CAP1400核电站钢制安全壳焊后热处理

CAP1400核电站钢制安全壳焊后热处理

CAP1400核电站钢制安全壳焊后热处理董永志1，2，胡广泽1，2，晏桂珍1，2，修延飞1，2 （1.山东核电设备制造有限公司，山东海阳265118；2.烟台市核电设备工程技术研究中心，山东海阳265118）摘要：基于ASME锅炉及压力容器规范第Ⅲ卷第1册NE分卷对焊后热处理的规定，结合CAP1400钢制安全壳结构形式、材质要求，确定需进行焊后热处理的焊缝范围。结合工程建造特点，对贯穿件套筒与补强板焊缝进行炉内整体热处理，筒体纵焊缝、环焊缝、补强板与筒体焊缝进行局部焊后热处理。为控制焊后热处理的变形，筒体纵焊缝采用单条或多条对称加热、筒体环焊缝及设备闸门补强板焊缝采用分段加热方式，通过试验确定局部焊后热处理的加热带宽度、隔热带宽度和厚度，保证均温带温度达到595℃～620℃的设计要求。关键词：CAP1400；钢制安全壳；焊后热处理；局部加热0 前言钢制安全壳容器（Containment Vessel，CV）是CAP1400非能动压水堆核电站实现非能动功能的关键设备之一，其设计、建造采用ASME锅炉及压力容器规范第Ⅲ卷第1册NE分卷[1]（简称ASMEⅢNE）。焊后热处理（post weld heat treatment，PWHT）是钢制安全壳容器建造过程中的关键工艺，本研究结合钢制安全壳的结构形式、建造特点和工程实际情况为制定PWHT

工艺提供指导，同时对大型储罐和设备的PWHT有一定的借鉴意义。1 钢制安全壳的结构形式与材质要求1.1 钢制安全壳的结构形式CAP1400钢制安全壳筒体内直径43 m，整体高度73.6 m。建造过程中共分为5个拼装段，依次为下封头、筒体一环、筒体二环、筒体三环、上封头，如图1所示。封头由82块厚度43 mm的瓣片拼焊而成，筒体由144张弧形板构成，其中第1圈筒体板厚度55 mm，其余11圈厚度52 mm。图1 钢制安全壳结构

Fig.1 Configuration of containment cessel 钢制安全壳共

83个贯穿件，包括46个机械贯穿件、33个电气贯穿件、2个设备闸门、2个人员闸门，其中3个机械贯穿件位于下封头，其他均位于筒体一环。19个机械贯穿件的管道或套筒外径小于或等于64 mm，参照ASMEⅢNE-3332.1规定，这部分贯穿件不需要补强；其余贯穿件套筒全部采用单独补强或联合补强的方式与壳体连接，补强板的厚度分别为80 mm、90 mm、100 mm和130 mm。贯穿件与壳体的连接形式如图2所示。1.2 钢制安全壳材质要求图2 贯穿件与壳体的连接形式

Fig.2 Welds joining nozzles or penetrations to vessel shell CAP1400钢制安全壳是实现安全壳冷却系统功能的核心设备，其独立于外部的混凝土屏蔽厂房，对钢制安全壳厚度和强度的要求较高[2]。同时，对于厚度小于等于64 mm的材

料最低使用温度（LSMT）为-28℃；厚度大于64 mm的材料与环境隔离，LSMT温度为10℃。为补偿焊后热影响区冲击韧性的降低，需比LSMT低17℃进行冲击试验。CAP1400钢制安全壳壳体材料为中低温压力容器用热处理碳锰硅钢

板SA738Gr.B，具有较高的强度和较好的低温冲击韧性[3]，如表1所示。2 PWHT的豁免ASME表NE-4622.7(b)-1规定P-No.1材料在基于名义厚度、最低预热温度、材料的化学成分及结构形式可免除强制性PWHT。对于封头对接焊缝，包括封头与筒体之间环焊缝、封头与补强板之间对接焊缝均可免除PWHT；筒体部分纵焊缝、环焊缝、补强板与筒体之间焊缝应进行PWHT。CAP1400钢制安全壳共有19个不带补强板的贯穿件，其中15个为不锈钢材质的贯穿件，采用的连接形式如图2a所示，另外4个材质为SA350 Gr.LF-2的套筒与壳体的连接方式如图2b所示。ASMEⅢNE 对于P-No.8的不锈钢材料，既不要求也不禁止焊后热处理，同时表NE-4622.7（b）-1对于与名义内径小于等于50 mm （2 in.）的接管或贯穿件相连接的所有焊缝，名义厚度小于等于19 mm（3/4〞）时免除PWHT。上述15个不锈钢贯穿件与壳体焊后免除PWHT，4个碳钢套筒与壳体焊后应进行PWHT。表1 SA738Gr.B机械性能

Table 1 SA738Gr.B mechanical properties厚度t/mm 38＜t≤64 t＞64抗拉强度Rm/MPa 585～705 585～705屈服强

度Rp0.2/MPa≥415≥415长率A/%≥20≥20冲击温度

LSMT-17/℃-45 -7冲击功ACv/J≥54（Ave.）；≥47（Min.）≥68（Ave.）；≥61（Min.）韧脆转变温度TNDT/℃—≤-25 3 PWHT工艺参数ASMEⅢNE PWHT的最高保温温度低于下转变温度50℃，是一种典型的低于下转变温度的PWHT，其首要目的是释放焊接接头的残余应力[4]。通过对热处理部位限定升降温速率、保温温度区间和保温时间来消除残余应力。3.1 升降温速率ASMEⅢNE-4623规定在425℃以上，根据焊接接头的材料厚度计算得到最大加热速率和冷却速率，且任意间隔小时内不能超过222℃，也不能低于56℃。

3.2 PWHT保温温度及保温时间ASMEⅢNE规定P-No.1材料PWHT的保温温度为595℃～675℃，但对于调质状态的材料，传统的设计一般规定PWHT的最高保温温度不超过材料的实际回火温度[5]。对于SA738Gr.B要求PWHT最高保温温度低于材料回火温度15℃，进一步限定最高保温温度，但也不能低于595℃。ASMEⅢNE规定的PWHT的保温时间是基于焊缝的名义厚度t，当厚度超过50 mm时，PWHT 的保温时间为2 h+（t-50）×0.5 min。对于多次PWHT的部位，热处理累计时间不宜超过材料模拟焊后热处理时间的1.25倍。4 PWHT加热方式

4.1 PWHT加热方式选择钢制安全壳的PWHT加热方式有整体炉内加热、局部加热和容器内部加热三种。由于钢制安全壳采取分5段的方式进行模