壓水堆核電站主回路安裝設計改進

王 恒，于 堅

（中國核電工程有限公司，北京100840）

反應堆冷卻劑系統（RCP系統）是壓水堆核電站的核心。壓水堆核電站反應堆冷卻劑系統通常由反應堆壓力容器、蒸汽發生器、主泵、主管道熱段、主管道冷段以及主管道過渡段等設備部件連接組成一個封閉的回路，稱為主回路，如圖1和圖2所示。反應堆冷卻劑系統主回路的安裝技術要求高、施工難度大、受影響因素多，在壓水堆核電站建造過程中占據關鍵路徑，因此，反應堆冷卻劑系統主回路的安裝是核電廠保質按期完成建造過程中十分重要的一環。本文提出了一種基于現有技術的反應堆冷卻劑系統主回路安裝設計改進方案，希望能起到促進工程建造水平提高的作用。

圖1 反應堆冷卻劑系統主回路的一個環路示意圖Fig.1 Sketch of one primary loop of the reactor coolant system

圖2 反應堆冷卻劑系統主回路的一個環路過渡段示意圖Fig.2 Sketch of the transition leg of one primary loop of the reactor coolant system

1 現有技術分析

1.1 現有技術

根據參考文獻[1-2]的描述，反應堆冷卻劑系統主回路的現場安裝焊縫共計8個，具體見表1。主回路的安裝步驟為：

1）將主管道熱段、主管道冷段和主管道過渡段分別運入主管道房間，其中主管道熱段一端與蒸汽發生器相連的部位為主管道熱段彎頭，主管道過渡段由三段組成，其中與蒸汽發生器相連的部位為主管道過渡段彎頭。

表1 主設備與主管道之間焊縫匯總Table1 Weld seam summary between main component and main pipe

2）反應堆壓力容器、蒸汽發生器和主泵分別就位。

3）分別組對焊接蒸汽發生器與主管道熱段彎頭之間的焊縫、反應堆壓力容器與主管道冷段之間的焊縫。

4）分別組對焊接反應堆壓力容器與主管道熱段之間的焊縫、主泵與主管道冷段之間的焊縫。

5）組對焊接蒸汽發生器與主管道過渡段彎頭之間的焊縫，該步驟也可在步驟3）之前、步驟2）之后進行。

6）分別組對焊接主管道過渡段彎頭和主管道過渡段之間的焊縫、主管道過渡段中部的焊縫和主管道過渡段與主泵之間的焊縫，完成壓水堆核電站反應堆冷卻劑系統主回路一個環路的安裝。

1.2 現有技術中的問題

1）由于蒸汽發生器支腿之間的空間較小，對蒸汽發生器和主管道熱段之間的焊縫以及蒸汽發生器和主管道過渡段的過渡段彎頭之間的焊縫來說，組對焊接的空間狹小，安裝施工條件較差，對施工人員技能要求較高。

2）蒸汽發生器和主管道熱段之間的焊縫組對要同時兼顧反應堆壓力容器與主管道熱段之間的焊縫組對，由于彎頭角度和制造公差等原因難度較大。當焊接采用自動焊技術要求更加嚴格的組對參數時（例如要求坡口組對后鈍邊間隙為0～1 mm），這點更為突出。

3）為了避免焊接應力和變形對反應堆壓力容器、蒸汽發生器的安裝造成不利影響，蒸汽發生器與主管道熱段之間的焊縫和反應堆壓力容器與主管道熱段之間的焊縫不能同時組對焊接，一般需要先對蒸汽發生器與主管道熱段之間的焊縫組對焊接，再對反應堆壓力容器與主管道熱段之間的焊縫組對焊接，如此工序安排導致效率較低，施工工程量較大，工期較長。

2 改進的安裝技術

圖3 下封頭焊接連接了鍛造彎頭的蒸汽發生器Fig.3 The steam generator welded with the elbow in lower head

本文提出的反應堆冷卻劑系統主回路安裝改進技術是基于蒸汽發生器在制造廠完工出廠時其下封頭一回路管嘴處焊接連接了鍛造彎頭來實現的（見圖3）。改進后，原蒸汽發生器與主管道熱段、主管道過渡段之間的兩個焊縫由現場焊接改為在蒸汽發生器制造廠內焊接，并減去安全端及一條與之相連的焊縫。另外，在壓水堆核電站反應堆冷卻劑系統的主管道安裝時，其中需要在現場焊接的主管道熱段變為直管，主管道過渡段在減去原主管道過渡段彎頭后由剩余的兩段管道組成，主管道冷段沒有變化。

