“華龍一號”主蒸汽隔離閥閥體尺寸超差處理方案的研究

衛(wèi)　東，張靈宇，陳一偉，張　躍，王　巖，李海濤，李雅珍

“華龍一號”主蒸汽隔離閥閥體尺寸超差處理方案的研究

衛(wèi)東，張靈宇，陳一偉，張躍，王巖，李海濤*，李雅珍

（生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

針對某核電站主蒸汽隔離閥閥體尺寸不滿足技術(shù)規(guī)格書要求的不符合項，提出“閥體與管道內(nèi)表面無錯邊組對焊接，外表面平滑過渡焊接”的處理方案。首先，分析對閥門整體結(jié)構(gòu)和功能的影響、開展閥體端部超差區(qū)域力學分析；其次，主蒸汽管線上飽和蒸汽管道即超級管道與閥門相連，對于閥門端部與超級管道的焊接，依據(jù)閥門內(nèi)外徑不同進行超級管道和閥門端部坡口的加工，外表面過渡焊接的焊縫斜率≤1:4，制定特殊的焊接工藝，確定整套無損檢驗方案，包括焊前對閥門端部和超級管道的坡口、焊接過程中、最終完成后進行的無損檢驗；另外，在正式產(chǎn)品進行焊接的同時，同步進行焊接見證件的制作，并對見證件焊縫開展理化檢驗，以驗證此焊縫的各方面性能滿足技術(shù)規(guī)范和標準的要求。

主蒸汽隔離閥；不符合項；過渡焊接；無損檢驗；焊接見證件

核電站核島主蒸汽隔離閥（MSIV）屬于主蒸汽供應系統(tǒng)中的重要設(shè)備，RCC-M規(guī)范等級為2級，抗震分類為SSE 1，民用核安全等級為SC-2級[1]，每列主蒸汽管線上配置1臺MSIV，焊接在安全殼貫穿件和其下游固定點之間的直管道上。功率運行期間，MSIV維持開啟，保證向汽輪機和其他蒸汽用戶提供蒸汽，事故工況下，該氣液聯(lián)動閘閥執(zhí)行相應的安全功能，應能在接收到主蒸汽隔離命令后5秒內(nèi)快速關(guān)閉以限制蒸汽排放，保證核電廠的安全性[2]。

在發(fā)生二次側(cè)排熱增加事故時，如一條主蒸汽管線斷裂（MSLB），自動保護信號會觸發(fā)MSIV快速關(guān)閉，隔離主蒸汽管道，限制一回路系統(tǒng)過冷，從而參與反應性控制；在蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂（SGTR）事故工況下，通過關(guān)閉受影響蒸汽發(fā)生器的MSIV，可包容放射性物質(zhì)。

MSIV主要部件包括：閥體、閥蓋、體蓋連接螺栓、閥瓣、閥桿及外部驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其進出口與超級管道焊接相連（見圖1）。

1　尺寸超差情況

某核電機站2臺機組共6臺主蒸汽隔離閥由工程總承包單位自某境外單位采購，在閥門制造過程中發(fā)現(xiàn)該批閥體鑄件的進、出口端部內(nèi)、外徑尺寸均不滿足技術(shù)規(guī)格書要求，具體為：技術(shù)規(guī)格書要求閥體端部尺寸內(nèi)徑749 mm，外徑869 mm，壁厚60 mm；而實測6臺閥體鑄件，其內(nèi)徑672.34～679.25 mm，外徑841.88～855.09 mm，壁厚尺寸81.60～90.55 mm，內(nèi)外徑尺寸皆小于技術(shù)規(guī)格書中要求尺寸。閥體鑄件端部實測尺寸如表1所示。

圖1　MSIV閥體結(jié)構(gòu)示意圖

表1　主蒸汽隔離閥閥體端部實測尺寸

續(xù)表

2　處理方案的分析評價

由于閥體鑄件已開展導軌堆焊及閥座焊接等工作，限于閥門制造進度要求，尺寸超差的閥體鑄件無法退回，因此要基于當前閥體鑄件實際尺寸，在滿足RCC-M[3]B3544.8關(guān)于焊接端部閥體形狀的要求最小壁厚的前提下，形成一套可行的處理方案。

