三代核電堆芯補水箱制造中不符合項及處理意見

岑騰躍

（國核工程有限公司，上海 200233）

某三代核電項目堆芯補水箱（Core Makeup Tank，CMT）作為非能動冷卻系統(tǒng)的主要部件之一，提供緊急排出堆芯余熱功能。堆芯補水箱是帶有半球形上、下封頭的立式筒形容器。該筒體和封頭由低合金鋼制造，內(nèi)表面由用于防腐的不銹鋼堆焊而成［1］。堆焊層和不銹鋼貫穿于堆芯補水箱其余結(jié)構(gòu)，包括一個人孔、各種小接管（水位計接管、熱電偶、壓力接管和取樣接管）以及大的進、出口接管。堆芯補水箱通過下封頭上的支撐柱提供支撐，通過每一接管接頭與其他各管路相連。堆芯補水箱屬核一級承壓設備，需滿足抗震Ⅰ類要求，其放置于安全殼32.6 m 標高上。在正常運行期間，CMT（一個機組分A、B 兩臺）完全充滿磞酸水，其壓力通過冷管段壓力平衡管線維持與反應堆冷卻系統(tǒng)相同的壓力，保證容器內(nèi)壓力為16.05 MPa；在事故狀態(tài)下，安全防護信號啟動，堆芯補水箱與反應堆冷卻系統(tǒng)間閥門自動開啟，由堆芯補水箱向堆芯提供冷卻硼酸溶液，控制堆芯的反應性，從而保證了堆芯的冷卻和滿足反應堆關(guān)閉需要的時間，達到堆芯余熱排出功能［2］。

1 堆芯補水箱不符合項分析

在首批我國某三代核電項目堆芯補水箱的制造過程中，制造廠克服了諸多不利因素，完成了制造任務。為了給后續(xù)項目堆芯補水箱的制造提供經(jīng)驗，有必要總結(jié)首批堆芯補水箱制造過程中存在的主要質(zhì)量問題，可從以下5個方面的典型不符合項加以分析。

1.1 機加工不符合項

1.1.1 機加偏心

在機加工過程中，由于材質(zhì)的不均勻或形狀不對稱、安裝偏心等原因，會使機床主軸軸心與回轉(zhuǎn)軸承中心線不重合，造成偏心。主軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力，容易使加工工藝系統(tǒng)受到周期性變化的受迫震動［3］。在加工堆芯補水箱A上封頭接管孔的過程中，因圓弧面機加工時刀具易形成徑向跳動，致使鉆削N-6b 接管孔的初始段產(chǎn)生偏心，其鉆孔偏心段孔徑為φ42.83 mm（要求值：φ42.42+-00.13mm），產(chǎn)生不符合項，如圖1所示。

圖1 接管孔N-6b機加工偏心Fig.1 Machining deviation of hole dimension for Tube N-6b

同樣在加工堆芯補水箱B筒體接管孔的過程中，由于鉆頭在加工斜面時鉆孔切削切初入段產(chǎn)生震動而導致N-3e 接管孔鉆削初始段產(chǎn)生偏心,其鉆孔偏心段孔徑為φ42.97 mm（要求值：φ42.42+-00.13mm），產(chǎn)生不符合項。

1.1.2 內(nèi)孔溝槽

刀具的質(zhì)量對產(chǎn)品的精度也有重要影響，由于鉆頭切削刃的作用導致加工表面硬化，在加工N-6a 接管孔時內(nèi)壁通孔出現(xiàn)溝槽，如圖2所示，溝槽孔徑為φ43.48 mm（孔徑要求值：φ42.42+-00.13mm），產(chǎn)生不符合項。

圖2 接管孔N-6a機加工凹槽Fig.2 Machining pit of hole for Tube N-6a

1.1.3 表面凹坑

在堆芯補水箱B 筒體上加工接管孔N-6c 對應凸臺時，由于刀具在凸臺表面顫動而使表面被刮磨，形成了4處凹坑，產(chǎn)生不符合項，如圖3所示。

圖3 接管孔N-6c凸臺表面凹坑Fig.3 Machining pit of surface for Tube N-6c

針對上述接管孔機加工偏心和凹槽不符合項，后續(xù)采用4∶1 的錐度適當擴孔辦法，同時測量接管按照NB-3337.3 部分焊透焊接接管中有關(guān)接管和孔的具體間隙配合要求進行配作，0.5 mm 為最大配合間隙；另外，考慮接管外徑和孔的偏差要求，0.08 mm 為最大配合間隙，返修過程中二者均應滿足。而凹坑在保證尺寸的前提下按NB-4452 要求打磨平滑過渡，同時針對該區(qū)域按NB5000 要求進行探傷評估［4］。

