AP1000核電機(jī)組高壓加熱器制造技術(shù)

王立昆，王新紅，劉銀河

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150046)

0 引言

要求高，專用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)多且要求嚴(yán)格(吸收和轉(zhuǎn)化40余項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn))，結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 高壓加熱器結(jié)構(gòu)示意

AP1000核電機(jī)組高壓加熱器是回?zé)嵯到y(tǒng)中重要的加熱設(shè)備［1］，對(duì)其進(jìn)行制造研發(fā)和國(guó)產(chǎn)化是我國(guó)核電常規(guī)島產(chǎn)品發(fā)展的必然。某公司生產(chǎn)的核電機(jī)組高壓加熱器，是引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，并按照ASME和我國(guó)《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造。

1 AP1000核電高壓加熱器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該核電常規(guī)島高壓加熱器其結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)與常規(guī)高加產(chǎn)品存在較大差異，制造難度大，精度

2 主要參數(shù)及零部件規(guī)格

該高壓加熱器主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，主要零部件材質(zhì)及規(guī)格見表2。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 材質(zhì)及規(guī)格

3 AP1000核電高壓加熱器制造工藝

主要制造技術(shù)難點(diǎn):

(1)水室封頭成型及組件機(jī)械加工;

(2)管板堆焊、水室內(nèi)件裝配及焊接;

(3)管板深孔BTA加工;

(4)管系裝配;

(5)管子－管板密封焊、氦檢漏;

(6)管子－管板機(jī)械脹接;

(7)外殼體組件制造;

(8)總裝及水壓;

(9)環(huán)縫局部熱處理;

(10)清潔度控制(擦拭試驗(yàn))。

下面重點(diǎn)介紹其中的幾個(gè)難點(diǎn)。

3.1 水室組件

核電高加水室組件主要由水室內(nèi)件，人孔座，水室封頭，進(jìn)、出水管等組成。

3.1.1 水室內(nèi)件

水室內(nèi)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜(見圖2)，裝配尺寸要求嚴(yán)格，操作空間狹窄，使內(nèi)部焊接及進(jìn)水側(cè)堆焊工作增加了難度;通過編制工藝方案確定合理的裝焊順序，最終保證生產(chǎn)順利進(jìn)行。

圖2 水室內(nèi)件結(jié)構(gòu)示意

3.1.2 人孔座

人孔座上布置12個(gè)M72 mm×6 mm螺紋孔，因先加工螺紋孔再與水室封頭組焊，焊接工作量大，不但影響螺紋孔位置精度，而且熱處理后產(chǎn)生氧化皮易影響螺紋質(zhì)量，所以采用數(shù)控鏜銑床預(yù)留二次余量進(jìn)行組件整體螺紋銑加工(如圖3所示)。

圖3 人孔螺孔組件加工現(xiàn)場(chǎng)

3.1.3 管接頭坡口加工

高加水室封頭及筒身上的接管水壓余量在水壓試驗(yàn)后需要去除，但接管坡口均為變角度坡口，公差要求嚴(yán)格，無法采用氣割修磨的方法加工。針對(duì)此種情況采購(gòu)了先進(jìn)可移動(dòng)的大直徑接管加工專用設(shè)備進(jìn)行坡口加工［2］(見圖4)，不僅可以完成各種角度坡口加工，而且能較好地保證接管坡口質(zhì)量。

圖4 坡口加工

3.2 管系組件

該核電高加最關(guān)鍵、技術(shù)含量最高的是管系制造部分，管系主要由管板、U形換熱管、隔板、支撐板、管箱等組成。其主要工序包括管板深孔加工、管系組立、穿管以及管子－管板焊接、脹接，氦檢漏、清潔等。

3.2.1 管板組件加工

核電高加管板孔區(qū)為偏心結(jié)構(gòu)，為防止管板不銹鋼層剝落，四周采用凹槽堆焊結(jié)構(gòu)(見圖5)，管板有效厚度361 mm(見表3)。

