AP1000主管道安裝關(guān)鍵技術(shù)

(國核工程有限公司，上海 200233)

0 引言

AP1000主管道是連接反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵和穩(wěn)壓器的關(guān)鍵設(shè)備。主管道由兩條環(huán)路組成，每條環(huán)路由兩根冷卻劑管道冷段和一根熱段組成。主管道的作用是將反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆冷卻劑泵連接成一個封閉的環(huán)路，為帶有放射性物質(zhì)的反應(yīng)堆冷卻劑流動提供通道，負責(zé)堆芯裂變反應(yīng)后的能量傳輸，是核電站安全運行的重要屏障，AP1000一回路連接如圖1所示。

主管道是AP1000項目中沒有引進國外技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備。對于AP1000主管道的設(shè)計，有學(xué)者進行過研究[1]，對于AP1000主管道的安裝，也有學(xué)者進行過介紹，但均未涉及關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 AP1000一回路連接示意

主管道的安裝從開箱到無損檢測，步驟繁多。其中激光測量建模、主管道坡口加工和主管道與主設(shè)備組對焊接及變形監(jiān)控為關(guān)鍵技術(shù)。筆者結(jié)合工程實踐，在現(xiàn)場對設(shè)計文件和施工方案進行研究，并應(yīng)用于現(xiàn)場施工，取得良好效果。

1 主管道環(huán)路布置及安裝流程

1.1 主管道平面布置

主管道(RCL)是核安全1級、抗震Ⅰ類設(shè)備，材質(zhì)為SA-376TP316LN[2]，主管道將反應(yīng)堆壓力容器(RPV)、蒸汽發(fā)生器(SG)和反應(yīng)堆冷卻劑泵(RCP)連成閉環(huán)回路。一回路由2個環(huán)路組成，2個環(huán)路共計6根管段、12個管端，因此在施工現(xiàn)場需要加工12道坡口，主管道環(huán)路布置圖如圖2所示。

圖2 AP1000主管道環(huán)路布置示意

1.2 安裝流程

主管道的安裝在壓力容器安裝完成之后并和蒸汽發(fā)生器的安裝相互進行，期間的工作重點為坡口加工及組對。其坡口加工要以壓力容器以及蒸汽發(fā)生器的外形尺寸為依據(jù)，結(jié)合壓力容器的實際安裝位置以及蒸汽發(fā)生器的安裝要求完成實體建模，然后計算坡口加工尺寸及位置。主管道壓力容器端完成相應(yīng)的焊接后，由于焊接變形會導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器端的偏移量與模擬時不盡相同，此時需要重新對其進行測量，并結(jié)合蒸汽發(fā)生器的安裝要求完成蒸汽發(fā)生器端的坡口加工。在蒸汽發(fā)生器引入后，需要和主管道進行對口，當對口間隙和錯邊量滿足要求后才可進行焊接。根據(jù)設(shè)計要求，單道焊口在完成50%后，即可認定主管道已定位并不會再發(fā)生偏移，主管道的安裝流程如圖3所示。

圖3 主管道的安裝流程

AP1000與M310主管道安裝存在較大差別，M310的安裝順序是，在反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和(或)主泵就位安裝后，開始主管道冷和(或)熱段的組對焊接工作，最終的安裝偏差通過主泵與蒸汽發(fā)生器間的過渡段的水平和垂直段進行調(diào)節(jié)[3]。

2 測量與建模

對主管道、蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器垂直支撐、反應(yīng)堆及蒸汽發(fā)生器腔室墻體進行激光測量，主管道虛擬裝配擬合計算及建模，主管道測量建模流程如圖4所示。

圖4 主管道測量建模流程

2.1 一次測量與建模

對RPV、主管道、SG及SG垂直支撐分別進行激光測量、建模[4]，然后進行主管道虛擬裝配、擬合建模，主管道激光測量及建模技術(shù)要求如表1所示。

(1)將蒸汽發(fā)生器垂直支撐坐標系設(shè)置為當前坐標系，將對應(yīng)的蒸汽發(fā)生器模型插入這個回路。

(2)將蒸汽發(fā)生器連接凸臺每個螺栓孔中心點和垂直支撐上底座每個螺栓孔中心點創(chuàng)建對應(yīng)關(guān)系，進行最佳擬合轉(zhuǎn)換，使蒸汽發(fā)生器連接凸臺螺栓孔與垂直支撐上底座螺栓孔大致對齊。

(3)調(diào)整蒸汽發(fā)生器模型，沿+Z方向移動，使蒸汽發(fā)生器冷段管嘴與壓力容器冷段管嘴之間高差滿足要求，并通過分析當前組對狀態(tài)下垂直支撐上底座與蒸發(fā)器支撐連接凸臺之間高差，計算垂直支撐所需加工墊片的厚度。

