CAP1400蒸汽发生器关键制造技术

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2024年7月16日发(作者：)

CAP1400蒸汽发生器关键制造技术

王威;贾晶晶;李永;王英杰

【摘 要】根据第三代非能动压水堆（CAP1400）水堆核电蒸汽发生器制造过程中

积累的经验并结合其他压水堆型核电蒸汽发生器的制造经验，介绍了CAP1400蒸

汽发生器的结构特点，并分别对制造过程中的一些关键制造技术，如管板一次侧镍

基堆焊、管板深孔钻、内套筒的装配、管束穿管、液压胀管和水室封头焊接等进行

详细的阐述，为后续压水堆型核电蒸汽发生器的制造提供经验参考。%According

to the manufacture experience of Gen Ⅲ passive pressurized water reactor

(CAP1400)steam generator and combining with the manufacture

experience of other pressurized water reactor steam generator,the

structure characteristic of CAP1400 steam generator was introduced,some

key technology during CAP1400 steam generator manufacture in

detail,such as tubesheet primary side nickel-based alloy

cladding,tubesheet deep drilling,installation of the bundle wrapper,tubeset

insertion assem-bly,tube hydraulic expansion,channel head welding and so

on were also provides some ref-erence for manufacturing the

PWR steam generator.

【期刊名称】《压力容器》

【年(卷),期】2016(033)009

【总页数】7页(P71-77)