圖5 凹槽堆焊結(jié)構(gòu)示意

表3 管板孔參數(shù)

管板深孔加工采用三軸數(shù)控深孔鉆床，鉆孔前根據(jù)產(chǎn)品的材料特性，選擇合適材料及尺寸的BTA鉆頭，并用同材質(zhì)鍛件試樣嚴(yán)格模擬管板加工。首先通過工藝試驗(yàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，保證設(shè)備加工產(chǎn)品時(shí)處于最優(yōu)狀況;其次，通過工藝試驗(yàn)摸索最佳的鉆削參數(shù);最后，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定相應(yīng)的鉆孔工藝規(guī)程，指導(dǎo)車間實(shí)際生產(chǎn)，最終保證了管板深孔加工精度［3］。

3.2.2 穿管操作

核電高加管系主要由疏水段及凝結(jié)段兩部分組成，采用支撐板、防沖板焊接結(jié)構(gòu)形式，沒有常規(guī)高加拉桿、定距管結(jié)構(gòu);隔板中間用大型排氣箱取代常規(guī)高加隔板中間排氣管，而且全部采用焊接結(jié)構(gòu)，這就極易產(chǎn)生焊接變形，使隔板的間距、管孔的同軸度及管架的直線度很難保證。而且管板孔區(qū)的偏心結(jié)構(gòu)給管系的裝配帶來很大難度，再加上技術(shù)條件對(duì)U形管穿管力有嚴(yán)格控制(不得超過147 N)，這對(duì)管板、隔板管孔同心度的調(diào)試提出了極其嚴(yán)格的要求。通過技術(shù)攻關(guān)并提制多套管系組立工裝，最終保證了管系裝配精度［4］。

(1)隔板裝配。將隔板固定在新體制管架裝配工裝上(見圖6)，利用定距工裝調(diào)整隔板間距、隔板水平及垂直方向的尺寸，使用水平儀測(cè)量各個(gè)隔板在同一條水平面上，使用準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡調(diào)整所有隔板孔在同一條直線上，位置合格后將隔板固定。

圖6 管系組立工裝

(2)管架與管板組裝。調(diào)整管架與管板間距，穿直換熱管，查看穿管阻力及管子劃傷情況，并使用光學(xué)儀器對(duì)管板的垂直度、直線度、同軸度反復(fù)測(cè)量和調(diào)整，控制同心度公差在技術(shù)條件允許范圍。

(3)穿管。技術(shù)條件對(duì)穿管力提出嚴(yán)格要求(不得超過147 N)，穿管時(shí)使用測(cè)力計(jì)進(jìn)行測(cè)量(見圖7)，一般在換熱管開始進(jìn)入管板時(shí)，換熱管阻力最大，通過對(duì)管板、隔板管孔同心度的反復(fù)調(diào)試，最終將穿管力控制在80～120 N。

圖7 換熱管測(cè)力操作示意

3.2.3 換熱管脹接試驗(yàn)

核電高加采用了常規(guī)高加不曾采用的壁薄、回彈大的不銹鋼換熱管(SA688TP304L φ15.88 mm×1.3 mm)，且連續(xù)三段3×25 mm機(jī)械脹接(見圖8)，脹后的拉脫力不小于19640 N，為此按技術(shù)要求進(jìn)行了三輥機(jī)械脹接工藝技術(shù)研究，繪制扭矩與管壁減薄量的曲線、扭矩與拉脫力的曲線［5］，最終確定合適的脹接扭矩 8.5～9 N·m。通過制定脹接工藝規(guī)程用于指導(dǎo)生產(chǎn)，產(chǎn)品脹接時(shí)每班次開始和結(jié)束時(shí)要檢查脹管器和扭矩設(shè)定;每班次、每脹管機(jī)都需做一個(gè)產(chǎn)品試樣;并將新型脹管設(shè)備、脹接扭矩儀應(yīng)用于AP1000核電常規(guī)島高加產(chǎn)品制造中，最終滿足管子－管板脹接及拉脫力要求。

