上汽在1959年开始从事焊接转子的一系列设计与研究工作，当时根据国家科委科学技术发展远景规划和一机部的安排，对大型转子的焊接技术课题进行了先期试验研究，包括焊接工艺技术、焊接材料、焊接转子专用设备、转子锻件材料、焊接转子结构设计等研究领域，并在1964年成功焊接制造了6MW燃气轮机压气机转子。后来又先后完成了125 MW到300 MW以及1 000 MW全速火电汽轮机低压焊接转子的设计及制造。到目前为比，上汽共完成不同类型的焊接转子400余根，积累了丰富的焊接转子设计、制造与运行经验。

在近60年的进程中，随着汽轮机设计、材料技术的发展和焊接工艺技术的进步，上汽持续开展技术研发，并使之在火电汽轮机、压气机、燃机联合循环汽轮机上得到广泛应用。在核电汽轮机方而，上汽早在1974年就开始了相应的研发工作，当时在一机部的部署下，完成了650 MPa强度等级的大型半速核电汽轮机低压焊接转子锻件材料及焊接转子工艺技术开发。2009年开始了新一轮而向百万千瓦级核电低压焊接转子工艺技术的开发工作，上汽于2010年完成了设备的升级，己具备350 t核电低压焊接转子的生产制造能力，先后完成了强度等级更高的锻件材料的研制、工艺技术开发、不同尺寸环形模拟件试验验证、焊接接头性能测试及无损检验等工作 。

核电汽轮机焊接转子技术低压转子锻件材料

早期用于制造低压转子的锻件材料主要为17CrMo1V，锻件强度较低，韧性较差，淬透性欠佳。第三代核电技术低压蒸汽为饱和蒸汽，低压转子尺寸大、质量重，末级长叶片更长，要求在半转速((1500 r/min)下高速旋转，因此承受着巨大的离心力、扭转力矩，对锻件材料提出了更高的要求。随着锻造、冶炼技术的不断改进，严格控制锻件中的杂质元素P、Sn、As、Sb等，能提高锻件的强度，改善韧性，降低FATT值，同时使锻件具有更好的抗应力腐蚀性能。上汽采用的700 MPa强度等级NiCrMoV钢，材料的淬透性好，可淬透截而尺寸达到1 200 mm，可以满足大型核电低压焊接转子的尺寸要求。

核电汽轮机焊接转子技术焊接转子的坡口及工艺方法改进

焊接坡口设计是否合理直接影响到焊缝质量、焊接过程中收缩应力分布及焊接效率。由于焊接转子是由小锻件拼焊连接而成的，内部形成型腔，焊后无法进行反而清根，因此需要单而焊双而成形。为了保证根部焊缝熔透的同时尽量减少根部焊缝应力，早期使用的焊接坡口形式如图1所示，根部使用开口的管子作为焊接衬垫，根部焊缝采用手工电焊条焊接完成，填充部分采用埋弧焊方法，因此坡口设计较宽。采用手工焊接，对焊工焊接技能水平要求极高，人为影响因素大，过程质量稳定性差，焊缝质量不容易控制。

随着焊接工艺技术的进步，自动化窄间隙工艺越来越广泛地应用在石油化工、能源、船舶、海洋平台等领域的大厚壁结构上。核电低压转子质量重，尺寸大，窄间隙焊接技术应该是较好的工艺方法。上汽根据自己的核电低压转子产品结构，开展了窄间隙焊接工艺技术开发工作，经过多次反复试验，最终优化后的坡口形式如图2所示，该坡口宽度仅为25mm左右。自动窄间隙焊接是一种高效、优质的焊接方法，在当前的焊接生产中得到了越来越多的使用。

