海陽AP1000核電站主管道加工技術

（國核工程有限公司，上海 200233）

海陽AP1000核電站主管道加工技術

宋 平

（國核工程有限公司，上海 200233）

AP1000反應堆冷卻劑系統(tǒng)主管道作為唯一沒有引進國外技術的AP1000核Ⅰ級設備，由國產(chǎn)化整體鍛造和彎制而成。由于制造難度大且無經(jīng)驗可借鑒，海陽項目主管道制造成型差，尤其是冷段壁厚與內(nèi)徑偏差較多，坡口加工的難度更大。研究主管道安裝中的坡口加工，通過激光跟蹤測量及3D建模技術的應用，采用偏心加工、斜面加工等方法，管控加工過程的質(zhì)量風險，加工結果超出設計變更預期，為后續(xù)項目的主管道坡口加工提供了參考。

主管道；激光測量建模；坡口加工；質(zhì)量控制；AP1000

0 前言

AP1000核電機組是我國從美國西屋公司引進的第三代核電技術，在浙江三門和山東海陽各建兩臺，作為我國實現(xiàn)第三代核電自主化的依托項目。反應堆冷卻劑系統(tǒng)主管道（以下簡稱主管道）作為AP1000核電站的核安全Ⅰ級設備[1]，是整體鍛造、加工、彎管的不銹鋼管，材質(zhì)為SA-376 TP-316L，主管道將反應堆壓力容器（RPV）、蒸汽發(fā)生器（SG）和反應堆冷卻機泵（RCP）連成一個閉環(huán)回路。

主管道由兩個環(huán)路組成，每個環(huán)路包括1根熱段和2根冷段，共計6根管段、12個管端，因此在施工現(xiàn)場需要加工12道坡口。主管道坡口加工分為兩個時間節(jié)點，分別是RPV側坡口加工和主管道引入核島后與SG側連接的管端坡口加工。具體加工流程如圖1所示。

1 坡口加工設計要求

核電運行過程中，主管道內(nèi)承受高溫、高壓、高流速及含有放射性物質(zhì)的水質(zhì)，在這種工況下，主管道失效的主要形式是應力腐蝕破裂，因此為確保焊接質(zhì)量，須嚴格按設計要求執(zhí)行主管道的坡口加工和偏差控制。AP1000主管道主要性能參數(shù)、內(nèi)鏜加工重要設計參數(shù)和外坡口加工重要設計參數(shù)分別如表1～表 3 所示[2]。

圖1 AP1000主管道坡口加工流程

表1 AP1000主管道主要性能參數(shù)

表2 AP1000主管道內(nèi)鏜加工重要設計參數(shù)

表3 AP1000主管道坡口加工重要設計參數(shù)

2 全尺寸模擬試驗

AP1000核電站與以往壓水堆核電站主管道設計不同，減少了過渡段，不能通過過渡段來調(diào)整主管道焊接變形產(chǎn)生的安裝偏差，且AP1000主管道安裝工藝無經(jīng)驗可循，為確?，F(xiàn)場施工順利進行，在AP1000主管道正式加工和安裝前進行了全尺寸模擬試驗，為主管道的正式加工奠定基礎。

全尺寸模擬試驗的意義：驗證激光和3D建模的準確性；掌握試驗坡口機性能和參數(shù)；模擬主設備管嘴與主管道多管段的準確組對；探索焊接工藝參數(shù)和焊接變形規(guī)律等。

通過全尺寸模擬試驗掌握以下先進技術：激光跟蹤測量和建模技術；現(xiàn)場數(shù)控坡口加工技術；SG側三道大口徑焊口組對技術；遠程控制窄間隙焊接技術等。

3 測量和劃線

對主管道的測量包括內(nèi)徑、壁厚等尺寸檢查，確保實物的實際尺寸與設計要求相符；對主管道的劃線是主管道加工前的重要工序，通過劃線保證加工位置精確。

3.1 內(nèi)徑和壁厚的測量

在主管道開箱后的測量發(fā)現(xiàn)，原材料的制造偏差造成端面壁厚和直徑不均勻，給主管道的坡口加工帶來難度。這個問題在A環(huán)冷段的兩根主管道冷段L002A/L002B的RPV側尤為突出；L002A的RPV側內(nèi)鏜孔前端面壁厚值為62.4～69.9 mm，相差達7.5mm，2T位置的最大與最小壁厚相差約9.6mm，而L002B的RPV側1T位置的壁厚僅為61.9 mm。

