一、项目概况

核电站主管道是核反应堆冷却剂系统的主动脉，连接着反应堆压力容器、蒸汽发生器、反应堆冷却剂泵，运行过程中主管道内承载高温、高压、高流速以及放射性物质的水介质，是核电站最重要的设备之一，为核安全1级设备。早期的核电机组建设阶段核电主管道现场安装采用手工钨极氩弧焊+手工电弧焊工艺，存在焊接效率低、优秀焊工逐渐短缺等问题。

国内后续批复的核电机组主要是三代核电商用机型，要求设计寿命由40年（二代改进型机组设计寿命）提升到60年，相应的主设备、主管道在尺寸和性能方面提出了更高的要求，使得主设备、主管道的生产制造难度进一步加大，导致核电安装中上游设备到货工期滞后风险加大，再加上优秀焊工人力短缺造成的工期压力等问题，有必要应用窄间隙自动焊技术来解决核电主管道安装焊接的进度、质量问题。

为打破核电主管道窄间隙自动焊设备国外垄断，降低施工成本，进一步改进和提升窄间隙自动焊接头质量和性能，苏州热工研究院有限公司联合中国电建集团核电工程有限公司，基于三代核电主管道现场安装空间和位置应用要求，开展核电主管道锻件及焊接材料的焊接性研究 ，自主开发窄间隙自动焊设备的设计优化，基于接头质量、应力与变形控制的不锈钢管道窄间隙坡口优化设计，焊接工艺参数优化（保护气类型及流量、全位置焊接参数、脉冲比、电极摇动参数），返修焊接工艺研究等，通过4个焊口（规格Φ952.5×82.5mm）焊接工艺评定验证，获得三代核电主管道窄间隙自动焊接工艺、窄间隙自动焊接头返修工艺，为提高主管道焊接质量、压缩核电安装时间、提升核电站运行的安全水平作出贡献，同时可为核电波动管、主蒸汽VVP管道、火电大厚壁管道自动焊提技术服务。

二、科技创新

采用基于现场安装环境和空间结构自主研发的大厚壁管道窄间隙自动焊设备，采用钨极摇动技术，可在侧壁焊接时实现电弧高能量区覆盖焊道与侧壁夹角位置，有效避免侧壁夹角位置因为能量不足、熔化不充分导致的侧壁熔合不良问题，具有先进性和良好的适用性。该设备具有钨极前后两侧双向送丝功能，可实现顺时针和逆时针双向圆周行走，避免了只能单向焊接而必须空走一圈返回的方式，焊接效率提高约50%。设备采用扁焊枪结构，深入坡口内壁，实现坡口内气体保护和纯氩气保护焊接，相对目前工程使用的坡口外气体保护和氩气+氦气的保护气体类型，大大减少了气体流量和气体单价，节约气体成本80%以上。

研发了焊接设备智能管理软件控制系统，可实现权限管控，全过程焊接电流、焊接电压、焊接速度、气体流量、钨极路径的记录以及全程焊接接头焊缝质量的跟踪监视、记录，实现了焊接过程的可追溯性和可视性，以及工艺参数调整权限管控。汲取核电主管道焊接工程实践经验，结合焊枪尺寸及行进特征、电极两侧摇动技术、管接头变形测量、坡口机加工试验，完成了主管道窄间隙自动焊坡口自主化设计与优化，避免了根部打底后的干燎工序，增强了打底的两侧熔池铺展，同时掌握了不锈钢主管道窄间隙自动焊焊接过程变形规律。

完成了核电主管道PF+PG和H-L045+J-L045焊接位置窄间隙自动焊工艺、PF+PG位置自动焊返修和SMAW返修焊接工艺开发，包含了组对间隙、保护气类型及流量、电流及脉冲峰值基值设计、行进速度、层道布置、厚度分层参数配置等关键工艺参数，实现了PF+PG和H-L045+J-L045全圆周位置单一参数施焊，避免了不同位置的参数调整，4个评定焊口无损检测一次合格率100%，有效避免了侧壁未熔合等缺陷，具有良好的工程适用性，整体实现了设备、坡口、工艺等的集成创新。

形成了《核电主管道窄间隙自动焊PG+PF位置焊接工艺评定报告》、《核电主管道窄间隙自动焊H-L045+J-L045位置焊接工艺评定报告》、《核电主管道窄间隙自动焊PG+PF位置自动焊返修焊接工艺评定报告》、《核电主管道窄间隙自动焊PG+PF位置SMAW返修焊接工艺评定报告》、《核电厂主管道窄间隙自动焊接工艺数据包》，可用于指导三代核电主管道安装工程焊接施工。

三、推广应用

本课题采用国产窄间隙自动焊设备，配合扁枪头和摇动式钨极装置，开发出与之相适应的窄间隙焊缝坡口，完成了核电主管道窄间隙自动焊工艺及典型位置的返修工艺开发。将该工艺应用于1：1实际尺寸和材料的核电主管道焊接工艺评定中，4个焊口无损检测及破坏性试验结果满足三代核电主管道接头性能要求，表明采用国产窄间隙自动焊设备研发的成套工艺是适用的。

国产窄间隙自动焊设备研发的主管道成套焊接工艺已经应用在以华龙一号为参考机组的某核电厂波动管窄间隙自动焊工艺评定研究，火电厂P22+P91大口径异种钢管道焊接工艺评定，以及某电力建设公司电站P92钢管道全位置窄间隙TIG自动焊工艺开发及其接头性能试验与工程应用研究项目，接头无损检测及理化性能均满足技术要求，取得了良好的应用效果。

该研究成果可应用在华龙1号核电主管道安装焊接中，或适应性验证后应用在CAP1400、AP1000等类型核电机组工程建造期间，，也可应用于在役核电厂主管道焊接维修以及重大设备（如蒸发器）更换的主管道自动焊项目，部分技术可应用于常规火电、石化项目中大厚壁管道或设备自动焊项目等，应用前景广阔。

四、应用效益

通过本项目的开展，先后与中广核工程有限公司、东方电气（广州）重型机器有限公司、中核检修公司等签订设备供货合同，或承接其自动焊与工艺定制研制合同，累计合同额2257万余元，并建立了后续持续供货的关系。

依托研究成果，先后承接某电建公司“电站P91/P92钢管全位置窄间隙TIG自动焊工艺开发及其接头性能试验与工程应用” 项目，合同额260760元；2018年承接中广核工程公司“核电工程自动焊技术课题自动焊设备研发及供应” 合同，合同额18013605元，设备采购15600700元，研发投入2412905元；2019年承接东方电气全位置GTAW智能焊接设备开发项目2690000元、中核检修全位置自动TIG焊设备采购1870344.88元。研发费按6%税率，设备按12%税率。

完成单位：苏州热工研究院有限公司、中国电建集团核电工程有限公司

完 成 人：赵建仓、李广晋、任立斌、张汝潺、郭新芳、朱 平、万夫伟、杨 佳、尚建路、王淦刚、徐忠峰、鲁 立、吕一仕、周海涛、赵振亮