压水堆核电站在役机组更换控制棒驱动机构自动焊工艺研究

左智成，李 杰，孙士杰，陈英杰，张建平

（1.中广核核电运营有限公司，广东 深圳 518000；2.大亚湾核电运营管理有限公司，广东深圳 518000）

0 前言

由于反应堆压力容器在运行过程中始终处于高温、高压及高放射性环境中，压水堆核电机组控制棒驱动机构（CRDM）多次出现焊缝泄漏的故障[1-2]。目前，针对在役机组CRDM密封焊缝泄漏的维修主要有CRDM切割再更换及密封焊缝堆焊修复（Overlay）两种技术。其中，国内在役机组CRDM密封焊缝堆焊修复主要被美国WSI（Welding Service Inc.）/SI（Structural Integrity Associates）公司垄断，CRDM更换则主要被法国AREVA公司垄断，国内尚无一家公司具备在役机组CRDM更换的能力，开发一套完整的CRDM在役更换工艺具有十分重要的意义。本文介绍了一套新开发研制的压水堆核电站在役机组控制棒驱动机构更换涉及的下部密封焊缝自动焊接设备，结合设备试验过程，给出合适的操作参数，为后续控制棒驱动机构的在役更换提供借鉴指导。

1 控制棒驱动机构及自动焊空间状况

1.1 控制棒驱动机构

控制棒驱动机构是反应堆控制和保护系统的伺服机构。其功能是根据反应堆控制和保护系统的指令，驱动控制棒组件在堆芯内上、下运动，保持控制棒组件在指令高度或断电落棒，完成反应堆启动、调节功率、保持功率、安全停堆和事故停堆。它的耐压壳是反应堆一回路系统压力边界的组成部分[3]。

在CPR1000堆型的核电站中，每台机组的反应堆压力容器顶盖上方装有61根控制棒驱动机构。控制棒驱动机构由驱动杆部件、钩爪部件、耐压壳部件、线圈部件、棒位探测器等部件组成，其中，耐压壳属于承压边界，整个耐压壳由棒行程套管和密封壳两部分组成，耐压壳上有上、中、下共3道密封焊缝，从上至下分别连接端塞、棒行程套管、密封壳、管座4个零件，构成3处可拆密封结构，整个机构竖直安装在反应堆压力容器顶盖的管座上。反应堆压力容器堆顶最大化拆除后示意如图1所示。

图1 反应堆压力容器堆顶最大化拆除后示意Fig.1 Schematic view of maximum demolition of reactor pressure vessel top

1.2 更换控制棒驱动机构自动焊的空间状况

本研究的自动焊设备及工艺均以CPR1000堆型的反应堆压力容器顶盖为基础。CPR1000堆型核电厂每台机组相邻控制棒驱动机构中心轴线之间的距离为304.11mm，耐压壳之间的最小间隙为101mm，位于控制棒驱动机构耐压壳下部区域。反应堆压力容器顶盖结构复杂，在进行控制棒驱动机构耐压壳密封焊缝更换切割操作前，需对堆顶结构进行最大化拆除，仅保留反应堆压力容器顶盖本体（包含管座）、通风罩支承、控制棒驱动机构耐压壳部件（内含钩爪部件）、热电偶柱阴法兰等，如图2所示。

图2 控制棒驱动机构更换试验工装Fig.2 CRDM replacement test fixture

2 更换控制棒驱动机构的焊接设备

2.1 更换控制棒驱动机构的试验工装

为了使设备及工艺能与现场实际工况相匹配适应，试验工装部件及空间尺寸完全模拟CPR1000堆型的反应堆压力容器顶盖在役机组现场工况，相邻控制棒驱动机构模拟管束中心轴线之间的距离为304.11 mm，相邻控制棒驱动机构模拟管束耐压壳之间的最小间隙为101 mm。在役机组控制棒驱动机构更换工艺试验涉及的焊接设备开发、焊接工艺开发以及控制棒驱动机构下部密封焊缝的切割、坡口整形、再焊接、无损检测等一整套试验均依托该工装进行。试验时选取工装中间的模拟件管束作为试验对象。

