000MW 压水堆核电站国产化蒸汽发生器
关键焊接制造技术
李双燕 （上海电气核电设备有限公司，上海 201306）
摘要：介绍了 1000MW 级核电蒸汽发生器的结构及主要设计参数，详细介绍了蒸汽发生器的母材、焊接填充材料以及 设备制造中的关键焊接技术。1000MW 蒸汽发生器的完全自主化以及多项创新技术的应用为其批量化生产积累了丰富经验， 也为第三代核电制造打下了坚实基础。1000MW 蒸汽发生器的焊接技术已经达到了国际同类产品先进水平。
焊材，主要用于内部构件（包括干燥器、汽水分离 焊镍基合金 INCONEL 600 材料，以保证一定的耐蚀
器、套筒、排污管等组件），国产焊材的使用尚属首 性。管板直段堆焊至少 8mm，R 边缘区堆焊 7~9mm。
次，大大推动了核电国产化焊材的进程。不锈钢类 由于 INCONEL 600 镍基合金材料热裂纹敏感性高、
合金类包括 ENiCrFe-3、ENiCrFe-7 焊条，ERNiCr-3、 ERNiCrFe-7 氩弧焊丝，EQNiCr-3 电渣堆焊焊带/烧
管板一次侧
手工焊条堆焊区
结型焊剂。这些焊接材料主要用于承载焊缝、非承
载焊缝、堆焊层、隔离层、密封焊缝和补焊焊缝。
管板18MND5
其中焊剂（与给定化学成分的焊丝或焊带有关）和 焊条需按 RCC-M S5000 进行牌号评定，评定时需考 虑焊丝或焊带、焊条的尺寸。
设计要求及生产设备和工程经验确定焊接工艺方 锈钢 TIG+SAW 隔离层堆焊、SAW 对接焊技术（5）
法，从而确定焊接材料类别及尺寸。焊接材料入厂 Inconel 600 堆焊层+ Inconel 690 管子的不填丝
后进行焊材验收和焊材牌号评定。
TIG 管子-管板焊接技术。这些技术在红沿河核电厂
1000MW 蒸汽发生器用焊接材料涉及到 4 大类、 一期工程 1 号机组和宁德核电厂一期工程 2 号机组
验，模拟试验在焊材验收时进行或管板堆焊工艺评 2。产品堆焊见图 3。首先在管板中心区域直焊道堆
定时进行，模拟试验可用 5 根管子与堆焊层相焊， 焊约Φ800mm 的范围，然后再采用环向堆焊方法。R
也可进行重熔试验（五条单道环焊缝和五条双层重 边缘区采用 ENiCrFe-3 焊条进行堆焊，焊接时第二
叠焊道环焊缝）。
层数
堆焊电流
堆焊电压
堆焊速度
搭边量
层间 温度
A
V
mm/min mm ℃
60mm EQ309L 760～820 焊带 EQ308L 780～850 30mm EQ309L 380～410 焊带 EQ308L 380～410