龍會松

(國核示范電站有限責任公司， 山東榮成 264300)

三代核電AP1000蒸汽發(fā)生器是按照西屋技術文件進行制造的，主體結構由上封頭、上筒體E、上筒體D、錐體、下筒體C、下筒體B、下筒體A、管板、水室封頭9大鍛件組焊而成[1]。CAP1400蒸汽發(fā)生器是在引進、消化、吸收AP1000蒸汽發(fā)生器設計文件的基礎上研制而成的。與AP1000蒸汽發(fā)生器相比，CAP1400蒸汽發(fā)生器換熱管數(shù)量更多、重量更大、結構更緊湊、制造難度大。在國內(nèi)外暫無相關制造經(jīng)驗的情況下，制造廠通過自主研發(fā)創(chuàng)新，最終探索出裝配、焊接、熱處理、無損檢測等工藝方案，有效促進核電設備國產(chǎn)化，為后續(xù)批量化建設奠定良好基礎。

1 裝配

1.1 準備工作

蒸汽發(fā)生器管板-水室封頭環(huán)縫母材為SA508Gr.3Cl.2低合金鋼鍛件，焊縫填充材料為低合金鋼焊材，焊縫設計厚度為284 mm，內(nèi)徑為4 444 mm，在對接工作開展前，應完成以下準備工作：

(1) 組織機構。制造廠應成立環(huán)縫對接焊組織，做到管理上有人負責，技術上有人把關，質(zhì)量上有人監(jiān)督檢查。

(2) 工藝規(guī)程。制造廠應根據(jù)上游技術文件及廠內(nèi)工藝要求編制工藝評定報告、工藝規(guī)程，并報采購方或設計方批準認可。

(3) 焊工資質(zhì)。環(huán)縫裝配焊接人員應滿足民用核安全設備焊工焊接操作工資格管理規(guī)定要求，環(huán)縫裝配應盡可能選擇熟練焊工。

(4) 填充材料。環(huán)縫裝配焊接所需的焊條、焊絲、焊劑等驗收合格，滿足采購技術文件要求。

(5) 設備及工器具。所用的焊機、測量儀表等經(jīng)過檢查評定，均應在合格有效期內(nèi)。

(6) 環(huán)境狀況。環(huán)縫坡口無銹蝕、油污，坡口尺寸滿足圖紙要求，坡口表面無損檢測合格。裝配焊接車間清潔度、照明等滿足環(huán)縫裝配焊接要求。

1.2 裝配及檢查

管束組件固定，水室封頭采用吊車、手拉葫蘆、鋼絲繩等工具與管板進行裝配。當裝配尺寸檢查合格時，在環(huán)縫周圍整圈均勻裝配焊接拉筋進行固定，主要檢查內(nèi)容為：管板、水室封頭環(huán)向標志線應對齊；環(huán)縫內(nèi)外徑徑向錯邊不大于3 mm；環(huán)縫坡口圓周方向?qū)挾然疽恢拢畈淮笥? mm。

2 焊接

管板-水室封頭環(huán)縫坡口見圖1。焊接過程主要分為內(nèi)側手工電弧焊、外側清根、外側自動埋弧焊、內(nèi)側不銹鋼堆焊。

1—內(nèi)側焊縫； 2—外側焊縫； 3—蓋面。圖1 環(huán)縫坡口

2.1 內(nèi)側焊接

內(nèi)側焊接采用手工電弧焊，使用低合金鋼焊條，焊條直徑為4 mm，焊接電流為160 A，焊接電壓為26 V，預熱溫度為150 ℃。焊前坡口表面應清理干凈，無鐵屑、油污、水分等污染物。焊接過程中需要控制層間溫度，保證溫度≤250 ℃；另外，需要注意監(jiān)測焊后變形，定期測量環(huán)縫坡口寬度。

2.2 清根

內(nèi)側焊接完成后，應從外側進行清根?？刂魄甯穸?，應徹底清除工藝襯墊、根部焊道。清根過程中應避免損傷坡口兩側表面。根部清理干凈后采用磁粉探傷。

2.3 外側焊接

外側焊接為自動埋弧焊，使用低合金鋼焊絲，焊絲直徑為4 mm，焊接電流為600 A，焊接電壓為30 V,焊接速度為42 cm/min。焊接前檢查環(huán)縫外側坡口寬度滿足圖紙要求；坡口表面無鐵屑、油污、水分等污染物；保證焊前環(huán)縫溫度≥150 ℃。需要注意蓋面焊道焊接參數(shù)，其焊接電流為550 A；焊接完成后應在250～400 ℃進行后熱最少4 h[2]。