2.2 更换控制棒驱动机构的焊接设备

因在役机组控制棒驱动机构的更换操作空间十分狭窄，加之其管座处接触剂量率约为10～50mSv/h，距离管座100mm位置环境剂量率约也可达1mSv/h，考虑到操作空间、工具的耐辐照性、人员辐照剂量限制等问题，在役机组控制棒驱动机构更换的全过程必须使用远程控制方法实施。

根据远程控制的需要，中广核核电运营公司研制了专用的远程自动焊接设备CRDM焊接机头及适配的PC600-3电源，如图3所示。

图3 自动焊接设备电源Fig.3 Power source of automatic welding equipment

该自动焊接设备主要功能和特性为：

（1）自动焊接设备的结构设计充分考虑了现场空间布置尺寸限制，具有较好的可调节性，各组件间一体化控制，能确保在设备吊装、固定以及操作过程中不对邻近部件产生不利损伤。

（2）设备的选型和设计能够有效降低放射性环境对设备的影响。

（3）自动焊接设备的电源及控制部分位于远程平台上，可保证操作员能在距离施工部位20 m外，通过控制台实现对焊接设备的远程定位，并遥控锁紧和松脱焊机机头。机头在锁紧状态时不会和耐压壳组件有相对运动，锁紧过程中不会对耐压壳壳体造成损伤。

（4）自动焊接设备机头具有钨极位置轴向和径向远程调整模块，实现钨极的精准定位以配合机头定位及焊接；同时机头具备AVC控制模块，在焊接过程中实时调整钨极与待焊坡口之间的距离。

（5）自动焊接设备机头配备视频监控系统，监控图像显示清晰、稳定，视频能存储为常用视频格式，并可复制输出，监控系统可以在辐照环境下连续、稳定工作。

（6）自动焊接设备配备实时数据采集系统，采样的精度和采样频率满足焊接工艺分析的需求，采样数据可实时显示在监控装置上，同时具备数据的阈值设置与报警、数据存储及打印等功能。

（7）自动焊接设备及工装在控制棒驱动机构更换实施过程中，具备异物收集功能，包括收集切割及坡口加工过程中的金属碎屑。

3 更换控制棒驱动机构焊接试验

3.1 控制棒驱动机构下部密封焊缝模拟件

控制棒驱动机构更换所涉及焊缝为耐压密封壳与管座连接下部密封焊缝。焊接试件尺寸、形状均与现场产品一致。为达到重复试验并节约试验成本的目的，控制棒驱动机构下部密封焊缝的上、下部件分别设计成可与耐压密封壳及管座自由拆装的两部分独立试件，密封焊缝的上、下部件与控制棒驱动机构耐压密封壳及管座采用螺栓连接，该设计未改变控制棒驱动机构的整体形状及结构。密封焊缝的上、下部件的制备采用机械加工方法进行，结构图及待焊部位尺寸如图4所示；密封焊缝的上、下部件的材质也与现场相对应部位的材质一致，均为法国牌号的Z2CN19-10（控氮），其化学成分如表1所示。

图4 控制棒驱动机构下部密封焊缝上、下部件（单位：mm）Fig.4 Upper and lower parts of CRDM seal weld(mm)

表1 控制棒驱动机构下部密封焊缝模拟件化学成分Table 1 Chemical composition of welding simulation for lower seal weld of CRDM %

下部密封焊缝上、下部件加工完成后需测量坡口唇边端面外径及唇边厚度，确保上部件坡口唇边端面外径Da1=163.57±0.05 mm、下部件坡口唇边端面外径 Da2=163.58±0.05 mm、唇边厚度 e=1.9±0.1 mm。测量唇边尺寸时应避免坡口加工后唇边毛刺对尺寸测量的影响。

3.2 Y型熔化填充环及点焊装配

控制棒驱动机构耐压密封壳与管座（密封焊缝的上、下部件）的焊接采用材质为308L不锈钢的Y型熔化填充环作为焊接填充材料。Y型熔化填充环化学成分如表2所示。焊接过程中焊缝正面及背面的保护气体为纯度99.999%的氩气。

表2 焊材及其熔敷金属化学成分Table 2 Chemical composition of welding materials and deposited metals %