目前，針對機加工中存在的問題，可從以下幾方面加以改進：

（1）操作人員應仔細檢查加工工具，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量；

（2）選擇合理的加工工藝，實現(xiàn)對產(chǎn)品的加工優(yōu)化，如針對偏心問題，采用導向套或條件允許下先進行銑削加工，便于基準定位［5］；

（3）具體加工工序應嚴格按照工藝規(guī)程執(zhí)行，切不可盲目操作。

1.2 人為因素導致的典型不符合項

1.2.1 凸臺尺寸加工錯誤

堆芯補水箱A下封頭裝焊熱電偶貫穿件和測量接管如圖4 所示，由于未考慮球面圓弧落差，上游設計圖紙要求凸臺高度L=（37.3±0.5）mm（堆焊層加工），而制造廠機加工N-5b/N-6e/N-6f 接管凸臺實際尺寸L 分別為：41.8 mm/40.68 mm/40.80 mm（凸臺仍需繼續(xù)加工）。在后續(xù)裝焊接管時，由于未能對接管端面與凸臺端面預裝尺寸按設計要求H=（10.4±0.5）mm 進行復核，致使接管裝焊后其端面與凸臺端面實際尺寸H分別為：6.17 mm/6.50 mm/5.80 mm，該不符合項通過已重新加工尺寸H余量及加工后測量處理。

圖4 下封頭堆焊層加工偏差Fig.4 Machining deviation of build up for lower head

1.2.2 坡口尺寸加工錯誤

在加工堆芯補水箱B下封頭內(nèi)壁凸臺坡口時，如圖5所示，上游設計圖紙要求，而制造廠在圖紙轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生錯誤，導致實際加工尺寸按T=（9.7±0.5）mm進行坡口加工，致使N-3h/N-5b/N-6e/N-6f接管凸臺坡口實際深度T 分別為：9.38 mm/9.58 mm/9.30 mm/9.40 mm，不能滿足上游圖紙要求，要求返工處理。

圖5 坡口深度不合格Fig.5 Machining deviation of depth for groove

1.2.3 焊接材料不符

制造廠在焊接進口擴散管和端帽時，由于焊接工藝規(guī)程的錯誤，致使進口擴散管和端帽焊接所用材料為ER309L，而根據(jù)圖紙要求材料應為ER316L，考慮到焊接材料相關(guān)力學性能存在一定差異，因而要求制造廠按圖紙要求開啟不符合項返工處理。

焊工按焊接工藝規(guī)程執(zhí)行焊接操作時［7］，應仔細核對焊接工藝、圖紙等文件，對于文件存在不一致的部分應及時提出，避免錯誤的發(fā)生。

1.2.4 沉孔加工

制造廠未經(jīng)原設計方批準，在堆芯補水箱A、B 支撐柱底板上加工沉孔，如圖6（a）所示，由于支撐柱在裝焊至下封頭熱處理后變形，無法繼續(xù)擴大沉孔以保證底板上安裝地腳螺栓的墊圈的熱變形偏移，最終解決方案是結(jié)合實際支撐柱變形情況，考慮墊圈單邊徑向熱變形偏移的方式加工沉割面［6］如圖6（b），完成對該不符合項的返修處理。

圖6 底板沉孔返修Fig.6 Repair of counterbore surface for base plate

1.2.5 水壓試驗

制造廠在完成堆芯補水箱A水壓試驗后，直接在本體上鉆銘牌孔，進行銘牌的安裝，該操作嚴重違反ASME Ⅷ卷第一冊《壓力容器建造規(guī)則》中檢驗和試驗UG-99的規(guī)定，“水壓試驗前除了那些不能在試驗前進行的工序，所有制造工作應已經(jīng)完成”，在根據(jù)《核設施建造規(guī)則》（NB-3324）的要求分析后得出銘牌鉆孔端承壓厚度仍能滿足要求，但需重新進行水壓試驗以保證產(chǎn)品質(zhì)量，該不符合項已進行返工處理；而堆芯補水箱B水壓試驗時由于人孔主螺栓預緊力不均勻?qū)е滤畨涸囼炘谠囼瀴毫ο掳l(fā)生泄漏，不得不重新進行二次水壓試驗返工處理。

1.2.6 油漆涂層

制造廠在完成堆芯補水箱制造后，未能根據(jù)堆芯補水箱的設備涂層規(guī)格書中關(guān)于ASTM 標準D5144［8］和D4228［9］及ASTM 標準D5144 和D4537［10］針對涂層檢查人員要分別進行特定的培訓和考核，導致未經(jīng)授權(quán)的油漆操作人員進行涂層工作，使堆芯補水箱油漆涂層不斷出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，涂層質(zhì)量不合格，最終返工處理。

針對上述人為原因引起的不符合項，圖紙錯誤和原材料使用錯誤使制造與設計不符合，嚴重影響了產(chǎn)品的制造費用和生產(chǎn)進度，因此，在后續(xù)制造中，要求嚴格審查相關(guān)圖紙及技術(shù)工藝，保證類似錯誤在制造前得到糾正，確保產(chǎn)品質(zhì)量；而制造廠操作人員在生產(chǎn)過程中應認真做到“有人負責，有章可循，有據(jù)可查”，嚴格按照工藝規(guī)程執(zhí)行操作，避免產(chǎn)生不必要的錯誤。