此閥體鑄件內(nèi)/外徑均偏小，但其壁厚足夠（大于技術(shù)規(guī)格書要求的60 mm），因此，可采用加工閥體連接端內(nèi)徑至與超級管道內(nèi)徑一致（即749 mm），使閥門與管道內(nèi)表面無錯邊組對焊接，外表面采用過渡焊接實現(xiàn)平滑過渡，避免應力集中，焊縫斜率應≤1:4。如圖2所示。

圖2　過渡焊接口示意圖

2.1　對閥門整體結(jié)構(gòu)、功能的影響

除閥門進、出口連接端尺寸不滿足規(guī)格書要求外，閥門內(nèi)部流道、閥體頸部內(nèi)徑、閥體最大內(nèi)徑、閥體頸部壁厚等尺寸均與原設(shè)計一致。

因加工連接端內(nèi)徑與超級管道內(nèi)徑一致，造成連接端壁厚＜60 mm的長度最大為56.55 mm，如圖3所示。

圖3　連接端機加工方案圖

針對超差處理方案對管系的影響，分別對三個回路進行管道功能性校核分析，應力指數(shù)考慮RCC-M標準中最保守情況后應力比均小于1.0。

2.2　閥體端部超差區(qū)域力學分析

減薄量最大的閥體端部壁厚為 46 mm，MSIV閥體材料為20Mn5M，與MSIV相連的管道材料為P280GH，接管焊接材料為E7081，依據(jù)RCC-M B3500，應用有限元分析軟件對MSIV焊接端超差區(qū)域開展如表2和表3所示各工況分析及應力評定。

表2　各工況載荷組合和應力準則

表3　MSIV應力分析評定準則

其中，第4類工況細分為三種情況：

Case 1：地震導致的NI/CI邊界管道發(fā)生雙端剪切斷裂，采用設(shè)計壓力8.9 MPa，最高溫度303 ℃，與SSE和HEPB載荷組合，閥門保持可操作性；

Case 2：滿功率時所有MSIV誤關(guān)閉且每條環(huán)路上一個主蒸汽安全閥失效，采用1.2倍設(shè)計壓力，最高溫度336.7 ℃，與SSE載荷組合，閥門保持可操作性；

Case 3：所有MSIV誤關(guān)閉ATWS，采用1.3倍設(shè)計壓力，最高溫度 350 ℃，與SSE載荷組合，閥門保持完整性。

選取合適的應力線性化路徑對超差區(qū)域不同工況包絡(luò)后場景進行應力分析，與表3中應力分析評定準則對比，得出超差區(qū)域在第1、3、4類及試驗工況下，最大一次薄膜應力及最大一次薄膜+彎曲應力均小于限值，以最惡劣工況第4類工況Case1為例（超差區(qū)域總應力云圖見圖5），最大一次薄膜應力與限值比為0.81，最大一次薄膜+彎曲應力與限值比為0.89，滿足RCC-M規(guī)范要求。

圖4　閥體有限元模型

圖5　超差區(qū)域第4類工況Case1總應力云圖

第2類工況下的力學分析包括一次+二次應力強度幅值計算、疲勞分析、熱棘輪分析，進行溫度場分析時，結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)化為對應的溫度場分析單元SOLID90/87。經(jīng)各路徑應力線性化，超差區(qū)域的一次+二次應力強度幅值均小于限值，最大應力比0.60，最大累積疲勞使用系數(shù) 0.016 3，最大熱應力幅值與熱應力變化許用值的比值最大為0.07，均滿足RCC-M規(guī)范要求。