Y型熔化填充环与密封耐压壳（密封焊缝上部件）的固定方式采用手工钨极氩弧焊进行点焊，点焊直径不大于2 mm，焊点间距20～30 mm。点焊前需要对密封焊缝上、下部件坡口及其邻近区域进行目视检查，确保坡口清理干净，无凹痕、刮伤、毛刺或沉积物等影响到装配或焊接操作的表面缺陷。另外还需对密封焊缝上、下部件坡口及其邻近区域进行液体渗透检查，不得有任何缺陷显示。

密封焊缝上部件与Y型熔化填充环点焊完成后，需要检查的项目及验收要求如下：（1）Y型熔化填充环两个端头相接处的间隙应小于0.6 mm；（2）Y型熔化填充环与密封耐压壳（密封焊缝上部件）坡口的间隙Gap1应小于0.04 mm；定位焊点应外观光洁，无氧化物或缺陷（收缩孔洞）；（3）Y型熔化填充环定位焊后应进行清洁性检查，坡口和Y型熔化填充环应完全清洁，无污染物（水、油脂、渗透剂、氧化物等）。若不满足上述要求，应去除Y型熔化填充环并更换新的。

Y型熔化填充环与密封焊缝上部件点焊后，将密封焊缝上部件与控制棒驱动机构耐压密封壳通过螺栓连接为一个整体，继而将控制棒驱动机构耐压密封壳通过螺纹结构旋紧至管座上进行焊接组对装配。装配前通过远程整形设备的处理可控制装配后Y型熔化填充环与管座坡口（密封焊缝下部件）上表面之间的间隙Gap2保持在0.08～0.10 mm之间，满足上游文件规定的0.04～0.25 mm[4]。

3.3 焊接试验及检测

在实施控制棒驱动机构下部密封焊缝焊接前再次检查确认密封焊缝的上、下部件坡口及其邻近区域是否干净，有无油脂等影响焊接质量的因素。

本试验焊接设备为专用的远程自动焊接设备CRDM焊接机头及适配的PC600-3电源，实施过程为远程控制，应对焊接过程进行在线视频监测。焊接开始时起弧位置在Y型熔化填充环中心线位置向上偏移0.3mm，焊接试验参数如表3所示。完成控制棒驱动机构下部密封焊缝焊接后，需按照RCC-M S7710要求对密封焊缝进行无损检测[5]。

目视检查确认焊缝宽度为6.5～9 mm，焊缝正面余高不大于1 mm，焊缝形状规整，无裂纹、凹坑、未熔合、咬边、表面气孔、夹杂等缺陷。焊接试验前、后相关参数检查记录如表4所示。

表3 制棒驱动机构下部密封焊缝焊接主要参数Table 3 Mainly welding parameters for lower seal weld of CRDM

对完工焊缝实施水压试验，试验压力22.8 MPa，维持压力0.5 h无压降。水压试验前后两次对完工焊缝及邻近母材区域进行液体渗透检测，无任何缺陷显示，如图5所示。

完成焊缝无损检测后对搭接区域取样进行宏观及微观金相试验，在10倍放大镜下观察宏观金相，未发现裂纹、未焊透、未熔合、凹陷以及气孔等缺陷，Y型熔化填充环完全熔化；在200倍放大率的显微镜下观察微观金相，未发现显微裂纹和影响接头性能的沉淀物。

表4 焊接试验前、后相关参数检查记录Table 4 Record of parameters before and after welding test

4 结论

采用自动TIG焊在役更换CPR1000堆型的机组控制棒驱动机构时，使用Y型熔化填充环作为填充材料，焊接操作前确保密封焊缝上、下部件和Y型熔化填充环的尺寸及材质满足设计要求，严格控制点焊装配间隙，选用合适的焊接工艺参数进行自动焊接操作，可获得满足现场需求的产品焊缝，进而实现CPR1000堆型在役机组故障控制棒驱动机构的远程更换工作，有效消除控制棒驱动机构故障引起的放射性物质泄漏和控制棒滑步失步等现象，大大提高运行机组的可靠性。

图5 焊接件焊后液体渗透检测Fig.5 Liquid penetration test after welding