CN1015948B - 轻水核反应堆堆芯压力容器及制法 - Google Patents

Abstract

该容器是由一具有很大厚度(例如在200-300mm间)的外壳组成，外壳是由旋转对称的单元部件(2a，2b，6，7，8，9，10，3a，3b)头尾相焊接连在一起的。这些部件是由含2-2.50%铬，0.9-1.1%钼，和少于0.15%碳的钢构成的，连接这些单元部件需的焊接是由一电子束在一单焊道里在部件的整个厚度上进行的，没有填充金属。本发明特别应用到一个压水核反应堆堆芯压力容器的制造。

Description

本发明涉及具有一个大厚度外壳的轻水梳反应堆堆芯压力容器的制造方法，例如大于100毫米。特别是，本发明涉及新型压水核反应堆堆芯容器的制造方法及其堆芯压力容器。

压水核反应堆堆芯容器由一全部圆柱形外壳组成，在它的两端部由盘形中凹状底封闭，这个包括堆芯的容器要受到强烈的中子辐射的照射，因此需要耐住主回路流体的温度和压力，这个流体包括320℃范围的温度及在150×10⁵帕数量级压力下的水。现在所使用的压水核反应堆堆芯压力容器的厚度一般在200到300毫米之间并且必须由圆柱形外壳和第一个盘形底构成，这些部件通过焊接被组装在一起。容器的第二个盘形底形成封闭顶端，在容器被起用时，它被用螺栓固定在一个凸缘上，这个凸缘被焊在组成容器的外壳中的一个上。

这个容器的装配是通过埋弧焊使用填充金属来进行的，这项操作要求对这些部件的端部进行适当的机械加工以便确定二个焊接面，然后用填充金属来填充焊接面。

然后必须对所产生的这个焊接点的内外进行再次机械加工并且必须进行热处理。

尽管在焊接操作中采取了预防措施，填充金属使容器金属的金属结构产生一定的不连续性，这可能是很难处理的，特别是当焊点位 于容器中对着堆芯的区域。

然而，在焊接操作过程中采取大量的预防措施并进行多次检验来获取一个高度安全的容器是可能的。

因此，一个核反应堆堆芯压力容器的装配是一项很长时间的操作，它需要使用复杂的手段及高质量人员。进行焊接面的填充需要很多焊道，沉积的金属必须被监控以便防止任何外来颗粒出现在焊接点上（包括熔渣，等）。

有一种已知的不用填充金属的焊接的装配方法，它允许在单个焊道里和相对大的厚度上产生一个焊接点。

尤其是，为了组装相当大厚度的部件已经采用了使用电子束的焊接方式。

然而，实验表明，目前用于制造轻水核反应堆堆芯压力容器的钢不允许使用电子束在单道里焊接厚度大于100毫米的部件，并且使之具有完好质量的焊接点。

因此，本发明的目的是提供一种制造具有较大厚度外壳的轻水核反应堆堆芯压力容器的方法，例如大于100毫米的厚度，回转对称，其形状至少包括两个整个旋转对称和大致呈环状的单元部件，然后在它们的整个厚度上通过焊接将它们组装起来制成压力容器，这个方法产生了具有极良好质量的焊接点并且制造出具有很好的抗辐射性的部件，并且所需时间比已有技术的所需时间短得多。

为此，这些壁厚度超过100毫米的单元部件，是由含铬2%到2.5%，含钼0.9至1.1%及少于0.15的碳的钢构成的，这些单元部件的组装是在元件的整个厚度上通过使用电子束在单焊道里焊接进行的，焊接中不使用填充金属。

为了更准确地理解本发明，现在参照附图借助于实例（本发明不局限于此）来描述应用于直径为4.50米的压水核反应堆的本发明的制造方法以及使用本发明方法生产的堆芯压力容器。

图1是一个压水核反应堆堆芯压力容器的轴向剖面图。

图2、3及4是分解图，表示形成压力容器的各种单元部件及它们的装配方式。

图5和图6是使用电子束焊接的设备在两个互相垂直方向上的正视图。

图7是在图5，图6中所示设备的平面图。

图1示出由参考标号1作为整体表示的一个压力容器，它由一个圆柱形的中间部分与盘状底部2和一半球形密封顶部3构成。密封顶部3由螺栓4紧固在容器1的主体上。

容器的圆柱部分是由两个芯壳6和7，一个管道携管壳8和一个凸缘9组成。管道10使得容器得以与主回路的管道相连接。底部2和密封顶部3分别由两部分2a，2b和3a，3b构成。

