核辐射环境下的焊接 | 核电站结构

接上 ：核辐射环境下的焊接 | 核能概述

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核电站结构

核电厂的布局

核电站的系统组成

反应堆

带放射性的核回路系统

不带放射性的常规发电系统

?核岛?常规岛

压水堆核电站及其焊接位置

压水堆核电站的原理：

①利用低浓缩铀作核燃料，轻水作慢化剂和冷却剂；

② 核裂变产生的大量热被流经反应堆的高压冷却剂带出堆外；

③ 蒸汽输送给二回路系统的汽轮机及发电机发电；

④ 冷却后的蒸汽被重新打回反应堆，形成循环。

压水堆核电站及其焊接位置

回路结构及焊接部位

①压力壳

压力壳由低合金高强钢大锻件拼焊而成，内径在3～6m之间，长度为十余米，厚度几百毫米。

稳压器主体由多节筒身与上、下封头焊接而成，筒体制造时选用的材料与反应堆压力壳材料相同。筒体内表面堆焊不锈钢耐腐蚀层。

压水堆核电站

主管道：

主管道及弯头可采用焊接性好的低合金高强度结构钢制造，内壁堆焊奥氏体不锈钢，也可用整体奥氏体不锈钢制造。

泵与阀：

泵体上有冷却剂进口和出口，分别用焊接的方法连接在主冷却管道上。泵体及其部件在服役过程中还经受冲蚀磨损，因此经常采用堆焊的方法在泵体和它的配合件表面制造耐磨损及耐腐蚀的合金层。

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核电站设备的焊接检修

常见缺陷

缺陷的类型：1）裂纹类缺陷 2）腐蚀缺陷 3）冲刷缺陷 4）变形

主管道和蒸汽发生器严重的晶间型应力腐蚀可能导致管道破裂或泄漏。

检修焊接时存在的主要问题

辐射防护与安全:

非计划内停堆维修时，放射性仍很强。

维修时，检查维修人员及焊工在核射线辐射区工作。

焊接技术要求

对核电站辐射环境下的修理焊接技术应有以下要求：

1）焊接过程应尽量采用遥控操作和实时监控；

2）焊接设备的设计或选用，要尽可能有较好的通用性；

3）对焊接条件的要求尽可能宽松；

4）对焊接部位的清理要求要尽可能低；

5）尽量采用不用清渣或清渣容易的焊接方法；

6）采用较好的焊接质量的方法，减少焊后检验的复杂性；

7）焊头或焊炬要紧凑灵巧，有利于焊接可达性。

常用结构材料

压力容器较多采用的是精炼低碳低合金高强度结构钢；

压力容器内壁堆焊奥氏体不锈钢衬层；

核岛的蒸汽发生器中主要是：Monel 400、Inconel 600及Incoloy 800合金；

堆内部件及管道是采用奥氏体镍铬不锈钢制造的。

材料性能的变化

核岛内的设备及结构经过中子辐照、应变时效、热时效及高温介质腐蚀等综合作用后：

晶粒变得粗大，材料内部微观缺陷明显增多；

含有腐蚀缺陷、微裂纹、裂缝、表面氧化和污染等；

屈服强度和抗拉强度明显增加，塑性、韧性及断裂韧度降低。

焊接方法和技术特点

1）尽量不用手工焊接方法；

2）修理部位的可达性差，一般只能通过曲折迂回的路径达到修理部位；

3）修理部位可能非常靠近其它构件，焊接可达性受到限制

4）需要精确测定修理部位构件的位置和几何关系。；

5）气冷反应堆构件表面常覆盖有氧化物层，这些氧化物焊前并非总能清除掉;

6）辐射也影响设备的正常工作，特别是对放在反应堆中的光学设备;

7）除了作为遥控传感器外，在修理焊接时需要微型摄像系统直接观察熔池;