【关键词】CAP1400;蒸汽发生器;制造

【作 者】王威;贾晶晶;李永;王英杰

【作者单位】华能石岛湾核电开发有限公司，山东荣成 264312;华能石岛湾核电

开发有限公司，山东荣成 264312;华能石岛湾核电开发有限公司，山东荣成

264312;华能石岛湾核电开发有限公司，山东荣成 264312

【正文语种】中 文

【中图分类】TH49;TL353.13

CAP1400蒸汽发生器作为核电站一回路系统主设备，较以往蒸汽发生器具有尺寸

更大、重量更重、材料要求更高、制造更复杂、部件国产化率更高等特点。因此，

制造过程中需解决焊接、热处理、机加工、装配等诸多制造难题，以保证设备制造

质量符合规格书的要求[1]。本文根据CAP1400蒸汽发生器制造过程中积累的经

验，并结合以往压水堆核电站蒸汽发生器制造经验[2-4]，介绍CAP1400蒸汽发

生器的结构特点和关键制造技术。

1.1 设备结构

CAP1400蒸汽发生器结构如图1所示。主要由水室封头、管板、各筒体、上封头、

内套筒组件、管束组件、支撑板及抗振条组件、给水环组件、一级分离器和干燥器

等部件组成。

蒸汽发生器一次侧压力边界包括水室封头、管板和管束组件。水室封头内部由水室

隔板分成冷、热两部分，U形传热管穿入管板的管孔内，通过管端定位胀接、管子

与管板密封焊、液压胀接保证一、二回路间的密封性。

蒸汽发生器二次侧压力边界包括上部壳体组件、下部筒体、管束组件和二次侧内件

等。传热管通过支撑板进行支撑，管束外周由内套筒围住；在内套筒的上部，安装

有给水环、汽水分离器和干燥器。

1.2 设备基本参数

CAP1400 蒸汽发生器基本设计参数见表1，设备所用主要材料见表2。

2.1 管板一次侧镍基堆焊

蒸汽发生器管板一次侧表面需堆焊约7 mm厚的镍基合金。由于设计要求不允许

使用电渣堆焊工艺，制造厂进行了带极埋弧堆焊工艺试验及评定，通过优化焊接电

流、电压、焊接速度、搭边量等焊接参数，完成了管板一次侧镍基堆焊工作。

管板一次侧镍基堆焊过程如图2所示。管板随回转工作平台转动，焊机横梁可沿

管板径向和轴向方向移动，主要采用宽度60 mm的EQNiCrFe-7焊带焊接。如图

3所示，将管板划分为埋弧自动焊区和手工堆焊区。管板表面清洁后进行预热，利

用SAF焊机在管板一次侧平面由外向内以圆形焊道进行带极埋弧堆焊，直至中间

φ300 mm区域为止。外侧第一条焊道要尽量接近管板边缘，以减少R区手工堆

焊工作量。管板一次侧平面中间φ300 mm区域及外侧拐角R区进行手工电弧堆

焊。管板堆焊层粗加工后进行消应力热处理，精加工后进行堆焊层渗透探伤和超声

波探伤。

2.2 管板深孔钻

管板与下筒体组焊后进行深孔钻，管板材料为SA-508 Gr.3 Cl.2锻件，管板厚度

约860 mm。管板上需要钻26212个管孔，管孔排列方式如图4所示的等边三角

形排列，孔径φ17.73 mm，节距为24.892 mm[5]。

钻孔前须进行工艺评定以验证深孔加工工艺参数[6]，模拟钻孔中可能出现各种问

题以及对钻孔质量的影响，如：多轴钻孔、单轴钻孔及钻孔中断后重新启动钻孔等

工况，在评定合格后方可正式进行管板深孔加工。

管板钻孔采用三轴数控钻床和BTA钻头，钻孔过程如图5所示。切削液通过油压

头从钻杆外部到达钻孔处，并携带铁屑从钻杆中排出。钻孔前确认各轴间距，并利

用试板验证深孔加工程序。首先在管板一侧分别加工低位和高位基准孔，深孔加工

由下往上，由中心往两侧进行，主要采用三轴钻，在不能进行三轴钻孔的区域，可

采用单轴或双轴钻。钻孔过程中要进行自检并及时更换磨损件。

深孔加工后对管板组件进行整体清理和二次侧倒角，然后对管孔做最终检查，具体

包括：(1)孔和倒角目视检查；(2)内径尺寸检查；(3)两侧孔桥尺寸检查；(4)直线

度通棒检查；(5)孔的垂直度抽查；(6)粗糙度检查。

2.3 主环缝焊接

蒸汽发生器最大外径约6400 mm，壁厚最厚约280 mm，主环焊缝采用多层多道

埋弧焊技术，但是深坡口焊缝进行多层焊时，易产生内应力集中，若焊接过程中温

度控制不当，易导致焊接缺陷的产生。通过适当提高预热温度并延长后热时间的方

式，以充分降低接头内的含氢量，基本解决了接头延迟裂纹问题。