3.2 劃線

根據(jù)激光測量建模擬合確定的切割線數(shù)據(jù)，按照激光測量建模擬合最終切割量坐標，采用激光跟蹤儀配合將最終切割線（FFL）、粗切割線（RFL）及基準線（REFL）映射到主管道上。具體劃線如圖2所示。

圖2 AP1000主管道劃線位置

4 現(xiàn)場設計變更

AP1000主管道不僅沒有技術轉(zhuǎn)讓和技術支持的關鍵設備，而且與國內(nèi)其他堆型的主管道相比，其制造技術為世界首次嘗試，沒有任何成熟技術可借鑒。西屋公司設計的主管道由不銹鋼分段鍛件改為316LN超低碳控氮不銹鋼整體鍛件[3]，中間不允許存在焊縫。因此，主管道在國內(nèi)生產(chǎn)完成后，出現(xiàn)壁厚不均勻和主管道端面存在橢圓度，現(xiàn)場對主管道整圓加工后冷段壁厚小于61 mm，從設計角度看應重新評估和驗證。

4.1 最小壁厚的驗證

AP1000主管道設計規(guī)范書規(guī)定冷段的壁厚設計值為65 mm，允許最小壁厚為61 mm。假如冷段的壁厚小于61 mm，則需要重新計算評估主管道冷段。

根據(jù)ASME規(guī)范第Ⅲ卷第1冊NB3641.1計算壁厚[4]

式中 P為設計內(nèi)壓；D0為主管道外徑；Sm為設計溫度下主管道材料的最大允許應力強度；Py為主管道環(huán)向拉應力值；A為管道腐蝕余量。

由式（1）計算得到壁厚為50.36 mm，考慮到壁厚局部減薄的影響，對冷段進行應力和疲勞評估，最終得到主管道冷段的局部最小允許壁厚為52 mm，此時冷段的承載能力尚能滿足ASME NB3650的要求，但余量較小。

計算出最小允許壁厚后，進行LBB（Leak Before Break，簡稱 LBB，破前漏）分析和評價[5]，評價的位置是管道應力分析結果確定的最大應力位置。

在評價位置處，最大應力計算的載荷組合采用絕對值相加的方法。載荷組合公式為：壓力+自重+熱脹（100%功率）（若適用，應包括熱分層載荷）+安全停堆地震。

在評價位置處，用代數(shù)和的方法求解及下列載荷組合公式計算正常應力：壓力+自重+熱脹（100%功率）（若適用，應包括熱分層載荷）。

經(jīng)過計算，局部壁厚52 mm的冷段的正常應力和最大應力仍能落在LBB的界值曲線內(nèi)且尚有余量，因此，設計方在《AP1000標準設計主管道冷段局部最小壁厚計算報告》中將52 mm作為主管道內(nèi)鏜加工后的最低壁厚控制值；在海陽依托項目發(fā)布的主管道設計變更中，將主管道內(nèi)鏜加工后的最低壁厚最終變更為55 mm。

4.2 坡口形式改變

西屋公司最初設計的主管道坡口形式無論是冷段與RPV和SG接管連接的坡口形式，還是熱段與RPV和SG接管連接的坡口形式，均是單面坡口；考慮到主管道冷段、熱段與反應堆RPV焊接完成50%后便進行主管道冷段和熱段共3段管道同時與SG管嘴組對焊接，為消除安裝組對偏差和焊接應力，通過SG側管道坡口精確加工進行調(diào)整，SG的接管嘴和熱段SG側的管端坡口型式設計變更為雙面坡口，這在我國建造的壓水堆和重水堆中是首次，以往的核電安裝偏差是通過主泵與蒸汽發(fā)生器間過渡段的水平或垂直段進行調(diào)整。主管道單面坡口形式和主管道雙面坡口形式如圖3、圖4所示。

圖3 主管道單面坡口型式

圖4 主管道雙面坡口型式

5 主管道加工

主管道熱段、冷段SG側管道比較規(guī)則，而主管道L002A、L002B、L002C及L002D四根冷段RPV側因制造過程中產(chǎn)生的不規(guī)則變形導致主管道壁厚不均勻、端面成橢圓、內(nèi)外圓不同心；在管道內(nèi)鏜及坡口加工過程中必須反復測量管道壁厚、坡口機中心位置和管道內(nèi)徑來調(diào)整坡口機位置來保證管道最小壁厚、管道內(nèi)徑和管道中心。

