浙江三门一号机组成全球首个AP1000反应堆

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：2013年的国家电网数据显示，清洁能源装机容量首超1/4，我国能源结构进入了加速调整期。浙江三门一号机组是全球首个AP1000反应堆，电功率1250MW，设计寿命60年，主要安全系统采用非能动设计，布置在安全壳内。在机组安装工程中，以田湾核电站主岛为例，每个核岛涉及主管道36个焊接接头，辅助管道15万米以上。蜗壳进水口直径12.4m，壁厚24～120mm。

燃煤电厂在全球经济发展中起着至关重要的作用，目前燃煤电厂的发电量，在全球占40%，在国内占近70%。我国的火电装机容量已突破9亿kW。发电机组正在向大容量、高参数、高效环保的方向发展，燃煤电厂将主要采用超超临界机组。超超临界机组的发电效率可达48%，发电效率比亚临界机组高10%，比超临界机组高6%～8%。锅炉热效率的提高，还能降低SO₂、NO_x和CO₂的排放。

电站锅炉的关键部件由水冷壁、过热器、再热器、联箱及主蒸汽管道构成，除了要求常温力学性能外，特别关注材料的高温蠕变强度及持久强度。由于燃煤及高温蒸汽的作用，钢材还要有良好的抗蒸汽氧化和烟气腐蚀等性能。建设超超临界机组的主要困难是材料。近20年来，抗蠕变性能优良的铬的质量分数为9%～12%的铁素体钢的开发是锅炉材料方面取得的重要进展。新型铁素体钢不仅有优良的蠕变强度，还有良好的成形加工和焊接性能。随着锅炉蒸汽温度的进一步提高，材料的抗蒸汽氧化性能和抗烟气腐蚀性能要求愈显突出，进而促进了新型奥氏体钢和镍基合金的开发与应用。

目前主流的焊接工艺是GTAW打底、SMAW过渡、SAW填充焊缝。热丝GTAW虽然能够获得优质的焊接接头，但生产率仍然较低。一台600MW的锅炉有约6万个焊接接头，应积极推进窄间隙气体保护焊，包括窄间隙热丝（GTAW-NG），特别是熔化极气体保护波控焊接、高效双丝焊接，以及激光/熔化极气体保护焊等先进焊接技术的应用，以提高焊接生产率。

由于T/P92钢、T/P122钢及E911钢等新型铁素体钢严格控制了碳含量，降低了马氏体转变温度，焊接冷裂纹的敏感性明显低于合金含量低的P22钢。奥氏体钢不但容易产生焊缝结晶裂纹，也容易在近缝区产生液化裂纹。研究表明，Super304H钢和TP347HFG钢的热裂纹敏感性低于常规的TP347H钢，而HR3C钢的热裂纹敏感性较高。对镍基合金Inconel 740和Haynes 230厚板进行埋弧焊时，热裂纹严重，在采用氦/氩混合气体保护热丝钨极氩弧焊时，采用匹配焊丝，焊缝的抗裂性能显著提高。长期服役的P91钢厚壁部件对IV形裂纹很敏感，并成为焊接接头的薄弱环节。IV形裂纹不仅发生在细晶区及靠近母材的亚临界热影响区，也出现在厚壁多层焊的焊缝金属中，IV形裂纹的形成机制与焊接接头局部软化有关。

2013年的国家电网数据显示，清洁能源装机容量首超1/4，我国能源结构进入了加速调整期。2015年“十二五”末，煤炭在一次能源消费中的比重将从2009年的70%下降到约63%，天然气从目前的3.9%提升到8.3%，水电与核能从7.5%提升到9%，其他非化石能源（主要是风能、太阳能和生物质能）的电力消费比重将从目前的0.8%上升到2.6%。

目前，全世界核电运行机组共有437台，总装机容量达371762MW，在建机组64座。核电凭借清洁环保、安全经济、稳定性好等优势得到各国广泛认可。随着我国核电设备国产化率的不断提升，未来20年将是我国核电建设高速增长的黄金期。据统计，我国目前已建成浙江秦山、广东大亚湾和江苏田湾三个核电基地，17台机组在运行，总装机容量1475万kW，预计到2020年核电装机总容量将达到8000万kW。核电厂由核岛（核反应堆及蒸汽供应系统）、常规岛（汽轮/发电机组）和电厂配套设施构成。西屋公司开发的AP1000非能动型压水堆，属第三代反应堆。浙江三门一号机组是全球首个AP1000反应堆，电功率1250MW，设计寿命60年，主要安全系统采用非能动设计，布置在安全壳内。安全壳为双层结构，外层为预应力混凝土，内层为板焊结构，安全壳直径约40m，高约66m。AP1000简化了安全系统设计，减少了部件数量，相应减少了所需的试验、检查和维护，可在无需操作人员及交流电支持的情况下维持堆芯冷却和安全壳的完整性，以防止严重事故的发生。