采用上述蒸汽發生器和主管道的壓水堆核電站反應堆冷卻劑系統主回路環路的安裝步驟如下：

1）主管道熱段、主管道冷段和主管道過渡段分別運入主管道房間就位。

2）反應堆壓力容器、蒸汽發生器和主泵分別就位。

3）分別組對焊接蒸汽發生器下部的主管道熱段彎頭與主管道熱段之間的焊縫、反應堆壓力容器與主管道熱段之間的焊縫。此步驟中的兩個焊縫可同時組對焊接。

4）分別組對焊接反應堆壓力容器與主管道冷段彎頭之間的焊縫、主泵與主管道冷段直管之間的焊縫，焊接順序同現有的安裝技術。

5）分別組對焊接蒸汽發生器下部的主管道過渡段彎頭與主管道過渡段垂直調整段之間的焊縫、主管道過渡段水平調整段與主管道過渡段垂直調整段之間的焊縫、過渡段水平調整段與主泵之間的焊縫，焊接順序同現有的安裝技術，完成壓水堆核電站反應堆冷卻劑系統主回路一個環路的安裝。

3 改進技術的優點分析

通過對改進技術和現有技術的比較，可以看出，改進技術有很多優點。

1）由于蒸汽發生器支腿之間的空間較小，對蒸汽發生器和主管道熱段彎頭之間的焊縫以及蒸汽發生器和主管道過渡段彎頭之間的焊縫來說，組對焊接的空間狹小，安裝施工條件較差，對施工人員技能要求較高。同時，蒸汽發生器和主管道熱段之間的焊縫組對，由于彎頭角度和制造公差等原因難度較大。改進后蒸汽發生器出廠時下封頭一回路管嘴分別焊接連接了主管道熱段彎頭和主管道過渡段彎頭，使得原蒸汽發生器與主管道熱段、主管道過渡段之間的兩個焊縫由現場安裝焊接改為在蒸汽發生器制造廠焊接，避免了現場安裝空間狹窄和彎頭角度帶來的不便，有利于更好地控制和保證這兩個焊縫的組對和焊接質量。

2）由于蒸汽發生器和主管道構成上的改變，使得核電廠壓水堆冷卻劑系統主回路一個環路的現場安裝中減少了原蒸汽發生器與主管道過渡段彎頭之間的焊縫，多個環路的安裝能減少多個焊縫的現場安裝組對焊接工作量，有利于減少安裝時間，壓縮安裝工期。

雖然這樣做理論上蒸汽發生器制造時的工作量和工期有所增加，但這可以通過適當提前采購時點或合理安排工序予以抵消。從以往工程建造經驗看，工期呈現的常常是前松后緊的不平衡特征，因此適當增加前期采購制造的工作量也有利于改變這種失衡狀態。

3）現場安裝中原帶彎頭的主管道熱段改成直管狀態的主管道熱段后，主管道熱段與蒸汽發生器之間的焊縫周圍空間較為寬闊，與改進前處于蒸汽發生器支腿之間空間狹窄的狀況相比，安裝焊接操作條件更好，另外，焊縫由彎管組對改為直管組對更簡易，如前所述，當焊接采用自動焊技術要求更加嚴格的組對參數時（例如要求坡口組對后鈍邊間隙為0～1 mm），其優勢更為突出。因此有利于提高焊接質量，減少安裝時間。

4）原有技術中，為了避免焊接應力和變形對反應堆壓力容器、蒸汽發生器的安裝造成不利影響，蒸汽發生器與主管道熱段之間的焊縫和反應堆壓力容器與主管道熱段之間的焊縫不能同時組對焊接，一般需要先對蒸汽發生器與主管道熱段之間的焊縫組對焊接，再對反應堆壓力容器與主管道熱段之間的焊縫組對焊接，效率較低，工期較長。現場安裝中原帶彎頭的主管道熱段改成直管狀態的主管道熱段后，在現場施工條件許可和施工人員足夠的情況下，主管道熱段與蒸汽發生器下部主管道熱段彎頭之間的焊縫和主管道熱段與反應堆壓力容器之間的焊縫能夠實現同時組對焊接，在提高工作效率的同時還可避免焊接應力和變形對主回路設備安裝的不利影響。