(4)將反應(yīng)堆壓力容器管嘴坐標系設(shè)置成這個回路的當前坐標系，分別為這個回路插入對應(yīng)的主管道熱段、冷段。

表1 主管道激光測量及建模技術(shù)要求

(5)將主管道沿管道中心線的Z方向前后移動以調(diào)整左右錯邊量，沿Z軸旋轉(zhuǎn)調(diào)整上下錯邊量，通過調(diào)整將兩端管中心線分別通過壓力容器管嘴中心點，錯邊量需滿足要求。

(6)根據(jù)組對重合部分及組對間隙要求，計算主管道RPV端和SG端切割余量，標記最終切割線(FFL)和粗略切割線(RFL)位置。

2.2 二次測量與建模

主管道壓力容器端坡口加工完成后和壓力容器端管口完成50%焊接之后，均需要重新測量主管道蒸汽發(fā)生器端的管口位置并更新3D建模模型，再次通過擬合確定主管道蒸汽發(fā)生器端管道的切割位置，進行二次建模。

RPV端焊接至50%后，通過二次3D測量采集SG端3個管口數(shù)據(jù)并導(dǎo)入RPV坐標系，與SG模擬管嘴進行模擬組對，確保錯邊量滿足要求，得到SG端管嘴重疊量，再根據(jù)組對間隙的要求確定最終坡口切割量(每個管口共采集8組數(shù)據(jù))，加工完成后測量SG端主管道以及SG端管口并更新模型，管口位置須滿足設(shè)計要求。

3 主管道坡口加工

AP1000 主管道現(xiàn)場數(shù)控坡口加工的主要工序包括：劃線、粗切割、面切割、內(nèi)鏜孔、坡口面加工等[5]加工工序以及加工后的尺寸測量和PT檢測。在加工過程中，需要與激光跟蹤測量儀配合使用，以保證其精確加工，主管道加工公差見表2。

主管道冷段RPV端和SG端坡口加工技術(shù)參數(shù)一致，但熱段RPV端和SG端加工技術(shù)參數(shù)略有區(qū)別，主要在于熱段RPV端是單面坡口，而熱段SG端是雙面U形坡口[6]。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范圍內(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(guān)參數(shù)滿足設(shè)計要求。

表2 AP1000主管道加工公差

坡口加工時，需滿足坡口組對的各管段標高要求以及主管道自身制造偏差，單面坡口通過內(nèi)卡式坡口機的兩次對刀及對中完成，第一次對刀及對中，調(diào)整坡口機軸線與3D建模管道軸線重合，坡口機角度與管道本體角度平行，完成內(nèi)膛的加工；第二次對刀及對中，調(diào)整內(nèi)卡式坡口機軸線和角度與3D建模管道軸線與角度重合，完成斜坡口的加工。雙面坡口則通過調(diào)整內(nèi)卡式坡口機軸線和角度與3D建模管道軸線與角度重合，完成內(nèi)坡口和外坡口的加工。加工時控制進刀量，每次進刀量不超過0.25 mm。

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，即鈍邊的組對錯邊量小于0.8 mm，鈍邊的組對間隙小于2 mm[7]。

4 組對與焊接

主管道與反應(yīng)堆壓力容器組對時，需滿足以下條件：(1)組對錯邊量應(yīng)小于0.8 mm，設(shè)計方推薦安裝時應(yīng)盡量控制在0.5 mm 以內(nèi)；(2)組對間隙不大于焊接工藝評定時的最大間隙規(guī)定的2 mm；(3)主管道熱段水平直管兩端，即反應(yīng)堆壓力容器接管處與直管和彎管相切處高度差在1.0～4.0 mm之間,反應(yīng)堆壓力容器接管嘴處低，直管和彎管相切處高;(4)主管道冷段的反應(yīng)堆接管嘴處與主泵接管嘴處的高度差在1.0～4.0 mm，反應(yīng)堆壓力容器接管嘴處低，主泵接管嘴處高,且在主管道冷段彎管中間的高度較反應(yīng)堆接管嘴高0～3.0 mm。

4.1 主管道稱重與吊重

主管道熱段在RPV端坡口加工完后，在加工車間進行稱重并記錄讀數(shù)，其目的在于測定出在主管道熱段與蒸汽發(fā)生器進口管嘴焊接時能保證管道平衡的外力值，在管道安裝、焊接時將管道調(diào)整到平衡狀態(tài)，實現(xiàn)彈簧吊架向上的拉力平衡主管道重量，滾動支撐幾乎不承受或僅承受少部分管道重量。確保焊縫能夠在基本自然狀態(tài)下進行收縮[8]。

為確保主管道熱段與SG進口管嘴焊接時，焊縫能夠處于自由狀態(tài)下收縮，需要用適當?shù)耐饬ζ胶庵鞴艿赖闹亓?。這種適當?shù)钠胶饬π枰ㄟ^對主管道熱段稱重測量正確測定，每個主管道環(huán)路的熱段應(yīng)分別稱重測量，主管道管口組對稱重工裝如圖5所示。

圖5 主管道管口組對稱重工裝結(jié)構(gòu)示意

4.2 RPV端組對與焊接

壓力容器端管嘴與熱管段組對時，應(yīng)使管段水平段有一定的坡度，直管軸線靠近蒸汽發(fā)生器一端的標高要略高于靠近壓力容器一端的標高0～7 mm，即需使管段由蒸汽發(fā)生器側(cè)坡向壓力容器側(cè)。