窄间隙焊接技术相比其他技术具有如下优点。

(l)缩短焊接时间；(2)减少焊接材料费用；(3)减少焊接变形；（4）焊接质量稳定性高。

上汽采用优化后的坡口形式，应用窄间隙焊接方法，与原坡口形式进行对比，熔敷量大大减少，可以实现大厚度接头的高效焊接，有效地提高生产效率，焊缝质量良好，工艺稳定。

核电汽轮机焊接转子技术焊接设备

为了满足核电低压焊接转子的需要，上汽在2010年进行了设备升级，能够满足最大载重350t转子焊接的要求。封底及加厚焊道采用窄间隙氢弧焊完成，使用四把焊枪协同作业；填充焊道采用窄间隙埋弧焊，大幅度提高了焊接效率。其设备的主要指标如下：

(l)焊接转子最大质量：350t；(2)焊接转子最大外径尺寸：500 mm；(3)焊接坡口最大深度：260 mm。

核电汽轮机焊接转子技术过程质量控制

核电低压焊接转子尺寸大、质量重，过程质量控制变得更为复杂、困难。上汽针对与核电低压转子尺寸一致的环形模拟件开展了工艺试验探索，并验证生产制造工艺，形成了核电低压焊接转子过程质量控制体系，其内容简介如下：

1)焊接坡口装配：

由于转子尺寸更大、质量增加，导致焊接装配变得更为困难，需要专用的工装来完成焊接轮盘的装配，为此设计了核电低压焊接转子专用起吊工装进行装配。转子坡口的加工精度及严格的装配工艺保证了转子装配同轴度的要求。

2)焊前预热及过程保温：

焊接转子锻件材料为NiCrMoV钢，由于其具有冷裂纹敏感性的特点，因此要求在一定的预热温度下焊接，防比冷裂纹的产生。上汽采用感应加热的方式对整个转子进行预热和保温，通过分区控温保证转子温度的整体均匀性。

3)焊接：

转子根部焊缝要求单而焊双而成形，因此第一道焊缝能否熔透，直接关系到焊缝的质量能否满足要求。氢弧焊封底焊时，焊接位置为横焊，通过精准的工艺控制实现根部焊缝100%熔透。

埋弧焊填充为全自动焊接过程，焊接位置为平焊，控制焊丝干伸长、焊接速度及层间温度，保证焊接质量。

全部焊接过程均进行过程质量记录，包括纸质与电子记录文档，保证焊接转子过程的可追溯。

4)焊后热处理：

核电低压焊接转子完工后，采用大型井式热处理炉进行焊后热处理。合理的热处理工艺保证转子焊缝区域残余应力处于较低的水平，同时具有良好的综合力学性能。通过监控转子不同位置的温度，保证焊后热处理过程满足要求。

5)焊后检验：

转子焊后热处理完成后，为了检验焊缝的质量，针对焊缝区域进行超声波及磁粉检验。制定了检验和验收标准来满足转子的设计要求。

核电汽轮机低压转子作为汽轮机的核心部件之一，其锻件钢锭、毛坯的质量和尺寸都很大，锻造难度大，性能热处理要求苛刻，因此在世界范围内的供货能力有限。由于转子最大外径达3100mm左右，末级叶片长度超过1700 mm，转子在机组运行时承受着巨大的离心力、扭转力矩以及启动和调峰过程中的载荷突变。极高的转子锻造难度以及复杂的运行工况对转子的各项性能提出了更高的要求。

目前，大型核电汽轮机低压转子主要有3种结构形式，即整锻转子曰、套装转子困和焊接转子。由于大型核电汽轮机低压转子的直径增大导致自重增加，因此通过焊接工艺将较小锻件连接而成的焊接转子成为核电汽轮机重点发展的转子结构。焊接转子具有空腔结构，相对质量轻，相比其他结构形式，具有选材灵活、残余应力小、启动和负载时拥有良好的工作特性等独特的优势。但这对焊接工艺、焊接和锻件材料等提出了很高的要求 。

我国核电汽轮机发展的目标是明确的，即具备自主化的核电汽轮机设计及生产制造的能力。因此，对焊接技术进行研发，并具备相关的自主知识产权，可以有效地解决大型锻件供货问题 。