主环缝焊接工艺为埋弧自动焊和手工电弧焊，采用如图6所示的UV型窄间隙坡

口。UV型坡口的环缝采用卧式装配，在错变量和根部间隙合格后进行内侧焊缝手

工焊、清根、外侧焊缝埋弧自动焊；最终，焊缝进行目视检查、尺寸检查、磁粉探

伤、超声波探伤和射线探伤。

由于筒体直径和壁厚的增加，单丝埋弧自动焊的焊接工作量大幅增加。为此，将焊

缝坡口角度减小至0.5°～2.5°，并经焊接工艺试验证明坡口侧壁熔合较好，焊缝收

缩引起的坡口宽度仍满足焊接要求，从而有效减少了填充金属熔敷量，同时也减少

了焊材的使用，降低了制造成本[7]。

2.4 内套筒装配

蒸汽发生器内套筒沿轴向分布3圈开孔，套筒小端端面分布1圈开口，下部壳体

内壁对应位置分别有3圈套筒支撑销钉和1圈套筒支撑块。内套筒安装过程如图

7所示，通过行车及带有轴向滚轮的装配工装将套筒吊运至下部壳体组件内，利用

液压千斤顶和钢片对套筒小端开口与套筒支撑块间隙进行调整及临时固定，随后在

套筒内壁对应套筒支撑销钉、检查孔、再循环孔和手孔等位置完成划线。

移出套筒并按照划线位置完成套筒上各开孔气割、打磨，并点焊好焊接垫圈、垫板。

重新将套筒送入下部壳体并完成装配调整后，开始正式焊接支撑块焊接垫圈、垫板、

支撑套管及各开孔附件。焊接期间应注意预热温度、焊接顺序，并在焊接前后测量

各管束支撑板装配位置处的套筒圆度。

焊接工作完成后，对套筒及套筒与壳体之间的空腔进行清理，确保无油污、焊渣及

垃圾等异物，清洁度检查合格后用帆布封闭锥体大端侧。

2.5 管束支撑板装配

管束支撑板的安装工作须在清洁室内进行，如图8所示，所用工装设备包括可自

由升降的装配平台、安装吊梁和激光准直望远镜。

蒸汽发生器共有10块管束支撑板，其直径及管孔数量大幅增加，且管孔对准要求

更加严格，关键工艺过程如下：

(1)初建装配基准。

如图9所示，在管板一次侧指定3个目标管孔，并在每个管孔上安装1台激光准

直望远镜。将顶部支撑板K临时安装在套筒内对应位置，粗调激光准直望远镜角

度，使激光对准顶部支撑板K上对应指定孔位的光靶，锁紧激光准直望远镜。

(2)精建装配基准。

将支撑板A装配至套筒内对应位置，保证支撑板A上指定位置光靶度数满足要求。

在管板上选取一定数量管孔进行通量棒测量，并再次调整3台激光准直望远镜的

角度，调整后重新安装支撑板K，确保其指定位置光靶读数满足要求。锁紧激光准

直望远镜，并在地面建立激光固定点。

(3)支撑板正式装配。

在满足通量棒测量值要求、套筒与顶部支撑板K边缘间隙要求后，开始正式装配

支撑板A。首先进行楔块和防转键的加工、装配和点焊，然后使用通量棒穿过管板

和支撑板A进行检查，合格后焊妥楔块和防转键。后续支撑板的装配及检查方法

与支撑板A类似。

2.6 穿管及抗振条装配

支撑板装配完成后，继续在原平台上进行分区穿管、定位胀和抗振条安装。按照自

底部至顶部的方式，从第一箱U形管开始，穿一层U形管、定位胀一层U形管、

装一层抗振条[8]。

调整带支撑板的下部壳体组件，满足水平穿管位置要求，并在套筒大端附近安装垂

直度测量仪。每次穿管前须检查U形管外观、管端清洁度、导向头紧固程度、抗

振条平面度和清洁度。

穿管及抗振条安装步骤及技术要求如下。

(1)通过调整平台高度，使待穿 U 形管与支撑板上对应的梅花孔处于同一平面，由

下向上逐层穿管，每层从最小半径到最大半径逐根穿管。在已安装的两层U形管

间水平插入抗振条，完成每层 U 形管与抗振条安装后使用扎带固定，以防止抗振

条在后续穿管过程中发生移动。

(2)穿管须使用专用导向头，并确保导向头与U形管端部结合得足够紧。操作人员

在U 形管两侧均匀施力，保证U形管平行推进。

(3)每穿一层 U 形管后，用白布清理管端并调整U形管与管板一次侧齐平，确保管

端齐平度和U 形管R区间隙满足要求，并且每穿10排 U 形管后，测量管束下垂

量。

(4)穿管及抗振条安装完成后，进行保持环与抗振条端冒的焊接及焊后测量，合格

后焊接保持条与保持环，并清洁抗振条组件。

CAP1400蒸汽发生器采用自底部至顶部的穿管顺序，穿管过程中无需转动蒸汽发

生器，可有效避免蒸汽发生器转动导致临时固定的抗振条发生移动。