1.3 機械性能試驗時取樣導致的不符合項

在堆芯補水箱A 進、出口接管堆焊層取樣時，制造廠按照每25 mm距離進行一次取樣，而奧氏體不銹鋼堆焊材料測試規(guī)格書取樣方法規(guī)定在接管內(nèi)徑小于127 mm 時，每25 mm 距離進行一次取樣，但堆芯補水箱進出口接管內(nèi)徑為160 mm，不滿足這一情況，應按第1焊道取樣及隨后每5焊道進行取樣的方法，最終該不符合項經(jīng)設計評估后要求按規(guī)程進行處理。

試驗人員在取樣時，應嚴格按照相關(guān)文件執(zhí)行操作，使相關(guān)質(zhì)量活動保證在可控范圍內(nèi)。

1.4 焊接工藝不符合項

1.4.1 緩沖環(huán)焊接

在熱處理過程中，堆芯補水箱A的相關(guān)鍛件取樣方法通過鍛件端部用部分焊透焊縫焊接補償鋼板方式，但為了安全排出緩沖塊與主體鍛件之間的氣體，鍛件制造廠在焊縫上均布了3個15 mm 的排氣孔，不完全符合《核設施建造規(guī)則》（NB-3324）中第（c）條規(guī)定緩沖塊應完全密封緩沖面的要求。

為此，根據(jù)鍛件制造廠需對有、無排氣孔鍛件的冷卻速率和性能進行分析比較，同時鍛件制造廠應編制取樣程序，結(jié)合NB-2212.2中第（a）條要求，向設計方提交相關(guān)報告并獲認可后才可刪去此不符合項。

1.4.2 支撐柱焊接變形

堆芯補水箱A、B 支撐柱組件裝焊至下封頭后，未采取任何工藝措施保證熱處理后支撐柱軸線準確定位，焊后熱處理導致支撐柱軸線實際位置發(fā)生偏斜（但各支撐柱軸線未產(chǎn)生彎曲），支撐柱底板中心最大偏移為8.7 mm，超出設計圖紙要求最大值4.1 mm要求。

根據(jù)支撐柱設計要求，首先分析支柱偏斜對補水箱支撐的影響，其次根據(jù)原設計圖紙在支撐柱底板上加工地腳螺栓孔，最后分析支撐柱偏斜對安裝地腳螺栓組件的影響（包括地腳螺栓用墊圈熱變形的偏移影響），在確認所有條件滿足條件下才能刪去此不符合項。

在執(zhí)行熱處理工序時，工藝工程師應分析熱處理過程中可能遇到的問題，通過變更、澄清等方式提交設計審核，避免過多不符合項的產(chǎn)生。

1.5 焊接原因?qū)е碌牟环享?/h3>

1.5.1 焊接圖轉(zhuǎn)化錯誤

制造廠在支撐柱與底板焊接詳圖裝配焊接并探傷后，發(fā)現(xiàn)實際裝焊不滿足新版圖紙要求，實際支撐柱與底板之間未留2 mm 的間隙，不能適應焊接熱變形，已按圖紙要求進行執(zhí)行返修工作。

1.5.2 焊接變形

堆芯補水箱用地腳螺栓配對剪切塊A 組件，根據(jù)圖紙要求尺寸（460.4±0.5）mm，由于裝焊誤差及焊接變形，實測尺寸為462～464.4 mm，尺寸超差，要求返工處理。

從以上不符合項可看出，焊接工藝人員應仔細考慮焊接熱變形的影響以制定對應的焊接工藝規(guī)程［11］，制定反變形等措施，保證最終產(chǎn)品焊接變形在可控范圍內(nèi)。

2 結(jié)論

在首批三代核電某項目堆芯補水箱制造過程中，總共產(chǎn)生了20個不符合項統(tǒng)計見圖7，由于機加工導致的不符合項有5項、人為失誤引起的不符合項有8項、機械性能測試引起的不符合項有1項、熱處理引起的不符合項4項和焊接引起的不符合項2項?？梢钥闯?，人為失誤引起不符合項占40%，因此，在堆芯補水箱的制造過程中，應重點分析人為失誤的原因，其中技術(shù)人員在圖紙轉(zhuǎn)化方面存在的問題需要根本解決；而機加工過程中，制造廠操作人員應嚴格按照工藝程序操作，避免盲目追求效率；在熱處理和焊接方面，熱變形導致的不符合項需要引起重視，在制定特定工藝規(guī)程方面應集中分析存在的變形問題，提供合理的設計方案，減少不符合項的產(chǎn)生。通過分析首批堆芯補水箱制造過程中存在的不符合項，總結(jié)質(zhì)量問題的原因，為優(yōu)化后續(xù)堆芯補水的制造提供經(jīng)驗。在執(zhí)行設計規(guī)范、采購要求和技術(shù)標準等具體規(guī)范性文件的同時，加強各項目間的設備制造經(jīng)驗反饋，互相借鑒，確保核電產(chǎn)品質(zhì)量可靠。

圖7 首批堆芯補水箱制造不符合項匯總Fig.7 Nonconformance summary of manufacturing for first CMTs