5）原有技術中主管道彎頭均為靜態鑄造，其鑄態組織存在樹枝晶，而且有一定的微觀成分偏析，從實際生產反饋看，靜態鑄造生產中產生缺陷較多，常常需要進行缺陷挖除補焊工作，彎頭質量水平偏低，從核電廠延壽角度看是不利的。主管道熱段彎頭和主管道過渡段彎頭采用鍛件后，鍛態是等軸晶，沿不同方向的力學性能都是均勻的。同時，鑄錠經過鍛造后，在足夠的變形程度下，可將鑄錠中粗大的鑄造組織打碎，分散其非金屬夾雜及異相質點。在正確選擇變形方案的條件下，可使鍛件的金屬纖維在其截面上有正確的分布。在較好的應力狀態和一定的變形量下，可鍛合其內部缺陷，提高金屬的致密性[3]。

6）改進后的蒸汽發生器出廠時下封頭一回路管嘴處焊接連接了彎頭，下封頭一回路管嘴部位可采用蒸汽發生器管嘴-焊縫-彎頭結構，與現有的蒸汽發生器下封頭一回路管嘴部位結構蒸汽發生器管嘴-焊縫-安全端-焊縫-彎頭相比，蒸汽發生器下封頭一回路管嘴部位結構減少了“安全端-焊縫”，因此制造時可減少相關材料、人工等費用。以百萬千瓦級核電機組為例，通常一個機組有3臺蒸汽發生器，則每臺蒸汽發生器減少2個安全端和2個焊縫，3臺蒸汽發生器可減少6個安全端和6個焊縫的相關材料、人工等費用。

7）現有蒸汽發生器制造完工出廠時其下封頭一回路管嘴處焊有安全端，在現場安裝與主管道完成焊接后，該部位結構為蒸汽發生器管嘴-焊縫-安全端-焊縫-彎頭。當核電廠建造完成投入運行后需定期進行在役檢查，該部位的兩條焊縫均需進行射線檢查。改進后的蒸汽發生器在核電廠建造完成投入運行后需定期進行在役檢查，該部位由原來的需對兩條焊縫進行射線檢查改為僅需對一條焊縫進行射線檢查，相應減少了相關人力、設備投入和工作量，并有利于縮短核電廠檢修工期及提高核電廠經濟效益。以百萬千瓦級核電機組為例，通常一個機組有3臺蒸汽發生器，則每臺蒸汽發生器減少2個焊縫的在役檢查工作量，3臺蒸汽發生器可減少6個焊縫的在役檢查工作量。

4 結束語

改進后蒸汽發生器的重量和尺寸有少量增加，需要在制造、運輸和引入反應堆廠房吊裝環節做相應調整或改動，特別是對蒸汽發生器在反應堆廠房內的引入、翻轉方面要進行深入分析，從國內外有關大件吊裝翻轉的實踐看，總體上技術是可行的，可以開展針對性研究予以解決。

本文基于現有技術分析提出的反應堆冷卻劑系統主回路安裝設計改進方案雖然貌似簡單，但預期改進后可帶來顯著的技術和經濟效益，建議在后續核電項目或新型核電廠開發中考慮應用。

[1]蒲小芬，王儉. 秦山核電二期工程主管道的設計和安裝[J]. 核動力工程，2003，(2):185-187.（PU Xiao-feng, WANG Jian. Design and erection for the main pipe of Qinshan II [J]. Nuclear Power Engineering,2003,(2):185-187.）

[2]劉新利. 核電站反應堆冷卻劑系統主管道安裝焊接[J]. 中國核電，2011，(1)：60-67.（LIU Xinli. Erection and welding for the main pipe of nuclear power plant reactor coolant system [J].China Nuclear Power,2011, (1)：60-67.）

[3]陳詩蓀. 合金鋼鍛造[M]. 北京：國防工業出版社，1984.（CHEN Shi-sun. Forging of alloy steel[M]. Beijing: Defense Industry Press,1984.）