核辐射环境下的焊接.

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1、1 特种环境下的连接方法- 核辐射环境下的焊接 陈国庆 手机：13936328198 Email：chenguoqing 先进焊接与连接国家重点实验室 2 n概述 n核电站结构特征 n核电站设备焊接检修 n焊接方法与技术 n典型的焊接实例 课程内容 3 核电发展概述 1.1.1能源利用的发展现状 n全球范围的能源获取方式仍是以煤、石油、天然气 等为主。 n新能源包括包括核能利用（主要是核能发电、核动 力、核能供热等）、水力发电、风力发电、潮汐发电 、太阳能发电等。 4 第一座核反应堆 The Chicago Pile-1 n世界上第一座原子核反应堆 “芝加哥”一号（CP-1）开始 运行。 “反

2、应堆之父” 费米 “芝加哥”一号 “人类首次完成自持链 式反应的实验并开始 了可控可控的核能释放。 ” 5 核能和平利用的历程 19511951年，美国利用一座生产钚的反应堆的余热试验发电年，美国利用一座生产钚的反应堆的余热试验发电 19541954年，苏联建成世界上第一座核电站年，苏联建成世界上第一座核电站 美国、英国和法国相继建成一批核电站美国、英国和法国相继建成一批核电站 上世纪上世纪7070年代中期，进入了发展核电站的高潮年代中期，进入了发展核电站的高潮 美国的核电站分布 6 核电发展概述 1.1.2 核能的种类 当今的核能利用主要是人工控制原子核裂变链式反 应。 7 核电发展概述 核

3、反应堆分为下列几种堆型 ： 核动力堆 研究反应堆 生产性反应堆 其它用途的反应堆 核反应堆、锅炉及机械装备 8 核电发展概述 从核能利用的方式看，目前主要是利用核能发电或提 供动力。 9 核电发展概述 世界上已有30多个国家发展或拥有核电站，现正商业 运营的核电站已达400多座。 核大国核电机组、装机容量及发电量比例 全世界目前有核电站全世界目前有核电站441441多座，占全世界电力供应的多座，占全世界电力供应的 17%17%， （截止（截止20052005年年1 1月）月） 电力电力 10 核电发展概述 到2014年中国有7座核电站19台机组运行： 秦山核电站 广东大亚湾核电站 田湾核电站

4、岭澳核电站一期工程 宁德核电站 房山实验型中子反应堆 红沿河核电站 再见的有25 我国秦山核电站于我国秦山核电站于19911991年并网发电。年并网发电。 11 核电发展概述 12 核电发展概述 核电站的设计寿命一般为3040年，国外核电站反应 堆的年龄分布情况如下： 目前运行的核电站反应堆的年龄分布（截至1996年） 13 1.2焊接技术在核电站中的应用 焊接技术 由焊接接头引起的缺陷和失效 问题已成为影响核电站运行安 全及运行效益提高的重要因素 。 核电站检修时可以采用机械 法和焊接法。 机械法的缺点： a）机械法维修将促使缝隙腐 蚀的发生； b）机械法不能作为永久性的 维修。 14 焊接

5、技术在核电站中的应用 核电站的焊接修复工作主要包括： a）定期检查时重要设备的焊接修理； b）更换零部件的焊接； c）紧急事故时的焊接抢修等。 15 核电厂的布局 2核电站结构 16 2.1 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 17 2.1 核电站的组成 典型的压水型反应堆核电站结构 核岛 常规岛 18 2.2 压水堆核电站及其焊接位置 压水堆核电站的原理： 利用低浓缩铀作核燃料，轻水作慢化剂和冷却剂； 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； 蒸汽输送给二回路系统的汽轮机及发电机发电； 冷却后的蒸汽被重新打回反应堆，形成循环。 19 2.