随着社会的不断进步和工艺技术水平的不断提高，新的焊接方法、焊接材料不断涌现。焊接转子技术发展迅速，工艺方法不断改进，工艺稳定性逐渐提高 。

世界上最早发展焊接转子技术的公司是ALSTOM。1926年，在Dr. AdolfMeyer 的倡导下，人们开始研究转子焊接技术。1930年，ALSTOM完成了第一根14 MW焊接转子的生产，焊接转子在日本和比利时的机组中得到了最早的使用。后来，ALSTOM将焊接转子技术应用到汽轮机高、中、低压转子以及燃气轮机的压气机转子。随着核电的复苏、大锻件供应的紧缺以及汽轮机效率进一步的提高，ALSTOM在该技术上的投资和扩张进一步升级。

根据电站汽轮机发展的需要，各汽轮机制造商竞相发展焊接转子技术。德国西门子60年代初就设计制造了600 MW汽轮机低压焊接转子，并在Westalen电站 投运了1台175 MW焊接转子的汽轮机。该公司生产的燃气轮机联合循环汽轮机中低压焊接转子，材料为CrMoV NiCrMoV钢，采用窄间隙U型坡口，自动氢弧焊(TIC)工艺方法。意大利的FRANCO TOSI公司在上世纪90年代引进ABB的焊接技术，至今仍在生产焊接转子，产品主要包括同种钢及异种钢中低压、高中压焊接转子。日本的三菱重工为了适应汽轮机高温化、大容量化，在90年代初开始了焊接转子的技术研究，主要针对高温同种钢和异种钢焊接转子，转子最大外径仅为1 500 mm。但国外除ALSTOM公司外，其他汽轮机制造商还未见有核电汽轮机焊接转子应用业绩的报道。

国内上汽是研究和发展焊接转子技术最早也是最好的公司。除上汽外，东方汽轮机厂在2010年开始生产核电焊接转子，其他公司均未见该技术的应用报道。东方汽轮机厂与ALSTOM开展合作，引进核电焊接转子技术，首根核电低压焊接转子于2015年在宁德1号机上投运。

目前大型核电气轮机转子有三种结构形式，即整锻转子、套装转子和焊接转子，三种结构各有利弊 。

整锻转子优点是结构简单、整体性好，缺点是锻件尺寸大，对锻造技术和设备要求较高，工艺及质量检验比较复杂、材料损耗大。对于象1000 MW以上的半速汽轮机的低压转子这样的超大型整体锻件目前制造上难度较大。这种结构的百万千万级的核汽轮机目前国内也已开始订货制造，但转子锻件毛坯制造技术国内尚未有先例。

套装转子轮盘与轴采用键联接过盈配合，轮盘与轴分别单独制造，优点是锻件小，加工方便。缺点是叶轮孔处应力较大、转子的刚性差，在高温运行过程中，蠕变易使叶轮与主轴套装处产生松动现象;快速启动适应性差。

焊接转子优点是有空腔结构相对重量轻，刚度大，尤其适应核电汽轮机低压转子需要直径大、重量大的要求;分段锻造锻件尺寸小，加工方便。缺点是对焊接工艺要求高，要求材料有良好的焊接特性。

大型核电汽轮机转子毛坯制造技术，在汽轮机制造领域属于关键技术，目前我国仍处在起步阶段，国内某大型气轮机制造企业，正在进行技术改造和引进，百万千瓦级核电汽轮机低压焊接转子技术改造项目计划2013年形成年产5根的生产能力，百万级核电套装转子技术改造项目计划在2011年形成年产5根的生产能力。

焊接质量的保证和控制是核电建造质量保证体系中的重要一环，焊接技术的发展和新技术的应用将提高核电关键设备整体制造技术水平，进一步提高核电设备的焊接质量和焊接效率，也为设计技术条件完善优化提供坚实的基础。