AP1000的一回路系统由两个各带一个热段和两个冷段的热传输回路、一台蒸气发生器和与之相连的两台反应堆冷却剂泵组成，如图1-6所示。反应堆冷却剂系统压力边界是阻止反应堆放射性泄漏的屏障。反应堆压力容器总高10.075m，上下封头为半球形，筒体法兰外径3.99m，壁厚175mm，材料为ASME SA508，内表面为不锈钢堆焊层，设计承压17.1MPa，343℃。主冷却剂管道材料为316L超低碳不锈钢锻件，热段外径953mm，壁厚83mm，冷段直径686mm，壁厚65mm，现场环缝采用窄间隙GTAW全位置自动焊接，一个坡口需要7～10个工作日。

焊接是核电站制造、安装及服役维护中的关键技术，焊接条件复杂、工作量大、质量要求高。在机组安装工程中，以田湾核电站主岛为例，每个核岛涉及主管道36个焊接接头，辅助管道15万米以上。AP1000的接管安全端异种材料焊接接头，是核反应堆一回路压力边界，是重点监控的安全部位，接管采用镍基合金Inconel 82堆焊过渡层，与安全端316L不锈钢管道连接的焊接材料为Inconel 182，如图1-7所示。

图1-6 AP1000压水堆主要组件

图1-7 接管安全端异种材料焊接接头

水电是一种经济、清洁的可再生能源。著名的长江三峡水电站，总装机容量1820万kW，共26台轴流式水轮机，单机装机容量70万kW。每台机组的特大型引水管由600MPa高强度钢制成，直径12.8m、壁厚26～60mm，共72个管节拼焊连接，单节重量为20～50t。蜗壳进水口直径12.4m，壁厚24～120mm。图1-8a为水轮机蜗壳，一端与进水管连接，蜗壳中间是环座固定导叶。水轮机的环座位于水轮机底部蜗壳内侧，上部安装水轮机转轮，为平板式组焊结构，环座总重382t，分为6瓣现场组焊，单瓣最重约70t，组装后最大外径约14.5m，高4.265m。转轮直径10.43m，高5.08m，质量450t，由上冠、下环、15块叶片、上下止漏环和泄水锥焊接而成，是目前世界上最大的水电铸钢焊接件，如图1-8b所示。转轮材料为410NiMo马氏体不锈铸钢（13%Cr、4%Ni、0.5%Mo），焊接用于转子部件的组装和铸造缺陷的修补。主要焊接方法是焊条电弧焊及双丝埋弧焊，焊丝为实心及金属粉芯两种，每个转子的组装需焊接材料7～10t。焊接接头的性能要求是：0℃最低吸收能量为50J（热处理状态）及20J（焊态），热处理后接头最低屈服强度550MPa，抗拉强度760MPa。另外，金属结构的焊接工作量大，仅各种闸门就有282扇，闸门长度为40～60m，且要求焊接变形不得超过5～10mm。

图1-8 三峡水轮机蜗壳与转轮

a）蜗壳 b）转轮

为了满足东部经济发达地区的能源需求，改善东部地区的环境压力，开发西部，中央政府及时提出了西气东输的发展战略，将我国西部及中亚地区丰富的天然气输往东部。现已完成西气东输一线和二线工程，正在建设三线，未来还要建设四线、五线工程，形成横贯祖国大江南北的能源大动脉。一线工程干线采用X70管线钢，图1-9为中卫黄河跨越工程，管道为ϕ1016mm×26.2mm，全长540m，直缝埋弧焊管，输气压力10MPa。二线及三线工程采用X80高钢级管线钢。管径1219mm，壁厚15.3～33mm。三线工程的管线设计系数从二线工程的0.72提升到0.80，高韧性X80钢管材的最小冲击吸收能量要求由240J提高到280J，壁厚减薄到16.5mm，节能节材，降低了工程投资，高压长输管线具有抗强震和断层活动的止裂能力。

图1-9 西气东输一线中卫黄河跨越工程

X80螺旋焊管在制管企业广泛采用双丝埋弧焊焊接，直缝焊管多采用多丝纵向串列埋弧焊焊接，内焊最多可采用4丝，外焊5丝，焊接速度可达2m/min，生产效率高。ϕ1219mm×22mm直缝埋弧焊管，钝边7mm，坡口角度37°，X形坡口，预焊焊丝为ϕ3mm的CHW60C、内外焊采用ϕ4mm的MK680焊丝与SJ101G焊剂匹配。ϕ1219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管，钝边7mm，上坡口角度35°，下坡口角度40°，X形坡口，内外焊采用H08C焊丝与SJ101G焊剂匹配。管线现场施工时，采用焊条电弧焊或STT半自动焊进行根焊，采用焊条电弧焊填充和盖面。在大直径厚壁管道施工中，自动焊的优势是非常明显的，也是当今世界大直径管线焊接施工的主流，需要内对口机、管端坡口整型机等配套机具。

浙江三门一号机组成全球首个AP1000反应堆

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