AP1000汽水分離再熱器異形管板制造技術(shù)研究

魏占超，于均剛，孟 巍

（哈電集團(tuán)（秦皇島）重型裝備有限公司，河北 秦皇島066206）

汽水分離再熱器是核電站常規(guī)島的關(guān)鍵設(shè)備之一，其作用為：實(shí)現(xiàn)高壓缸排氣的汽水分離及實(shí)現(xiàn)高壓缸抽氣、系統(tǒng)主蒸汽的對高壓缸排氣的兩次加熱，以提高核電站的經(jīng)濟(jì)性和改善汽輪機(jī)低壓部分工作條件[1]。每個核電站機(jī)組包含兩臺MSR，每臺MSR對稱布置4臺再熱器（包括2臺一級再熱器、2臺二級再熱器），其中一級再熱器管板是產(chǎn)品制造的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)特殊，管孔間距和孔徑公差、垂直度、光潔度、清潔控制均有較高要求，制造難度較大。

1 管板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求

如圖1所示，一級再熱器管板為長圓形異形管板，兩側(cè)圓弧部分外圓半徑R580 mm，中間直段部分長度1 000 mm。管板材質(zhì)為SA-266Gr.2，其化學(xué)成分如表1所示，母材厚度為245 mm，管板一側(cè)中心1 200×900 mm范圍內(nèi)堆焊鎳基合金AWS-ER-NiCr-3，化學(xué)成分如表2所示，管板母材及鎳基合金的機(jī)械性能如表3所示。堆焊層最終機(jī)加厚度為7 mm。管板鉆孔數(shù)量1 512個，管孔呈正三角形排列，管孔直徑Φ19.30 mm，管孔中心距為26 mm。

圖1 一級再熱器管板結(jié)構(gòu)簡圖

表1 管板SA-266 Gr.2化學(xué)成分表

表2 堆焊層化學(xué)成分表

表3 材料性能表

2 管板鎳基合金堆焊

為防止鎳基合金堆焊過程中，在起弧、收弧及焊道與母材銜接部位產(chǎn)生缺陷，在堆焊層與管板母材銜接過渡部位特設(shè)有整圈凹槽，如圖2所示，管板鎳基合金堆焊前，采用手工氬弧焊的方法完成凹槽堆焊，打磨與周邊母材平齊，在探傷合格后，方可進(jìn)行鎳基合金堆焊，在堆焊過程中，嚴(yán)格控制焊道起弧、收弧及焊道邊緣落在凹槽堆焊區(qū)域內(nèi)，從而有效地保證了鎳基合金堆焊層與管板母材過渡區(qū)域的堆焊品質(zhì)。

圖2 堆焊層及凹槽示意圖

綜合考慮帶極埋弧堆焊與帶極電渣堆焊的特點(diǎn)，采取帶極電渣堆焊工藝。管板堆焊之前，待堆焊表面進(jìn)行100%MT或PT檢查。詳細(xì)的電渣堆焊的焊接參數(shù)如表4所示。

表4 電渣堆焊焊接參數(shù)

由于管板僅單側(cè)進(jìn)行堆焊，同時管板堆焊層厚度公差控制嚴(yán)格，為此，管板堆焊時，焊接熱輸入引起的管板變形控制至關(guān)重要，為此，從如下三方面采取了防變形措施：

（1）為防止管板單側(cè)堆焊過程引起管板變形，在堆焊之前，利用8塊拉筋板將兩塊管板背靠背連接一起，如圖3所示，直至管板完成消應(yīng)力熱處理方后拆開。

圖3 管板堆焊過程中連接圖示意圖

（2）堆焊方向控制：再熱器異形管板堆焊層全部堆焊直條，相鄰堆焊層焊道方向垂直。每層堆焊時，沿堆焊區(qū)域中心線堆焊第一道，然后左右兩側(cè)對稱交替堆焊，每次每側(cè)堆焊一道。

（3）為保證堆焊層厚度要求，管板堆焊3層，堆焊過程中，兩塊管板交替堆焊，每完成一塊管板一層堆焊后，將管板翻身，堆焊另一塊管板相應(yīng)的堆焊層。

3 管板熱處理

為防止管板堆焊過程中應(yīng)力過大產(chǎn)生焊接缺陷，堆焊后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，但焊后熱處理會引起堆焊層鎳基合金耐腐蝕性能降低，為此，熱處理時采取如下措施：

（1）根據(jù)管板材質(zhì)、規(guī)格等，制定了合理的熱處理參數(shù)，曲線如圖4所示。

圖4 熱處理曲線

（2）工件擺放在爐膛內(nèi)合理位置，防止火焰直接噴燒工件，尤其是鎳基堆焊部位。

（3）合理布置熱電偶，在加熱和冷卻過程中，控制工件上任意兩只熱電偶的溫差不大于120°。

4 管板深孔加工

管板表面鎳基合金堆焊層加工難度大[3]，主要表現(xiàn)在：高溫強(qiáng)度高，塑性變形抗力大，加工過程中加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重；導(dǎo)熱性差，切削熱不易散發(fā)，造成切削刃處切削溫度很高，加劇刀具磨損；對刀具粘結(jié)傾向大，切削過程易產(chǎn)生積屑瘤，造成刀尖磨損，影響加工表面的粗糙度；同時，深孔加工孔徑公差、表面粗糙度、管孔中心與管板堆焊層表面垂直度要求嚴(yán)格。

