AP1000 1#機組反應堆壓力容器腔室的頂法蘭預制技術研究

譚遠紅 鄭文炳

（國核工程有限公司，中國 上海 200233）

0 引言

WEC 設計的AP1000 核電站技術運用了非能動的設計理念和模塊化的施工方法，三門核電一期1# 機組是全球首個AP1000 核電機組。因此，在AP1000 核電站整個建設過程中，沒有成熟的施工技術、管理經驗直接借鑒，需要在施工過程中進行總結，積累實際可行的施工技術，形成一套成熟的施工方法。

反應堆壓力容器腔室頂部法蘭（CA04 頂法蘭）用于安裝反應堆壓力容器支撐，承受反應堆壓力容器的重量。頂法蘭的預制技術要求高，涉及到多種型號的零件板，高密度的焊接，焊接變形控制是整個預制過程中的最大難點。

1 AP1000 壓力容器腔室頂部法蘭介紹

AP1000 核電站的壓力容器腔室頂部法蘭位于11105 房間CA04模塊的頂部，用于安裝壓力容器的支撐，承受反應堆壓力容器的重量。整個結構總量約5.8t，如圖（1）所示，由8 塊板組成，其中4 塊精加工的板面安裝反應堆壓力容器支撐。

頂部法蘭板之間焊接均為碳鋼焊接，總長100m，單條焊縫最長為2144mm，水平度和內切半徑精度要求高。WEC 對頂部法蘭的設計，要求頂法蘭精加工后，WEC 設計變更要求頂部法蘭滿足精加工后水平度不超過0.127mm，厚度和公差滿足，頂法蘭的內切半徑和公差為2590.8mm±3.2mm 并且最終要求頂法蘭與反應堆壓力容器支撐達到75%接觸面。

頂法蘭預制工作的完成是精加工工作的前提，預制的好壞直接決定著精加工后，能否滿足設計要求。本文吸取頂部法蘭預制模擬件試驗工程經驗、合理簡化法蘭板設計和優化焊接方案，基于三門核電1#機組反應堆壓力容器安裝工作，研究頂法蘭的預制技術，并最終給出一套AP1000 反應堆壓力容器腔室頂部法蘭的預制方法。

2 頂部法蘭預制技術

2.1 頂法蘭預制模擬件試驗

2.1.1 模擬件的結構參數

表1 頂法蘭預制模擬件的零部件

考慮到壓力容器腔室頂部法蘭焊接工作量大，焊縫密集，平面度和內切半徑精度要求高的特點，制作了一個頂法蘭模擬件，模擬整個預制過程，驗證有關組裝焊接工藝。各型號零部件如表1 所示。圖2 和圖3 分別是頂法蘭預制模擬件的組裝圖和主焊縫位置圖。

3.1.2 模擬件的測量控制點位

模擬件01-01 板，01-02 板，01-03 板和01-04 板分別設置63 個水平度測量點位，05-01 板，05-02 板，05-03 板和05-04 板分別設置25 個水平度測量點位，測量點具體位置參見圖4。模擬件共設置16 個內切半徑測量點位，測量點具體位置參見圖5。

3.1.3 模擬件的工程經驗

從頂部法蘭預制模擬件的試驗，可以分析出：頂法蘭板的主焊縫焊接前和焊接后，水平度和內切半徑受焊接影響變形較大。圖6 顯示，主焊縫焊接后的水平度比焊接前的水平度平均增大了4.0mm～6.0mm；圖7 顯示，主焊縫焊接后的內切半徑比焊接前的內切半徑平均縮小了2.5mm。

3.2 1# 頂法蘭預制

3.2.1 簡化頂法蘭設計

基于頂法蘭預制模擬件的工程經驗，當8 條主焊縫焊接完成后，頂法蘭焊接變形較大，其中水平度平均增大了4.0mm～6.0mm，內切半徑平均收縮了2.5mm 左右。為了有效地控制主焊縫焊接引起的變形，WEC 將原先的8 塊法蘭板設計變更為4 塊板設計，如圖8 所示。法蘭板的主焊縫數目減少到了4 條，不僅有效地減小了法蘭板的主焊縫焊接變形量，而且減少了焊接工作量，縮短了工期。