组成容器主体的件2a，2b，6，7，8，9和10在接合点11通过焊接而组装在一起。类似地，密封顶部的部分3和3b也通过焊接来组装。

在图1中示出了一个区域12，其中形成反应堆堆芯的燃料元件被安置在该压力容器1的内部。

可以看到，在两个芯壳6和7间的焊接点11，另一方面在上部芯壳7和携管壳8之间的焊接点11（它的相对于堆芯是水平的）是受辐射最强的部位。

图2示出了在被组装前形成这个核反应堆堆芯压力容器的各种单元部件。除了两个球状端盖2a和3a外，这些单元部件的大部分形成环状的凸缘或外壳。

这些部件是通过锻造含下列成分的钢制成的：C：0.22%，Mn：1.15到1.60%，Si：0.10到0.30%，Ni：0.50到0.80%，Cr：0.25%，Mo：0.43到0.57%。

对要组装的各个部件进行机加工，以便在它们的端部产生可以严密配合的边缘来。当这些部件被放置在装配位置时，这些边缘就确定了一个或两个焊接面，在它们中通过自动埋弧焊的连续焊道将填充金属沉积在该焊接面内。

然后对这些边缘和填充金属的一部分进行机械加工，焊接点通过那些自身由连续焊道组成的沉积连续层来抛光。为了制造一个焊接点要完成许多焊道。

正如在图3中可以看到的，在第一步，芯壳6和7要头尾相接组装成外壳13的形状。底部2被组装然后被焊接在已形成的装置上。第一个装置18形成了这个容器的下部装置（图4）。上部装置19包括内携管壳8，将管道10紧固在壳8上，并将凸缘9装在壳8上。然后将这两个组合中18和19相互焊在一起。所有这些焊接都是用自动埋弧焊完成的。

密封顶部3本身也是由部件3a和3b通过埋弧焊产生的。

形成容器的各个部件的厚度一般在200到300毫米间。在根据本发明的方法制造的容器的情况下，组成容器的锻造部件2a，2b，6，7，8，9，10，3a和3b主要由含2到2.50% 的铬，0.9到1.10%的钼，及含碳量不超过0.15%的钢构成的。这种钢最好含2.25%的铬和1%的钼。

更确切地说，为实施本发明的制造方法使用的钢具有如下规定的成分：C：0.11-0.15%，Mn：0.30-0.60%，Si：0.15-0.35%，Cr：2-2.50%，Mo：0.9-1.19，Ni：最大含量0.30，P：最大含量0.005，S：最大含量0.005，Cu：最大含量0.05，V：最大含量0.01，Al：最大含量0.02，Co：最大含量0.03，Sb：最大含量0.001，As：最大含量0.012。

对于这些钢所获的最低机械特性如下：

20℃时：机械强度550毫帕

弹性极限385毫帕

伸张度E%20%

330℃时：弹性极限310毫帕。

已经发现，按传统方式使用这些钢，来制造石油化学工业上的部件，能够用电子束焊接的最大厚度至少达到300毫米。用具有额定功率200kw的电子束焊枪在单焊道上产生的焊接显示出极好的金属特性。

根据本发明形成此容器的各种外壳和球盖的厚度为200-300mm。

为了制造这个容器的单元部件2a，2b，6，7，8，9，10和3a，3b用已有技术中的已知的铸造和锻造方法来锻造和成形。

这些单元部件的装配将根据已有技术的工艺技术来进行，以便通 过将预先组装的底部2焊在装置13上形成这个容器的下部装置18，并且通过将管道10焊在携管壳14上形成的上部装置19，而壳14是通过将凸缘9焊在壳8上形成的。

容器20（见图4）的最后装配是通下部装置18及上部装置19头尾相焊接而成的。

用电子束在一单焊道里在待焊接的部件的端部产生各个焊点，要如此放置各个端部使之互相吻合。

与以前的自动埋弧焊接工艺比较，在两个部件的接合点，所用的热能小得多，在并且产生该热能的材料的体积被减少了。

形成容器的部件的热变形和畸变相应减少。电子束焊接使得不用填充金属进行焊接成为可能，接合点的抗辐射能力与那些基体金属是一致的。

此外，电子束焊接在单焊道上进行这一事实导致了容器装配时间的大大缩短。

图5，6和7示出了一种装置，它使得组成核反应堆堆芯压力容器的单元部件的电子束焊接成为可能。

这种装置是由一个大尺寸的封闭室30组成可以通过一个抽气系统对这个室抽真空。这个系统能产生一个10⁵mm水银柱的硬真空。

在压水核反应堆堆芯压力容器（容器的半径在4.50m范围）的装配情况下，提供了一个平行六面体形的封闭室，它的内部尺寸如下：长8.50米，宽7.70米，高12.50米。这样一个封闭室的体积是800立方米。额定功率200kw的电子枪31被固定在一个托架32上，安装托架32使其可以沿着横梁33的长度方向 移动，横梁本自身可在两个立柱34上沿垂直方向移动，该两个立柱34在封密室30的基本上是整个的高度上延伸。