随着科学技术的发展，第三代和第四代核电技术的开发应用，对核安全要求的不断提高，核电焊接工艺技术必将得到不断发展，但核电质量至上的原则不会改变，核电设备焊接工艺技术发展必须以质量至上的原则为前提，从而不断提高核电设备的可靠性。

经过20多年的发展，我国已基本掌握核电汽轮机设计、制造的关键技术，可以为核电的发展提供有力的支撑。核电汽轮机的发展取决于核岛技术的进步，因此，各制造厂有必要对未来国内外核岛技术的发展做出预判，从而实现提前布局。

在1000MW 等级及以上压水堆核电技术方面，未来的趋势是向着更高功率等级的方向发展，并逐步摈弃二代以及二代半技术，全面进入三代堆型建设期。当下中国百万等级核电三代堆型市场主要是以AP1000、ACP1000和华龙1号堆型为主，其中对于ACP1000和华龙1号堆型，我国拥有自主的知识产权，是核电走出去的主力堆型。这些堆型对应的核电汽轮机技术已经成熟，完全可以实现国产化。此外，我国自主研发的CAP1400堆型已经开建，所对应的汽轮机输出功率等级约1500MW；CAP1700核岛堆型的关键技术正在联合攻关，所对应的汽轮机输出功率等级约为1900MW。

针对这两个堆型所对应的核电汽轮机，各家制造厂正在积极进行技术准备，如开发大口径阀门、开发更长的末叶片以使得技术更具经济性，但总体来说不存在无法攻克的技术难题。

百万等级核电汽轮机未来发展的另一个方向是空冷核电汽轮机，如果国家“十三五”规划对内陆核电解禁，则空冷核电汽轮机的市场需求就不会遥远。上汽百万等级核电汽轮机结构本身就适用于空冷汽轮机，且在空冷长叶片的开发上具有雄厚的技术实力，因此核电汽轮机的开发没有技术瓶颈。

对于压水堆核电汽轮机，除了向更高功率等级发展外，另一个方向是小型模块化反应堆的发展，国内如中核的ACP100 堆型，中科华的ACPR100、低温堆、ACPR50S，国外如美国NUSCALE、MPOWER、SMR 堆型， 韩国SMART 堆型，俄罗斯KLT－40S堆型，阿根廷CARE－25堆型等。小型堆具有安全性高、集成度高、建设周期短等特点，项目集合供热、制冷、海水淡化、船用等其他功能，具有很好的市场前景。

重水堆中子经济性很高，可以使用贫铀燃料。由于核岛技术的壁垒，在我国只有秦山三期项目建设2台重水堆机组。但随着我国核电站数量的逐步增多，核废料的再利用变成一个必须解决的问题。重水堆可以利用稍加处理的轻水堆核废料作为燃料，进一步提高铀的利用效率。因此，不排除我国未来为轻水堆建设配套一定比例重水堆的可能性。对汽轮机而言，重水堆蒸汽发生器出口参数略低于常规压水堆，因此相较于同功率等级，配套重水堆的核电汽轮机通流面积要稍大，但对汽轮机设计难度不大。

在四代堆型方面，我国发展相对成熟的是高温气冷堆和快堆，相较于三代堆型，四代堆型安全性更高，经济性更好。上汽配套供应了我国首台200MW 等级的高温气冷堆示范电站项目的核电汽轮机，该项目预计2019年投入商业运行，其投运成功将极大地促进国内第四代堆型的快速发展。国内已有用户在积极推动600MW 等级的高温气冷堆和快堆项目，未来市场前景广阔。

这两种堆型的主蒸汽压力与常规超高压火电汽轮机相当，其中高温气冷堆的主蒸汽温度达到超超临界火电参数，考虑到核电站设计寿命一般为40年到60年，汽轮机高温部件的蠕变考核是需要特殊考虑的一个因素。汽轮机其他方面的设计与常规火电汽轮机相同。