“華龍一號”余熱排出熱交換器制造工藝及質量控制

趙建宇 張 勇 陳曉霞 李 偉

（1.哈電集團（秦皇島）重型裝備有限公司；2.中國核電工程有限公司河北分公司；3.中國核電工程有限公司）

余熱排出熱交換器是“華龍一號”核電機組余熱排出系統(tǒng)（RHR）的主要設備之一。 屬核安全2級、RCC-M規(guī)范2級設備［1］。 其主要功能是：在電廠停堆期間，將從堆芯和反應堆冷卻劑系統(tǒng)排出的熱量傳遞給設備冷卻水系統(tǒng)，使反應堆冷卻劑溫度降至并維持冷停堆值，以進行換料、維修等操作。 筆者重點介紹了余熱排出核級熱交換器關鍵制造工藝，并提出質量控制要點。

1 換熱器結構特點和規(guī)格參數(shù)

余熱排出熱交換器為臥式管殼式列管熱交換器，主要由殼體組件、管束組件、入口/出口水室組件、支座組件組成。 設備外形及尺寸如圖1所示。

圖1 換熱器外形結構示意

設備設計壽命40年， 按照RCC-M規(guī)范設計和制造。設備級別、設計參數(shù)列于表1、2。因為管側為帶有放射性的冷卻劑， 所以該設備較常規(guī)熱交換器安全級別高，質量要求嚴，需要對常規(guī)換熱器工藝方法進行升級， 實施更嚴格的質量管理。

表1 設備分級

表2 設備設計參數(shù)

2 關鍵工藝及控制措施

2.1 不銹鋼管板深孔加工

2.1.1 技術難點

該換熱器管板材質為022Cr19Ni10鍛件，孔區(qū)有效厚度200 mm，共有1 100個φ16.2 mm的管孔，呈三角形排布（圖2）。 孔徑公差±0.05 mm、垂直度0.15 mm、最小孔橋4.8 mm。 因不銹鋼材質具有切削變形大、加工硬化嚴重、導熱性能差、切削溫度高及刀具磨損嚴重等加工難點［2，3］，故打孔精度不易控制。

圖2 管板結構尺寸及管孔排布

2.1.2 工藝措施

同時針對選定的鉆頭， 匹配不同的進給量、轉速等切削參數(shù)進行試驗，綜合考慮孔的表面質量、斷屑情況、孔徑尺寸及加工效率等因素，確定了轉速1 050 r/min、 進給量55 mm/min的切削參數(shù)。 基于試驗數(shù)據(jù)，每支鉆頭打孔數(shù)量不超過18個。 最終管板孔各項指標均滿足設計要求。

2.2 拘束態(tài)支座裝焊變形控制

2.2.1 技術難點

余熱排出熱交換器有兩個支座，均采用雙立板拘束結構，由厚度為30 mm和50 mm的Q345B鋼板拼焊而成，焊腳尺寸為30 mm，如圖3所示。因為熔覆金屬量大、熱輸入量大，導致焊接變形大。 按照制造工藝順序，支座拼焊后、與筒身焊接前，需要進行消應力熱處理，支座變形控制是最大的難點。

圖3 支座結構

2.2.2 工藝措施

首先，根據(jù)支座的結構特點，設計了從內向外的組裝順序（圖4），以保證焊接操作的可達性。其次，采用了如下措施減小焊接變形：焊接時，將兩個支座背靠背固定，待消應力后再拆除；支座底板厚度留出余量，待兩個支座拆分后對底板進行二次機加工，保證平面度。 通過上述措施，支座底板變形量最大6 mm，變形控制達到預期。

圖4 支座裝焊工藝順序

2.3 不銹鋼水室組件焊接變形控制

2.3.1 技術難點

她要嫁給他，他說，不行，你有丈夫。她說，我要跟你走，不管你到哪，我都跟著。他說，不行，我身邊不能帶著女人。他又說，其實，我們不是朋友，是敵人。

入口/出口水室組件均為022Cr19Ni10不銹鋼鍛件，結構尺寸如圖5所示。 筒身和封頭開孔直徑大、焊縫厚度大且不銹鋼導熱系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)大，故焊接變形控制是制造工藝的關鍵［4,5］。

