日益严峻的环境问题,促进了核电的快速发展。单机大容量百万千瓦级核电机组是缓解我国能源供给压力的重要选择，以满足人们生活、生产对电量的需求。面对百万千瓦级核电机组自主化研制这一国家创新战略目标，亟需突破和解决核电装备制造中的关键技术瓶颈问题。焊接是装备制造中的共性关键技术,长寿命、高安全的服役要求,对核电装备的焊接制造质量提出了严苛要求。
面对国家和行业的迫切需求，上海交通大学、上海第一机床厂有限公司和上海电气电站设备有限公司等单位组成了“产学研用”联合研发团队，围绕焊缝质量、接头性能和构件制造三个层次开展创新研发，协同攻关，突破了国外技术封锁和壁垒，形成了具有自主知识产权的核电装备高品质焊接制造技术体系，实现了堆内构件、控制棒驱动机构和转子的自主可控制造，推进了核电制造技术的进步和革新。项目《核电装备制造中的高品质焊接关键技术及应用》获2019年上海市科技进步一等奖。
1 核电设备制造焊接总体要求
在核电设备制造中，主要的焊接工作量是几座大型压力容器的建造和堆内构件及管道焊接的组合,要求成品率必须是100%。它对焊接设备的可靠性和稳定性有很高的要求,其主要特点：被焊工件体积大、面积大、厚度大；工作量大，焊接难度大；质量要求高。
核电制造要求高安全性、高可靠性,执行的是国家核安全局颁布的通用法规、RCC-M第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ卷及美国ASME第Ⅲ卷制造标准。核电建设要求100%安全，采用自动焊接设备是保证焊接质量的最佳选择。
2 关键设备制造焊接要求及难点
核电设备中最关键的核反应堆压力容器、蒸汽发生器和稳压器等，就是典型的压力容器结构,堆内是以管板结构为主的各类封头和喷淋装置,其内壁均施以不锈钢金属的堆焊。
目前，对于主要生产的百万千瓦级核电设备，压力容器的直径为5~8m或更大，长度约为20m，分为4~5节焊接而成。以反应堆压力容器为例，压力容器外壳由壳体、上下封头、顶盖法兰、容器法兰、接管段筒体、锥芯筒体及过渡段筒体等主要部件组成。用5条环焊缝连接成整体,堆焊面积很大，安全壳容器体积更大。据不完全统计,仅常规岛管道的焊口就有70000多道,加之大体积、重型压力容器的焊接及内部堆焊等,焊接任务非常繁重。
目前,核电设备制造中主要采用的焊接工艺方法是窄间隙焊接、大直径厚壁管道焊接、带极埋弧/电渣堆焊、热丝TIG堆焊以及管板焊接等。使用的主要设备大部分为进口,其数量远远满足不了核电制造业高速发展的需要。现急需解决高水平的焊接自动化设备国产化,用来装备核电设备制造企业,给我国焊接行业带来机遇,同时又因其要求严苛，也带来挑战,需要攻克的难关很多：窄间隙焊接工艺及设备的研制;复杂曲面堆焊工艺及设备的研制;厚壁管全位置自动焊接工艺及设备的研制;焊缝跟踪技术的研究及新型特种钢焊接材料研制等，其目标就是要高质量、高标准、高效率地建造好我国的核电站。
3 项目创新与突破
（1）核电装备制造技术新突破，准确可靠更智能。立项之初，世界上仅美国、法国和日本掌握这类核电关键装备的焊接制造技术，且不属于技术转让范围，我国核电装备严重依赖进口。因此，我国自主研制百万千瓦级先进堆型核电，必须突破大型关键装备的高品质焊接制造技术。本项目所形成的高精度、自动化、高可靠的核电装备焊接制造技术，具有完全自主知识产权，采用空间约束等离子体激光焊接新技术，以结构精度为主线，建立堆内构件、控制棒驱动机构、核电低压焊接转子三大类15种核电关键装备的焊接工艺规范和技术体系。项目解决焊接制造过程不稳定问题，发明针对核电装备的焊接新方法，稳定焊接过程，实现焊缝的高质量控制；同时，面向大型核电装备抗疲劳、抗断裂的服役要求，以组织调控目标，发明了接头组织调控新技术，大幅提高焊接核电装备的服役寿命；发明高精度的焊缝跟踪技术，结合大型复杂构件焊接变形高精度预测控制技术，实现核电装备的高品质智能焊接制造。
（2）突破“卡脖子”难题，形成核电装备高品质焊接制造技术规范。项目成果突破国外技术封锁，形成核电装备高品质焊接制造技术规范，不仅应用于二代改进型压水堆核电站核岛主设备控制棒驱动机构和堆内构件的国产化焊接制造。利用该技术制造的控制棒驱动机构和堆内构件，不仅打破国外垄断完全取代进口，降低我国核电站的建造成本，而且随着我国核电走出国门。目前，国内在运行的先进堆型核电站中的堆内构件，全部由上海第一机床厂有限公司制造。同时，项目组攻克“华龙一号”特大型汽轮机低压转子的焊接制造难题，突破知识产权壁垒，解决“卡脖子”难题；研制出的核电焊接转子出口巴基斯坦。
（3）产学研用走向世界舞台。在研制过程中，上海交通大学负责核电关键装备焊接缺陷、组织调控、焊接变形、焊缝跟踪及性能评估等关键技术的攻关。联合上海第一机床厂共同开展堆内构件和控制棒驱动机构焊接技术的实施，建立堆内构件和控制棒驱动机构的焊接工艺规范和标准，形成成套技术方案，产品完全满足第三代核反应堆堆芯主设备的设计要求。联合上海电气电站设备有限公司，共同攻关焊接转子焊接工艺及可靠性评估，研究成果在百万千瓦级核电汽轮机等产品应用实施，部分用于“华龙一号”核电汽轮机巴基斯坦卡拉奇和广西防城港二期示范工程。项目团队形成的核心技术为我国研制具有自主知识产权的三代、四代核电站的控制棒驱动机构和堆内构件提供了技术支撑。因此，项目成果不仅有力推动我国核电装备制造和核电工业的自主发展，而且支持我国三代核电的自主研制和走向世界。
4 项目相关成果
项目面向国家和行业的迫切需求，聚焦大型化、长寿命、高可靠核电重大装备关键焊接技术，围绕焊缝成形、接头性能、构件制造等全方位创新研发，突破国外技术壁垒，形成了具有自主知识产权的核电大型装备的高品质焊接制造技术，主要实现的技术进步如下：
（1）焊缝缺陷形成机制与调控理论体系；
（2）焊接接头组织性能一体化控制创新技术；
（3）大型复杂构件焊接变形预测控制技术；
（4）关键核电装备焊接技术体系集成。
基于上述研究，实现了核电堆内构件、控制棒驱动机构和特大型低压汽轮机转子等重大关键装备的自主可控制造；打破了国外垄断，完全取代进口，大幅降低我国核电制造成本；突破技术壁垒，支撑了我国三代核电华龙一号的自主研制，响应了我国核电“走出去”的国家战略。
5 结语
写到这里，想必大家已经对核电装备制造中关键设备的焊接要求和难点以及我国科研人员所做出的贡献有所了解。我们期待着我国科研人员能够创造出更多的佳绩。期待下次科普时与大家再见!