5.1 端面加工

采用激光跟蹤儀檢查坡口機位置，坡口機的x、y、z軸偏差控制在0.2 mm內(nèi)，同時在管道切割端面距FFL線7 mm、3 mm和1 mm時使用激光跟蹤儀跟蹤復測坡口機位置、管端面切割余量、端面傾斜角度；加工至FFL距離約1 mm時，控制進刀量，每次進刀量不超過0.25 mm，每進一刀復測一次直至管端面切割至FFL，在加工過程中不應有冷作硬化層和不當操作引起的色變，若有應及時打磨清除。

5.2 內(nèi)鏜加工

在內(nèi)鏜加工前，采用激光跟蹤儀檢查坡口機位置，位置偏差控制在0.2mm內(nèi)，由于主管道冷段RPV側在制造過程中產(chǎn)生的不規(guī)則變形，需要按照圖5所示的方位測量管道壁厚和調(diào)整坡口機。鏜孔前在端面、1T和2T處測量主管道原始壁厚；其次在端面處測量主管道 3～9 點鐘、2～8 點鐘、1～7 點鐘、4～10點鐘、5～11點鐘、6～12 點鐘方向的內(nèi)徑；最后在端面、1T和2T處調(diào)整坡口機位置；根據(jù)測量的管道壁厚、坡口機中心位置和管道內(nèi)徑，調(diào)整坡口機中心位置使其偏向管道壁厚較厚、內(nèi)徑較小的部位進行加工。通過內(nèi)鏜加工確保主管道內(nèi)徑、壁厚和2T深度滿足設計要求。

圖5 主管道壁厚測量點分布

5.3 加工尺寸驗證

為保證測厚的準確性，每次測量后對比游標卡尺讀數(shù)與UT探傷儀測量結果。冷段L002B RPV側鏜孔完成后的端面壁厚測量對比值見表4。

由表4可知，游標卡尺和UT探傷儀測量數(shù)據(jù)基本吻合，且探傷儀讀數(shù)穩(wěn)定，沒有發(fā)生跳躍式變化，加工后的最小壁厚58 mm比設計變更規(guī)定的55 mm厚3 mm，尺寸滿足設計變更要求。

5.4 坡口加工

主管道冷段RPV側和SG側坡口加工技術參數(shù)一致，但熱段RPV側和SG側加工技術參數(shù)略有區(qū)別，主要在于熱段RPV側是單面坡口，而熱段SG側是雙面坡口。在坡口加工前，采用激光跟蹤儀檢查坡口機位置，位置偏差控制在0.1 mm內(nèi)，加工完成后坡口表面粗糙度、內(nèi)外坡口角度、鈍邊高度和厚度及R角等相關參數(shù)滿足設計要求。坡口加工工藝控制重點在于主管道鈍邊與RPV和SG管嘴鈍邊的匹配性，即鈍邊的組對錯變量小于等于0.8 mm，鈍邊的組對間隙小于等于2 mm。

表4 主管道冷段L002B RPV側內(nèi)鏜加工后壁厚

6 主管道加工質(zhì)量控制

由于主管道是反應堆冷卻劑系統(tǒng)核Ⅰ級關鍵設備，內(nèi)鏜和坡口加工不可逆，在主管道加工過程中需要辨識各工序的風險和薄弱環(huán)節(jié)，提前采取質(zhì)量控制預防措施；主管道坡口加工的工藝過程主要采用檢查與試驗計劃（ITP）方式進行質(zhì)量控制，同時采用過程監(jiān)督檢查的方式，避免造成質(zhì)量事件和經(jīng)濟損失。

6.1 質(zhì)量控制重點與難點

主管道的整體鍛造、加工、彎管完全依靠國內(nèi)自主研究，由于制造工藝不足導致主管道壁厚不均勻，一些坡口加工區(qū)域的壁厚已接近設計壁厚甚至低于最小設計壁厚，在進行主管道內(nèi)鏜時將會進一步減少壁厚，盡管設計方通過計算和驗證變更了內(nèi)鏜加工后的最小壁厚，但在進行偏心加工時仍可能超量，因此在主管道加工過程中壁厚控制是難點。

主管道內(nèi)徑控制與壁厚相互關聯(lián)，由于壁厚在各個方位上不均勻，同時為保證鈍邊加工尺寸，因此在內(nèi)鏜加工時內(nèi)徑控制成為關鍵環(huán)節(jié)。