6、2 压水堆核电站及其焊接位置 回路结构及焊接部位 压力壳 典型的压水型反应堆核电站压力壳组成 压力壳由低合金高强钢大锻 件拼焊而成，内径在36m 之间，长度为十余米，厚度 几百毫米。 20 回路结构及焊接部位 核岛部分 核岛部分主要设备及焊接位置 2.2 压水堆核电站及其焊接位置 21 右图给出了单个循环回 路的系统及其焊缝位置。 核岛部分主要设备及焊缝位置 2.2 压水堆核电站及其焊接位置 22 2.2 压水堆核电站 蒸汽发生器的下筒体部分 筒身由若干个圆环筒节及一个 锥形过渡筒节拼焊而成。饱和 蒸汽发生器的上筒体部分也用 低合金高强度钢焊接制造。 蒸汽发生器示意图 23 稳压器主体由多节筒

7、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。 典型稳压器结构图 2.2 压水堆核电站及其焊接位置 24 2.2 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。 25 3核电站设备的焊接检修 核电站的检查项目及内容 26 常见缺陷 缺陷的类型： 1）裂纹类缺陷 2

8、）腐蚀缺陷 3）冲刷缺陷 4）变形 27 常见缺陷 压力壳产生裂纹的部位 压力壳进出水口管嘴上的裂纹部位 压力壳进出水口管嘴上产生的裂纹 压力壳内壁堆焊覆层上发现的裂纹缺陷 28 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。 蒸汽发生器集汽总管解剖后内部的腐蚀裂纹 常见缺陷 29 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。 30 检修焊接时存在的主要问题 最大许可停留时间与辐射剂量的关系 31 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

9、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。 32 常用结构材料 p压力容器较多采用的是精炼低碳低合金高强度结构钢； p压力容器内壁堆焊奥氏体不锈钢衬层； p核岛的蒸汽发生器中主要是：Monel 400、Inconel 600 及Incoloy 800合金； p堆内部件及管道是采用奥氏体镍铬不锈钢制造的。 33 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

10、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。 34 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。； 35 焊接方法和技术特点 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

11、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。 36 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。 37 钨极惰性气体保护焊GTAW 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

12、动 机头。 夹持型焊接机头（气冷式、水冷式） 38 钨极惰性气体保护焊GTAW 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。 德国开发的管道内焊接修理用焊接设备管道内焊接修理用专用焊接机头 从管道内部进行焊接修理的现场情况 39 钨极惰性气体保护焊GTAW 该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 。 从管道内部进行单面焊接 40 钨极惰性气体保护焊GTAW 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。 对三通连接接头进行焊接修理 41 坡口设计 GTAW焊小直径管子，

13、 可开I形坡口焊接，对不 锈钢大直径管道，采用 U形坡口 42 钨极惰性气体保护焊GTAW 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。 管道内部焊接修理时的焊缝坡口设计 43 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。 装备激光扫描测距系统的焊接机头 44 GMAW焊接工艺要求 易于实现机械化或自动化，可进行全位置焊； 适于多层焊接，熔敷效率高； 对工件表面氧化物不敏感； 采用脉冲技术，具有较小的飞溅。 45 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

14、MIG/MAG、TIG和埋弧焊（SAW）等焊接方法： 用窄间隙焊接方法得到的焊缝 用堆焊方法实现的焊缝方向的修复工作 46 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报道，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 管焊缝自动焊接设备 用A-TIG焊接方法得到的304不锈钢焊缝 47 激光焊LBW 优点： 用微型摄像机监测的激光焊接 可显著减少焊接变形； 可方便地引至难以接近 的焊接修理位置进行焊接 。 能量密度高，

15、可减少辐 射条件下维修焊接的时间 ； 48 激光焊LBW 管子及管板接头进行套管激光焊接 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。 49 激光焊LBW 焊接机器人操纵激光焊接的原理图 1 CO2激光器； 2 柔性激光束传导系统； 3 焊接机器人 可实现任意空间位置 下的焊接，特别适合 于核电站辐射条件下 的焊接修理工作，而 且焊接质量及焊接效 率很高。 具有激光束柔性传输系统的焊接机器人 50 激光焊LBW 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。 51 爆炸焊EXW 管/

16、板接头堵塞焊接时常采用爆炸焊接 技术。其特点为： 焊接质量稳定可靠； 实施过程方便快捷； 操作者可能受到的辐射剂量低。 52 爆炸焊EXW 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。 典型爆炸焊接单元结构组成 53 爆炸焊EXW 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。 爆炸堵塞焊接过程示意图 54 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。 对管座接头内壁进行表面重熔 右图是采用微型 GTAW焊接机头进行不 填丝焊接重熔的示意图 。 55 表面堆焊及表面重熔 激光涂层表面重熔技术 对压力壳底部进行激光涂层表面重熔示意图 管接头内壁的涂层准备及敷层形成过