2.3　現(xiàn)場焊接工藝的制定和實施

閥門端部內(nèi)徑加工至749 mm后，尺寸與超級管道內(nèi)徑一致，內(nèi)表面可實現(xiàn)無錯邊組對；但由于外徑不同，錯邊量最小 7 mm，最大14 mm，且要求滿足焊縫斜率≤1:4，因此，焊接坡口加工尺寸應比較精確。按最大錯邊量14 mm來設(shè)計坡口形式和角度，如果滿足焊縫斜率≤1:4，則其他錯邊量數(shù)值均可以滿足要求。焊縫斜率按1:4來計算，由于錯邊量為 14 mm，則焊縫水平方向的長度為 4× 14 mm=56 mm；由焊接坡口形式（坡口角度20°，倒角半徑6 mm，組對間隙1 mm）可以計算出管道和閥門外徑處水平方向的距離為51 mm，小于56 mm。因此，實際焊接時應在閥門段坡口處向閥門側(cè)多焊接至少5 mm寬度，即可滿足焊縫斜率為1:4，而斜率1:4即保證了角度為14°（tan14°= 0.25=1:4）。具體的焊接坡口加工示意圖如圖6、圖7所示。

圖6　焊接坡口形式-錯邊量最小

圖7　焊接坡口形式-錯邊量最大

按RCC-M B3544.8要求，閥體距離焊接端部1.33m（m為閥體最小壁厚53.2 mm）處壁厚應滿足0.77m=41 mm，實際壁厚為46～53 mm；焊接方案采用焊縫斜率≤1:4的結(jié)構(gòu)形式，滿足RCC-M C3661.1過渡區(qū)最大坡度不應超過1/3的要求。

此焊縫在焊接前應首先完成相應的焊接工藝評定，評定合格后方可進行此項目的焊接?，F(xiàn)場操作中，管道外徑較大，焊縫在本側(cè)不做延伸，閥門側(cè)外徑較小，可以從坡口處向閥門側(cè)延伸5 mm以上，并做相關(guān)標記，即焊接至與閥門外徑平齊后，再向閥門側(cè)焊接2～3道，滿足大于5 mm的要求，并與管道處焊縫實現(xiàn)平滑過渡。另外，在焊接過程中，應嚴格按照焊接工藝作業(yè)指導書的要求，控制焊接電流、電壓、預熱溫度（≥125 ℃）、層間溫度（≤250 ℃）、后熱溫度（≥125 ℃）及時間、消除應力熱處理溫度（595～625 ℃）及時間和升溫降溫速率（≤86 ℃/h）等參數(shù)。

2.4　無損檢驗工藝的制定和實施

此對接焊口需要在三個階段進行無損檢驗，一是坡口加工后，閥門本體端部及超級管道坡口可達部位要進行目視檢驗和滲透檢驗，以確定施焊區(qū)及鄰近區(qū)域表面不存在超標缺陷；二是焊接過程中，在完成打底焊并冷卻到室溫后應進行目視檢驗、滲透檢驗，在焊接到厚度為20 mm時，進行目視檢驗、滲透檢驗和射線檢驗；三是完成最終焊接并進行消除應力熱處理后，進行100%的目視檢驗、滲透檢驗、超聲波檢驗和射線檢驗。

射線檢驗時要考慮焊縫兩側(cè)材料厚度不同，在焊縫兩側(cè)不同厚度處分別放置一個像質(zhì)計以確保符合透照靈敏度要求，并采用中心曝光和雙膠片透照工藝，以獲得較好的透照效果。

超聲檢驗時，由于閥門本體為鑄造材料且?guī)缀纬叽缡芟?，主要從超級管道?cè)進行掃查，采用45°、60°和70°斜探頭管道側(cè)軸向直射波掃查，45°和60°斜探頭管道側(cè)軸向一次反射波掃查，斜探頭一次反射波的軸向掃查如圖8所示，并采用小角度縱波探頭和雙晶縱波直探頭進行縱波掃查。

圖8　斜探頭一次反射波管道側(cè)軸向掃查

2.5　焊接見證件制作

閥門與超級管道焊接時，要在同樣的環(huán)境條件下同時進行焊接見證件的制作。焊接見證件所用母材材質(zhì)、規(guī)格、焊材、坡口加工形式等應與實際產(chǎn)品保持一致，并應滿足焊接參數(shù)及焊后熱處理的相關(guān)要求。在相應的無損檢驗完成后，依照理化性能試驗取樣示意圖進行取樣，分別制取縱向拉伸試驗、橫向拉伸試驗、側(cè)彎試驗、焊縫金屬沖擊試驗、熱影響區(qū)沖擊試驗、母材金屬沖擊試驗、金相檢驗、硬度檢驗和化學分析試驗的試樣等，具體的取樣位置及數(shù)量如表4所示，要求試驗結(jié)果合格。