圖5 水室組件結構尺寸

2.3.2 工藝措施

防變形措施為：首先焊接封頭與筒體，增強組件的剛性， 并將進/出口水室組件連接固定，使用滾輪架，實現(xiàn)TIG自動焊，減小熱輸入；其次焊接接管與筒體、接管與封頭，均在筒體內部的焊縫邊緣使用環(huán)形鋼板進行剛性支撐，并在焊接過程使用去離子水對金屬表面進行冷卻，減小熱量在組件上的積聚；最后，在接管端部留有余量，待完成焊接后進行二次加工， 保證接管定位尺寸。從實際控制效果看，封頭接管焊后下沉量在4～6 mm之間、筒體接管下沉量不超過5 mm，余量可保守按10 mm留取。

2.4 管束組裝工藝

2.4.1 技術難點

管束組件是屏蔽傳熱管內流體放射性的一道屏障，其結構如圖6所示，由10塊支撐板、9塊折流板組成，折流板和支撐板通過外邊緣的10塊旁路擋板和內部的12支拉桿連接固定。 因為支撐板、折流板與殼側筒體內壁間隙?。? mm），所以管束組裝工藝的關鍵是控制組件的直線度、折流板和支撐板的安裝精度，進而保證傳熱管的穿裝質量和管束組件與殼體的安全套裝，保證傳熱管束的完整性和對管內流體放射性的有效屏蔽。

圖6 管板拉桿組件結構

2.4.2 工藝措施

2.5 傳熱管與管板脹焊

2.5.1 技術難點

余熱排出熱交換器共有1 100支傳熱管，管子規(guī) 格 為φ16 mm×1.2 mm， 材 質 與 管 板 同 為022Cr19Ni10，脹焊結構如圖7所示，管端坡口填絲焊接后進行全深度液壓脹接。

圖7 傳熱管與管板脹焊結構

脹焊接頭性能要求見表3。 開發(fā)可靠的脹接和焊接工藝參數(shù)，保持大面積重復操作的質量穩(wěn)定，是該項技術實施和質量控制的關鍵［6］。

表3 接頭性能要求

2.5.2 工藝措施

傳熱管與管板采用先焊后脹的工藝方法。 針對管端內縮的坡口形式， 開發(fā)φ1.0 mm焊絲自動鎢極氬弧焊工藝。 管子、管板、焊縫宏觀形貌和產(chǎn)品焊接如圖8所示， 工藝試驗測量焊喉尺寸均大 于1.2 mm，產(chǎn)品焊后PT均無顯示。

圖8 管子管板焊接接頭宏觀形貌及產(chǎn)品焊接

傳熱管與管板采用全深度液壓脹接工藝。 工藝試驗獲得的拉脫力隨脹接壓力的變化如圖9所示。 當脹接壓力達到200 MPa時，拉脫力已滿足設計要求。 但測量壁厚減薄量發(fā)現(xiàn)，不能全部滿足減薄0.05～0.10 mm的要求，故保守選用225 MPa的脹接壓力，保壓8 s。

圖9 拉脫力與脹接壓力關系

按照RCC-M F4000進行間隙密封試驗［7］，首先施加5 MPa水壓，再保壓10 min無泄漏，滲透速度為20 mm/min，滿足設計要求。

3 結束語

針對“華龍一號”核電機組余熱排出熱交換器結構復雜、 安全級別高及質量要求嚴等特點，分析了不銹鋼管板深孔加工、拘束狀態(tài)支座焊接變形控制、不銹鋼水室組件焊接變形控制、管束組裝、 傳熱管與管板脹焊等關鍵工藝的技術難點，開發(fā)了相應的工藝措施，并成功應用于國內外4個“華龍一號”核電機組，工藝可靠性和穩(wěn)定性得到了驗證。