圖8 脹接結(jié)構(gòu)示意

3.2.4 管子 －管板焊縫氦檢漏

為保證核電高加制造質(zhì)量，滿足核電廠安全運(yùn)行需要［6］，管子－管板焊后需要對(duì)管端焊縫進(jìn)行檢測(cè)，使用氦檢漏代替原技術(shù)條件要求的“上水試驗(yàn)”，在高加殼側(cè)抽真空、充氦氣，然后對(duì)焊縫進(jìn)行氦檢漏檢查。

3.3 輔助資材及清潔度控制

核電常規(guī)島高加是二回路的主要設(shè)備，對(duì)清潔度有嚴(yán)格的規(guī)定和控制，為此編制了詳細(xì)的有關(guān)清潔和防污染等方面的工藝規(guī)程［7］，用以規(guī)定高加不同制造階段的清潔要求、清理方法、清潔工具及驗(yàn)收條件。下面主要介紹輔助資材及清潔度方面(擦拭試驗(yàn))的控制。

3.3.1 輔助資材控制

該項(xiàng)目針對(duì)不同的材料(低合金鋼、不銹鋼和鎳基合金)規(guī)定了各種用品［8］、工具的使用條件及要求，例如標(biāo)記用品(膠帶、記號(hào)筆)、深孔鉆切削油對(duì)化學(xué)成分有嚴(yán)格的限定，使用前對(duì)其進(jìn)行化學(xué)分析，合格后方可投入使用，因此制定了輔助資材管理規(guī)程對(duì)輔助資材進(jìn)行防污染控制，最終保證產(chǎn)品制造要求。

3.3.2 清潔度控制

該產(chǎn)品要求對(duì)管板、換熱管等部位進(jìn)行擦拭試驗(yàn)，該試驗(yàn)是一種驗(yàn)證清潔度的方法，對(duì)一些化學(xué)元素進(jìn)行了限定，例如Na，K，Cl，F(xiàn)等含量在不能超過0.5 mg/m2，主要有干法和濕法兩種清潔方式，采用濕法進(jìn)行清潔。首先使用溶劑對(duì)管板、隔板、殼體內(nèi)部、一定U形換熱管外面(包括直邊、U形部位)，水室內(nèi)(包括管板面)進(jìn)行噴涂作業(yè)(用液壓泵進(jìn)行噴涂)，自然干燥，然后用溶劑進(jìn)行手擦試驗(yàn)(用布除去殘留的溶劑)，再用A級(jí)水進(jìn)行手擦作業(yè)，最后進(jìn)行擦拭試驗(yàn)。通過制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，培訓(xùn)操作人員，控制環(huán)境，最終滿足了產(chǎn)品的擦拭要求。

3.4 水壓試驗(yàn)

水壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)高壓加熱器強(qiáng)度及密封性的一道重要工序。核電高加的水壓試驗(yàn)因換熱管為不銹鋼材料，有特殊的清潔要求，所以對(duì)水壓試驗(yàn)的要求更加嚴(yán)格。首先要求使用A級(jí)水，并在水中加入一定的配比輔助資材允許的防銹液，通過制定相應(yīng)的工藝規(guī)程對(duì)水質(zhì)、水壓試驗(yàn)速度及水溫進(jìn)行規(guī)定和控制，最終確保了水壓試驗(yàn)一次合格，水壓后使用干燥機(jī)對(duì)水室側(cè)及殼側(cè)進(jìn)行干燥處理。

4 結(jié)語

為積極探索和實(shí)踐該項(xiàng)目國(guó)產(chǎn)化研究，投入大量的人力物力，并經(jīng)過多項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，解決了許多制造難題，在吸收國(guó)外先進(jìn)的核電制造經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，成功地掌握了核電常規(guī)島高加的制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)第三代AP1000核電站常規(guī)島部分設(shè)備制造自主化的目標(biāo)。

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