表4　理化試驗取樣表

3 結(jié)論

對于主蒸汽隔離閥閥體端部內(nèi)外徑尺寸超差，采用“加工閥體內(nèi)徑至與超級管道內(nèi)徑一致，使閥門與管道內(nèi)表面無錯邊組對焊接，閥體與超級管道的外表面采用平滑過渡焊接”的處理方案，針對此方案，從對閥門整體結(jié)構(gòu)和功能的影響、閥體端部NCR區(qū)域力學分析、現(xiàn)場焊接工藝和無損檢驗的可實施性等角度進行了分析。分析結(jié)果表明，目前采取的處理方案合理可行，制造和現(xiàn)場安裝過程中應加強質(zhì)量管理。閥門與超級管道的坡口檢驗、焊接以及無損檢驗要嚴格按照技術(shù)規(guī)格書及相關(guān)標準規(guī)程的要求進行，對于無損檢驗人員和焊接人員應按照中華人民共和國國務院令第500號《民用核安全設(shè)備監(jiān)督管理條例》《民用核安全設(shè)備焊接人員資格管理規(guī)定》和《民用核安全設(shè)備無損檢驗人員資格管理規(guī)定》[4-6]的要求，取得相應的資格證書后方可進行。

［1］ 李玉紅，張楠．“華龍一號”主蒸汽隔離閥定期試驗功能研究與設(shè)計［J］．自動化儀表，2018，39（9）：63-67.

［2］ 梁云，李遵柱．“華龍一號”主蒸汽隔離閥結(jié)構(gòu)特點及原理分析［J］．研究與探討，2020（1）：46-50.

［3］ 法國核島設(shè)備設(shè)計、建造及在役檢查規(guī)則協(xié)會.RCC-M壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則［S］．中科華核電技術(shù)研究院有限公司譯．上海：上?？茖W技術(shù)文獻出版社，2010.

［4］ 中華人民共和國國務院．民用核安全設(shè)備監(jiān)督管理條例（中華人民共和國國務院令第500號）［Z］．北京：中華人民共和國國務院，2007.

［5］ 中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部．民用核安全設(shè)備焊接人員資格管理規(guī)定（生態(tài)環(huán)境部令第5號）［Z］．北京：生態(tài)環(huán)境部，2019.

［6］ 中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部．民用核安全設(shè)備無損檢驗人員資格管理規(guī)定（生態(tài)環(huán)境部令第6號）［Z］．北京：生態(tài)環(huán)境部，2019.

Study on the Corrective Action to Dimension Deviation in the Body Castings of HPR1000 MSIV

WEI Dong，ZHANG Lingyu，CHEN Yiwei，ZHANG Yue，WANG Yan，LI Haitao*，LI Yazhen

（Nuclear and Radiation Safety Center，MEE，Beijing 100082，China）

To deal with the non-conformance of dimension deviation that the inside/outside radius of the inlet and outlet not meeting the specification in the body castings of main steam isolation valve in some nuclear power plant, the corrective action of “transition welding between outside surfaces of MSIV and pipe” is proposed. As to this corrective action, analyses including the overall MSIV structure and function and stress analysis of the deviation area in the butt-weld ends are conducted. Then, to the special welding between the butt of the MSIV and the pipe, the bevel of valve is the same as the pipe side within the current thickness, while the slope of external surface after transition welding is less than 1:4. In addition, a complete set of NDT scheme is determined, including NDT for the groove of the valve butt and pipe before, during and after the transition welding. In the meantime, the production weld test coupon is made simultaneously, and the physical and chemical inspection should be carried out so as to verify whether the performance of the weld meets the requirements of technical specifications.

Main steam isolation valve (MSIV)；Non-conformance；Transition welding；NDT；Weld test coupon

TL148

A

0258-0918（2022）06-1325-06

2021-08-31

衛(wèi) 東（1986—），女，山西運城人，高級工程師，碩士，現(xiàn)主要從事核安全設(shè)備技術(shù)審評機關(guān)研究

李海濤，E-mail：seawave008@163.com