正如从图5和7中可以看到的，安装枪31使其能够在托架32上在90度范围内围绕水平轴转运动，并且也可以变换相对于封闭室的一个横向方向围绕一个垂直轴移动。

这个电子束焊接装置也包括一个托架36，在它上面安置了一个直径为5米量级的旋转平台。安装托架36使其能在封闭室30内部沿着封闭室30的长度方向移动，因此能在3.30米范围内运动。

在图5，6和7中示出的装置使得对一个核反应堆堆芯压力容器进行所有的焊接成为可能。

为了将所有外壳组装在一起或将外壳和球形盖装在一起，将要组装的部件紧固定在平台37上，电子枪31被放在所需高度上的水平位置以便产生焊接点。这上部件围绕着旋转平台37的垂直轴转动，然后通过一电子束在单焊道里产生焊接点，转动速度动是在10-40厘米/分钟，依所焊点的厚度来定。

在由含Cr：2.25%，含Mo：1%的钢组成部件上，在产生最大厚度为300毫米范围具有良好的金属特性的焊点是可能的。

用图5、6和7所示装置也可以用电子束焊接将管道10固定在携管壳8上。这个操作可以依据与本申请同一天的由FRAMATOME公司提出的专利申请中所描述的方法来完成。这一方法的特征是在每一个管道与截头圆锥体形的外壳之间有一个连接面。

制造部件所用的这种钢的主要优点是相对较低的辐射敏感性。在不受辐射状态下，这种铬-钼钢处于塑性稳定态的最初温度低于-20℃。在接近于核反应堆堆芯压力容器的堆芯操作条件下40年 辐射后这个温度升到0°到10℃左右。这些条件与一个核反应堆堆芯压力容器的最大寿命相对应。因此，根据本发明方法制造的铬-钼钢部件不会由于不稳定断裂扩大而致劈裂损坏，这种劈裂损坏仅在低于塑性稳定态时才可能发生。因此避免了引起压力容器之中漏的断裂扩大的任何危险。因此，能避免可能引起压力容器泄漏的任何断裂扩大的危险。

此外，由于所使用的钢的碳含量低，在容器的内壁一般需要有一个不锈涂层，对钢的碳含量的限制越低，这个优点相应地越明显。

本发明并不局限于已描述的具体实施。

本方法的唯一限制是相对于通过电子束在单焊道内能够被焊接的壁的厚度。

如果考虑了这一限制，本发明就可以被应用到一核反应堆堆芯的任何一个压力容器上。

Claims (6)

1、一和用于制造轻水核反应堆堆芯压力容器的方法，该容器包括一个具有很大厚度(如大于100毫米)旋转对称的外壳，该容器在成型中包括至少两个完全旋转对称的单元部件，然后通过在其整个厚度上用电子束焊接它们装配起来形成一个部件，其特征为：

(1)单元部件(2a，2b，6，7，8，9，10，3a，3b)是由含2-2.50%，的铬、0.9-1.1%的钼和少于0.15%的碳的钢构成的，

(2)焊接是在一单焊道里且在单元部件的整个厚度上进行，使单元部件在焊区内的钢熔化确保焊接质量。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于这种钢具有下列组分：

C：0.11-0.15%，Mn：0.30-0.60%，

Si：0.15-0.35%，Cr：2-2.5%，

Mo：0.9-1.1%，Ni：最大含量0.30%，

P：最大含量0.005%，S：最大含量0.005%，

Cu：最大含量0.055，V：最大含量0.01%，

Al：最大含量0.02%，Co：最大含量0.03%，

Sb：最大含量0.001%，As：最大含量0.012%。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于

单元部件（2b，6，7，8）的壁厚在200和300毫米之间。

4、根据权利要求1所述的方法，在该单元部件是压水核反应堆堆芯压力的情况下，其容器是由一半球型底部（2），一个芯外壳（13）及一个携管壳（8）组成的，其特征为，

通过电子束焊接将半球型底部（2）与芯壳（13）连结起来，

生成的装置或容器的下部装置（18）也是通过用电子束焊接与一个上部装置（19）相连，装置（19）由一凸缘（9）整体装配来支承容器顶部（3）的携管部（3）的携管壳（14）组成。

5、一种压水增压核反应堆堆芯容器，包括一用半球状盘形底部封闭的圆柱体，该容器由旋转对称壁厚大于100毫米用电子束焊接一起的单元部件组成，其特征为，

这些部件由基本上含2-2.50%的铬，0.9-1.1%的钼及少于0.15%的碳的钢构成，并在一单焊道里在其整个厚度上焊接装配起来。

6、根据权利要求5所述的压力容器，其特征为：

该容器是由一半球型底部（2），一圆柱形壳（13）和一携管壳（14）组成，它们被电子束头尾相连焊接起来以便形成容器主体，其特征还在于它包括一个半球状密封顶部（3）。

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