6.2 質(zhì)量風險與控制措施

6.2.1 激光跟蹤儀外界影響

在主管道劃線和加工過程中均使用激光跟蹤儀進行測量和建模，激光跟蹤儀在使用前需校準且對工作環(huán)境的溫度、濕度和電壓穩(wěn)定均有要求，這些外界條件對建模數(shù)據(jù)有較大影響，一旦數(shù)據(jù)不準確可能導致加工結果不滿足設計要求甚至報廢。因此在數(shù)據(jù)采集時需要過程監(jiān)督并論證數(shù)據(jù)，確保最終數(shù)據(jù)準確。

6.2.2 加工機器位置和角度實時調(diào)整

由于主管道內(nèi)徑和壁厚不均勻，在內(nèi)鏜加工時采用偏心加工，有的加工區(qū)域可能出現(xiàn)走空刀的情況，一旦加工機器軸線或角度發(fā)生偏移會導致加工結果產(chǎn)生較大偏差，因此在每個環(huán)節(jié)加工前采用激光跟蹤儀檢查坡口機位置，控制位置偏差，實時調(diào)整加工機器的位置和角度。

6.2.3 內(nèi)鏜孔

主管道內(nèi)徑與壁厚是質(zhì)量控制的重點和難點，內(nèi)鏜加工過程是最容易發(fā)生質(zhì)量風險的環(huán)節(jié)，因此在ITP工序中增加控制點，通過控制刀具進刀量和增加內(nèi)徑、壁厚檢查頻次來確保內(nèi)鏜質(zhì)量受控。

6.2.4 表面加工硬化

在加工過程中，若刀頭鈍化將引起摩擦力增加，導致管道局部過熱超過材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，使管道脆化變硬變色。因此應及時檢查刀頭情況，特別是在內(nèi)鏜及坡口加工的最后1 mm時要注意檢查刀頭狀況并減少進刀量，防止出現(xiàn)表面硬化等問題。

7 結論

研究AP1000核電站主管道坡口加工，在借助激光跟蹤測量及3D建模擬合技術的基礎上，采用偏心加工、斜面加工等方法管控加工過程的質(zhì)量風險，加工結果超出預期，特別是主管道的加工最小壁厚超出設計變更規(guī)定3 mm，為主管道的組對焊接創(chuàng)造良好條件。本研究成果也為工程技術人員提供一個完整清晰的參考和指導，并為后續(xù)項目的主管道加工提供有益的借鑒。

[1]林誠格，郁祖盛.非能動安全先進核電廠AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

[2]Klanica F，Rao G．APl000 SA376 TP316LN Hot Leg Forging Full Mockup Qualification Test Specification[S]．Westinghouse Electric Company LLC．

[3]宋樹康.第三代AP1000核電主管道研制[J].大型鑄鍛件，2011，1（1）：1-4.

[4]ASME第Ⅲ卷NB分卷[S].1998版+2000年補遺.

[5]蔣冬梅，杜穎，袁小蘭.LBB在AP1000技術中的應用[J].南華大學學報（自然科學版），2015，29（4）：7-11.

Process technology of AP1000 main pipe in Haiyang nuclear power station

SONG Ping
（State Nuclear Power Engineering Company，Shanghai 200233，China）

The AP1000 main pipe is the only ASME code class Ⅰ component without introducing overseas technologies，and its whole is forged and bent domestically.Due to huge manufacture difficulty and lack of experience，the main pipe in Haiyang project is not in good shape，especially the large deviation between the wall thickness and inside diameter of the cold leg brings more difficulty to groove preparation.The laser tracking measurement and 3D modeling technology are used to research the groove preparation in the installation of main pipe，and the processing methods including advanced decentration machining and inclined plane machining are adopted to control the quality risk in the process，and the results exceed the expectation of design modification，which provides useful references for groove preparation of the main pipe in follow-up projects.

main pipe；laser tracking measurement and modeling；groove preparation；quality control；AP1000

TG457.6

B

1001－2303（2017）11－0092-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.19

本文參考文獻引用格式：宋平.海陽AP1000核電站主管道加工技術[J].電焊機，2017，47（11）：92-96.

2017-06-21

宋 平（1970—），男，高級工程師，碩士，主要從事核電工藝系統(tǒng)施工及質(zhì)量管理工作。E-mail：CAP140 0SONGP@163.com。