2.4 內(nèi)側堆焊

環(huán)縫內(nèi)側堆焊厚度最少為4 mm，首層焊材為309不銹鋼，其余焊材為308不銹鋼，直徑為4 mm，焊接電流為150 A，焊接電壓為26V，焊接速度為24 cm/min。內(nèi)側堆焊質(zhì)量控制要點與內(nèi)側環(huán)縫手工電弧焊基本一致。

3 熱處理及防變形控制

3.1 熱處理

根據(jù)ASME規(guī)范[3]和設備技術規(guī)格書要求，蒸汽發(fā)生器管板-水室封頭環(huán)縫在裝焊后應進行消應力熱處理。受現(xiàn)場條件影響，該環(huán)縫只能通過局部電加熱方式進行熱處理，基本要求見表1，其中350 ℃以下升溫速率不限[4]。

表1 熱處理要求

3.2 防變形控制

根據(jù)蒸汽發(fā)生器設計圖紙，傳熱管直徑為17.48 mm，支撐板三葉孔內(nèi)圓直徑為17.84 mm，厚度為28.57 mm(見圖2)。理論上傳熱管和支撐板相隔120°處各有0.18 mm的名義間隙，當傳熱管或支撐板發(fā)生相對1.136°變化時，傳熱管將與支撐板3個點接觸。當受力大于管子屈服強度極限時，將產(chǎn)生永久的塑性變形。對管內(nèi)進行渦流檢測，損傷位置會產(chǎn)生電壓信號，一般認為電壓信號超過0.5 V的管壁的永久塑性變形引起的局部損傷就可能會降低管子的壽命。

圖2 管子支撐板結構和尺寸

在熱處理期間，由于環(huán)縫管板一次側溫度高于二次側，導致管板朝著一次側表面方向發(fā)生變形，帶動拉桿將管子支撐板中心拉向管板，從而造成管束與支撐板接觸引起傳熱管產(chǎn)生永久塑性變形，所以在局部熱處理過程中需要增加風機控制減少一二次側溫差，主要方案如下：

(1) 設備增加。準備3臺風機(1號、2號、3號),其中3號風機具備加熱功能(稱為3號熱風機)，排出氣體溫度最高可達到180 ℃。各風機的流量可以調(diào)節(jié)，風機應帶有過濾器。

(2) 設備布置。風機總體布置見圖3。

圖3 風機布置圖

1號風機出口分為12根導管，分別接入下降通道的12個位置，使空氣通過下筒體與套筒構成的環(huán)形下降通道流至管板二次側；2號風機出口1根軟管接入工裝G口；3號熱風機通過4根導管與蒸汽發(fā)生器手孔相連接。

(3) 操作控制。由于存在一定的熱滯后效應，在支撐板轉角達到許用值(0.85°)之前，就需要采取控制措施。在加熱階段，可以通過增加3號熱風機的溫度或者是調(diào)節(jié)3號熱風機和1號風機的風量配比，提高二次側空氣溫度，以降低支撐板轉角。當支撐板轉角增加速率過快時，則需要停止加熱片升溫或者適當降低加熱片溫度。在冷卻階段，如果轉角測量值迅速接近許用值，可以按照以下優(yōu)先順序調(diào)節(jié)3號熱風機參數(shù)：在冷卻初期適當增加3號熱風機出口溫度；在冷卻中后期降低3號熱風機出口溫度和風量，切換3號熱風機和2號風機，增大2號風機的風量；停止加熱片降溫(保溫)；加熱片適當升溫?？傮w控制見表2。

表2 風機運行控制表

4 無損檢測

根據(jù)ASME規(guī)范和設備規(guī)格書要求，水室封頭與管束組件環(huán)縫在裝焊及熱處理后應進行無損檢測，主要內(nèi)容見表3(-代表不適用、√代表適用)。

表3 焊縫無損檢測

5 結語

通過制定詳細的技術方案、全方位落實生產(chǎn)制造資源，做好先決條件檢查和過程管控，制造廠順利完成了管板-水室封頭環(huán)縫裝配、焊接及局部熱處理，無損檢測全部合格，各項工序一次成功，為實現(xiàn)產(chǎn)品交付提供保障。全面技術性地總結各項工序的工作控制要點，為后續(xù)項目設備制造提供一定的參考借鑒，在實際工作中可以加以優(yōu)化和運用，切實保障產(chǎn)品制造質(zhì)量，落實核安全責任。