3.2.2 零部件下料

頂法蘭原材料采用厚度為44.5mm 的ASTM A36，精加工區域總面積達到5.6m2。頂法蘭組成構件，如圖9 所示。主要包括有4 塊厚度為44.5mm 的①頂法蘭板，40 塊厚度為38.1mm 的②零件板、8 塊厚度為38.1mm 的③零件板和4 塊厚度為12.7mm 的⑥零件板。參見表2零部件的結構參數。

表2 1# 頂法蘭預制的零部件

3.2.3 1# 頂法蘭測量控制點位

1#頂法蘭01板，02板，03板和04板分別設置93個水平度測量點位，測量點具體位置參見圖10。1# 頂法蘭共設置16 個內切半徑測量點位，測量點具體位置參見圖11。

3.2.4 優化②和③板焊接方案

考慮到①法蘭板之間主焊縫焊接后，再進行①法蘭板與③零件板之間的焊接，將會對整個法蘭變形產生重要影響，導致最終焊接完成后平面度和外觀尺寸達不到機加工要求。因此，將4 根③零件板分割成長度為413mm，1362mm 和413mm 三部分。在①法蘭板的主焊縫焊接前，完成長度為1362mm 的③零件板與法蘭板的焊接，主焊縫焊接后，再完成兩段長度為413mm 的③零件板與法蘭板的焊接。為了最大限度地降低因焊接零件板對法蘭板的收縮變形影響，重新調整法蘭結構的焊接順序。首先焊接③零件板，再焊接②零件板，后進行法蘭板之間的組對和焊接，最后再將其余4 塊跨焊縫的③零件板與法蘭板分段焊接。

在焊接法欄板背部的②和③零件板之前，首先對焊縫進行預熱處理（預熱溫度低于200F）。法蘭板的主焊縫焊接為4 條焊縫同時施焊，預熱溫度控制在300F，焊道層見溫度控制在550F。

3.2.5 1# 頂法蘭預制過程測量點數據分析

法蘭板拼裝及調整后的水平度為1.5mm，平均內切半徑偏差為2.0mm，表明優化的②和③零件板焊接方案有效地控制了焊接變形。

考慮到主焊縫焊接后主焊縫位置會冷卻收縮，因此在主焊縫焊接前，將法蘭中心至①板的內徑調整為2593.0mm，提前預留焊縫收縮量2mm。

主焊縫處高溫影響，焊接后的頂法蘭面水平度比焊接前高了0.5mm～1.0mm，內徑收縮了2.0～3.0mm，滿足頂部法蘭預制技術要求。

圖12/13 為頂部法蘭預制完成后，最終整體水平度和外型尺寸測量數據圖。水平度控制在0.0mm～5.0mm，內徑偏差控制在-2.5mm～1.0mm 之間，滿足反應堆腔室頂部法蘭的預制技術要求。

4 結論

1）頂法蘭預制模擬試驗的8 條主焊縫焊接后，內切半徑冷卻收縮量為2.0mm，給1# 頂法蘭預制提供了參考。

2）簡化了頂法蘭的設計，主焊縫從8 條減到4 條，不僅減少了頂法蘭的焊接變形量，而且減少了焊接工作量和預制工期。

3）優化了②和③板焊接方案，將③板的焊接拆分為三段，降低了焊接的變形量。

4）結合頂法蘭預制模擬件的工程經驗，簡化后的頂法蘭設計方案和優化的②、③零件板焊接方案，總結出了一套切實可行的、成熟的頂法蘭預制方法，并且通過1# 頂法蘭的預制過程測量數據，進一步驗證了這套頂法蘭的預制方法。

［1］Westinghouse AP1000 Reactor Vessel Support Drawings[Z].Westinghouse&Shawn&SNPEC,2010-3-10.