為滿足上述管板表面鎳基合金堆焊層加工難度大、深孔加工精度高的要求，采用數(shù)控三軸深孔鉆床及BTA鉆頭進(jìn)行加工，加工過程中采取的工藝措施如下：

（1）BTA鉆頭的選型

為滿足管板深孔加工精度要求，選用直徑為Φ19.30 mm單通道式BTA鉆頭，并控制鉆頭的精度等級為H5級。同時，采用目前廣泛應(yīng)用的TiAIN涂層，在不降低刀具強(qiáng)度的條件下，提高了刀具的表面品質(zhì)、表面硬度、耐磨性和刀具的切削壽命。通過對國內(nèi)外多家鉆頭進(jìn)行鉆孔試驗對比，選擇最優(yōu)的鉆頭，既保證了產(chǎn)品的品質(zhì)，又降低了加工成本。

（2）切削參數(shù)的選擇

切削參數(shù)的選擇取決于管板的材質(zhì)、刀具的壽命、生產(chǎn)效率等因素，鉆孔時切削速度不宜過高，過高的切削速度會產(chǎn)生大量的切削熱，這些切削熱集中在切削刃處會加劇刀具的磨損。但切削速度低于最佳速度時，鉆孔表面粗糙度變差。進(jìn)給量過大，刀具磨損厲害，進(jìn)給量過小，不容易斷屑。管板鉆孔過程需經(jīng)過鎳基合金堆焊層與母材兩種不同材質(zhì)，故在鉆削過程中對于每種材質(zhì)采用不同的鉆削速度，具體參數(shù)見表5，以達(dá)到相同的加工效果。在鉆頭接觸堆焊層表面到鉆穿堆焊層選用了較低的轉(zhuǎn)數(shù)和進(jìn)給，這樣一方面有利于定心，同時減少鉆頭的磨損，而當(dāng)鉆削母材區(qū)域時采用較高的轉(zhuǎn)數(shù)和進(jìn)給量，保證了鉆孔品質(zhì)和效率。

表5 切削參數(shù)

（3）切削液的選用

在管板深孔加工過程中，容易粘刀，產(chǎn)生積屑瘤，導(dǎo)致材料加工硬化，切削力增加，刀具與切屑摩擦嚴(yán)重，大量切屑熱產(chǎn)生。同時BTA鉆頭為內(nèi)排屑結(jié)構(gòu)，要求及時地通過高速流動的具有較高壓力的切削液帶走切屑[4]。所以，深孔加工過程需選擇抗粘結(jié)性好、流動性能好、高溫潤滑性好的切削液。為此，利用多組切削效果對比試驗，選擇最優(yōu)的切削液，獲得較好地效果。

5 管板清潔控制

為滿足產(chǎn)品的清潔要求，有效保證產(chǎn)品管子-管板焊接、脹接品質(zhì)，管板最終機(jī)加之后需進(jìn)行嚴(yán)格的清潔處理，主要工序如下：

（1）對管板除管孔部位進(jìn)行噴砂處理，表面質(zhì)量檢查合格后，進(jìn)行防腐處理；

（2）利用含有緩蝕劑的核電去離子水進(jìn)行清洗，并及時烘干；

（3）使用蘸有丙酮的核電白色無紡布進(jìn)行擦拭，直至無紡布不變色；

（4）對管板孔內(nèi)表面進(jìn)行Smear擦拭試驗，試驗結(jié)果不得含有鉛（Pb）、汞（Hg）、錫（Sn）、銻（Sb）、鋅（Zn）、砷（As）等低熔點(diǎn)金屬。同時，鈉（Na）、鉀（K）、氯（Cl）、氟（F）的含量分別≤0.5 mg/m2，油分的含量≤10 mg/m2。

6 結(jié)束語

在一級再熱器管板制造過程中，尤其針對鎳基合金堆焊、深孔加工等關(guān)鍵工序，通過大量的工藝試驗，獲得合理的工藝和技術(shù)參數(shù)，從而制定有效地制造工藝方案，有效地保證了產(chǎn)品的品質(zhì)，產(chǎn)品順利通過監(jiān)造、業(yè)主的驗收。

[1]朱繼洲.壓水堆核電廠的運(yùn)行[M].北京：原子能出版社，2000.

[2]固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[K].北京：新華出版社，2009.

[3]劉逢博.基于鎳基高溫合金加工工藝的研究與應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23(5):143-145.

[4]魏 明.秦山300MW核電蒸汽發(fā)生器管板深孔加工及試驗研究[J].鍋爐技術(shù)，1996（11）:8-12，31.