2.7 传热管与管板的连接

蒸汽发生器传热管是一回路压力边界中的薄弱环节，因传热管损伤而导致的运行事

故居首要地位[9]。通过对传热管进行定位胀、封口焊和液压胀接，使之与管板连

接，以确保一回路介质不会泄漏至二次侧[10]。

定位胀采用橡胶胀工艺，胀接开始时通过压力表确认胀接压力，需满足规程中的胀

接压力和保压时间要求。定位胀深度约为25 mm，能够确保与后续液压胀接有重

叠。

采用Polysoude/TS系列管板焊机进行封口焊，焊接工艺方法为不填丝自动氩弧

焊，焊接示意图见图10。通过采用单道焊接方式，不仅提高了焊接效率，也降低

了多道焊接造成重熔后焊缝根部裂纹的几率。封口焊采用75%He+25%Ar混合保

护气体。钨极焊丝直径φ1.6 mm，并添加稀土元素，有利于焊接过程的稳定性，

防止钨挥发而污染焊缝金属。

焊接前，首先在试块上校核焊接参数，然后用丙酮清洗焊口，并吹干后检查清洁度。

焊接过程中需严格按照工艺规范控制焊接参数、钨极位置、保护气体配比、清洁度

等，以保证焊缝质量。焊后清理焊缝外表面，并检查管孔是否有缩口，确保焊缝内

凸直径满足设计要求。

CAP1400蒸汽发生器所用U形管为首次国产化，需进行液压胀管工艺评定，以确

定合理的胀接参数，确保满足拉脱力、残余应力、未胀深度和密封性等要求[11-

12]。

液压胀管属于强度胀，胀管示意见图11，所用设备和材料主要包括液压胀芯轴、

液压胀机和A级去离子水。胀管前核实芯轴的密封性及芯轴设定长度，以保证胀

管深度的正确性。胀管前须检查传热管内壁清洁度，确保无油脂、铁屑异物等。胀

管过程中，液压压力设定为248～264 MPa，保压时间一般为6～12 s。胀管顺序

由下而上，每一排从中间向两侧逐根胀管。

液压胀管完成后，检查全部管子管板胀接深度、内径及胀管区内表面质量。采用涡

流检查测量平均未胀深度和最大未胀深度；使用内窥镜检查已胀管子内表面，确认

无裂纹和划痕。

2.8 水室封头焊接

水室封头制造过程中，各接管和人孔需进行多次焊接和机加工，通过使用多面体、

三角铁等工装来变换工位，可满足各个加工位置的需求[13]。

水室封头内壁不锈钢堆焊过程如图12所示。采用带极埋弧自动焊工艺，共堆焊3

层，第1层采用EQ309L，第2，3层采用EQ308L，局部区域补堆焊采用手工电

弧焊工艺，堆焊层厚度约6 mm。焊接顺序为：预热→水室封头底部纵向堆焊→

后热→预热→水室封头内壁环向堆焊→后热→进炉中间热处理。

水室封头出口、入口接管内壁和人孔内壁不锈钢堆焊采用横焊位置的TIG 堆焊工

艺，第1层采用ER309L，后续层采用ER308L，局部区域补堆焊采用手工电弧焊

堆焊工艺。

水室封头接管与安全端焊接接头为异种钢焊接接头，如图13所示，在接管母材上

预先堆焊镍基隔离层后，再与不锈钢安全端进行对接焊。镍基隔离层堆焊过程如图

14所示，采用钨极自动氩弧焊，堆焊厚度≤5 mm时预热150 ℃以上，完成去氢

处理后，可冷堆至设计厚度。

接管安全端焊接工艺采用全位置自动钨极氩弧焊，坡口形式为单面U形坡口。焊

接过程中严格控制焊材中P,S含量，焊接时设置安全端焊接清洁区域，严格控制清

洁度。焊接过程中，水室封头固定在重型变位机上，通过调整钨极的偏转角度，使

钨极的尖端靠近坡口的侧壁待焊处，保证了根部焊道区域的侧壁熔合，焊道边缘熔

合较好，表面成型质量满足要求。

通过CAP1400蒸汽发生器的制造，多项关键制造技术得到优化、改进，如大厚度

深孔钻技术、大直径内套筒装配技术、穿管和抗振条安装技术、大厚度环缝焊接技

术等，为后续压水堆蒸汽发生器的制造提供了宝贵经验。

国内部分制造厂已经基本掌握CAP1400蒸汽发生器制造所需的焊接技术、装配技

术和检测技术，并且部分关键技术已在制造过程中得到验证，获得了较好的产品质

量。鉴于CAP1400堆型拥有自主知识产权，此堆型将在国内外有大量的建造任务。

因此，有必要对现有关键制造技术作进一步的试验论证、优化摸索出更为先进的制

造工艺，使我国的核岛主设备制造能力达到世界先进水平。

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本文标签： 焊接进行蒸汽管板制造