8）由于焊后遥控无损检测比较困难，只能在反应堆外做模拟修理并进行无损检测来替代。

钨极惰性气体保护焊GTAW

GTAW焊对焊接机头提出了较高要求，这些焊接机头的显著特点是：

1）具有较好的对中性能；

2）焊接机头始终垂直于待焊接管子的表面；

3）焊丝输送系统在焊接机头内；

4）可采用的焊丝直径范围大于相应的商用焊接机头；

5）焊接机头的整体尺寸很小；

6）能够用于法兰、套管及十字交叉焊缝等场合的焊接。

焊接机头主要有两种基本形式，一种是方便的固定夹持型机头，另一种是较为常见的轨道式移动机头。

管道内壁上小缺陷的挖补焊接等，也可以采用管道内部轨道焊接系统。

如下图所示是焊接一个与进水口连接的部件，不能从管道外部进行焊接，只能从内部进行焊接。

要求管内焊接系统具有一定的柔性，可以方便地从接口处进入管道内部，对三通类连接接头进行修理焊接。

坡口设计

GTAW焊小直径管子，可开I形坡口焊接，对不锈钢大直径管道，采用U形坡口

下图所示是从管道内部对焊缝缺陷进行焊接修理时的坡口设计。

熔化极惰性气体保护焊GMAW

用于核电站活性区维修焊接的GMAW焊接机头系统，带有轨道信号检测系统，或者空间位置定位及运动轨迹检测、反馈控制系统。

GMAW焊接工艺要求

① 易于实现机械化或自动化，可进行全位置焊；

② 适于多层焊接，熔敷效率高；

③ 对工件表面氧化物不敏感；

④采用脉冲技术，具有较小的飞溅。

应用举例

下图为核电站结构焊接实例，所采用的焊接方法主要包括MIG/MAG、TIG和埋弧焊（SAW）等焊接方法：

钨极惰性气体保护焊GTAW

?在焊接设备方面，日本的福岛核电站以及印度的Tarapur-3核电站均采用自动焊接设备实现了钛管和冷凝器管的焊接过程。?印度的Baldev Raj 道，在焊接方法方面，采用A-TIG方法，一方面可以增大熔深，另一方面焊缝的力学性能也有所提高

激光焊LBW

优点：

① 能量密度高，可减少辐射条件下维修焊接的时间；

② 可显著减少焊接变形；

③ 可方便地引至难以接近的焊接修理位置进行焊接。

激光焊时，在焊接参数选择合适的情况下，可将一定厚度的管壁一次焊透。

用激光焊在水下在基体金属上熔覆金属，以防止核燃料器在工作工程中产生应力腐蚀裂纹。当核燃料器壁出现裂纹时，可以用激光焊修复裂纹。

爆炸焊EXW

管/板接头堵塞焊接时常采用爆炸焊接技术。其特点为：

① 焊接质量稳定可靠；

② 实施过程方便快捷；

典型的爆炸焊接单元结构组成如图所示。焊接单元主要构成是：堵塞销柱本体、定位环、药柱保持套、炸药和雷管、引爆线等。

通过炸药爆炸产生强烈的冲击波，使金属表面产生塑性变形，并瞬时形成局部爆炸焊连接点，形成连续的爆炸焊焊缝。

表面堆焊及表面重熔

为改善某些部件的耐磨损及耐腐蚀能力，通常可在其表面堆焊硬质耐磨或耐腐蚀合金层。

下图是采用微型GTAW焊接机头进行不填丝焊接重熔的示意图。

激光涂层表面重熔技术

表面堆焊

韩国的Jae-Do Kim等人，用激光焊进行了核电站蚀刻管的修复试验

搅拌摩擦焊

瑞典学者L.Cederqvist用搅拌摩擦焊技术研究了存储核废料的铜容器。所用的核废料容器焊缝应具有较高性能，用该技术做成的核废料容器一方面可以实现自动化生产，另一方面能够满足使用要求。

手工焊

前提：

① 维修焊接工作量很小、施工时间很短。而自动化焊接安装调试很费时的时候；

② 自动化焊接设备突然发生故障而焊接维修又非常急迫的情况；

③ 某些重要结构的维修焊接打底需要高级焊工实施；

④ 机械化自动化设备无法接近待修理焊接的位置时。

焊接技术的发展趋势

上世纪七十年代初期，最早的遥控焊接系统就是面向核反应堆部件的维修开展起来的。

1982年的加拿大采用一个载有7台摄像机的机械臂进行宏观监控，焊接过程实现了自动化，完成了核电站的维修任务，用时8个月完成。

1998年，美国费米国家加速实验室成功研制了VRW遥控机器人焊接系统。

1998年，法国和能源Framatome项目开发了核环境下遥控焊接机器人系统

1999年，美国爱达荷国家工程与环境实验室，开发了机器人遥控焊接系统

西班牙核融合能源研究所为欧洲ITER项目开发了多种遥操作系统

当前，核辐射条件下的焊接技术仍在不断发展：

① 从焊接设备方面看，智能焊接机器人及柔性焊接系统将会发挥重要的作用；

② 在焊接工艺方面，一些新的高效率的焊接工艺，例如热丝GTAW焊及热丝GMAW焊技术等，也将可能在核电站的焊接维修中得到推广应用。

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