壓力容器端管嘴與冷管段組對時，應(yīng)使主泵出口管嘴中心標高等于或略高于反應(yīng)堆壓力容器進口中心標高0～7 mm，且在主管道冷段彎管中間的高度必須比反應(yīng)堆接管高0～5 mm。相應(yīng)準備工作完成后，進行主管道冷段和熱段與壓力容器管嘴組對焊接至50%厚度。

4.3 SG端組對與焊接

SG吊裝引入后，通過調(diào)整蒸汽發(fā)生器上部臨時支撐，完成蒸汽發(fā)生器端主管道的組對工作。要保證3道焊口同時組對，因此，對SG臨時支撐的調(diào)整控制至關(guān)重要。

SG端主管道焊接，采用同樣的施工方法進行蒸汽發(fā)生器端主管道的焊接至50%厚度；然后進行壓力容器端主管道3道焊口50%～100%的焊接;最后進行蒸汽發(fā)生器端主管道3道焊口50%～100%的焊接。

4.4 焊接變形跟蹤

焊接變形監(jiān)控采用激光跟蹤測量與傳統(tǒng)的測量監(jiān)控相結(jié)合、并進行互相驗證。

(1)焊縫軸向收縮量監(jiān)測。

在壓力容器端主管道坡口(從壓力容器端向蒸汽發(fā)生器端看)12點、3點、6點、9點鐘位置設(shè)定4條焊縫軸向收縮量測點，每個鐘點位置測量1組點，焊縫軸向收縮量監(jiān)測如圖6所示。

圖6 焊縫軸向收縮量監(jiān)測位置

焊縫中每填充一層后，采用游標卡尺測量管道焊口12點、3點、6點、9點鐘位置每組軸向收縮測量點距離，由軸向收縮測量變化計算焊縫的軸向收縮量，主管道A環(huán)冷段焊接軸向收縮量統(tǒng)計如表3所示。

表3 主管道A環(huán)冷段焊接軸向收縮量統(tǒng)計 mm

(2)管段蒸汽發(fā)生器端焊接變形監(jiān)控。

主管道壓力容器端焊口點固焊后，在蒸汽發(fā)生器端對應(yīng)的管口安裝6個百分表。其中4個百分表的接觸式指針緊密對準管道3點鐘、6點鐘、9點鐘和12點鐘位置的管壁，監(jiān)測管段的撓曲變形；2個百分表的接觸式指針緊密對準管道6點鐘和12點鐘位置的管端面，監(jiān)測管段的軸向收縮變形。

焊接過程中通過監(jiān)測3點鐘、6點鐘、9點鐘和12點鐘位置的管壁上4個百分表及主管道端面2個百分表數(shù)值的變化計算管段的撓曲變形量和軸向收縮變形量。

(3)激光跟蹤儀的變形監(jiān)控。

主管道RPV端焊口點固焊后，在蒸汽發(fā)生器端對應(yīng)的主管道標記最終切割線位置的管道中心，安裝激光跟蹤儀中心光靶座，利用激光跟蹤儀監(jiān)測管段的軸向收縮變形和撓曲變形。 針對主管道的焊接收縮，在壓力容器端的主管道切割時，增加一定長度用于抵消焊接階段的收縮量；而在蒸汽發(fā)生器端，通過SG冷態(tài)位置遠離壓力容器方向反變形位置進行調(diào)整，主管道冷段焊接反變形控制如圖7所示。

焊接過程中，除打底焊外，當周向百分表測量值有超出0.2 mm 的變化時，應(yīng)及時對測量數(shù)據(jù)進行分析處理。焊接變形量超標時，通過采取改變起弧點位置、改變熱輸入、局部增加焊道[9-10]等方法進行變形修正。

圖7 主管道冷段焊接反變形控制示意

5 結(jié)語

(1)在主管道安裝過程中，激光跟蹤測量技術(shù)和三維建模技術(shù)的應(yīng)用，有效保證了關(guān)鍵施工工序。

(2)采用便攜式數(shù)控坡口機對主管道坡口進行加工，加工過程中使用激光跟蹤儀對坡口端面和坡口機位置進行監(jiān)測，確保加工端面與激光建模擬合一致，尺寸偏差控制在0.1 mm以內(nèi)，進刀量不超過0.25 mm/次，表面粗糙度Ra達到3.2 μm，VT和PT檢測結(jié)果完全滿足設(shè)計要求。

(3)利用激光跟蹤儀和百分表監(jiān)測管段的焊接變形，并采取相應(yīng)的措施進行及時修正，確保焊接過程可控。

(4)在AP1000主管道安裝過程中，有效識別不可逆的關(guān)鍵工序，并采取相應(yīng)措施進行控制，保證主管道安裝結(jié)果滿足設(shè)計要求，為主管道安裝提供一定的指導(dǎo)。