壓水堆核電站主冷卻劑管道安裝變形控制

郭強

【摘 要】壓水堆核電站反應堆主冷卻劑管道為大直徑，大壁厚管道，簡稱：主管道。主管道管段與設(shè)備、管段與管段之間采用焊接的形式連接，由于焊縫在焊接過程中存在顯著的收縮變形，單個焊縫的焊接收縮量大約為9mm左右，因此焊接收縮變形對主管道位置、主管道連接主設(shè)備的相對位置都將產(chǎn)生很大影響。因此主管道安裝必須考慮焊縫收縮的因素，合理消化焊縫收縮產(chǎn)生的變形是主管道安裝的重點。如何保證主設(shè)備相對位置的形位公差控制以及采用什么樣的控制方法是本文討論的重點。本文以CPR1000堆型壓水堆核電站主管道安裝為依據(jù)進行分析總結(jié)出了大壁厚管道安裝的通用方法，為主管道或者其它相關(guān)項目大壁厚管道安裝施工提供借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】主管道；焊縫收縮；組對；反變形控制；過程監(jiān)控；環(huán)路幾何尺寸

0 引言

在壓水堆核電站建造過程中，主管道作為主系統(tǒng)重要設(shè)備，在施工邏輯上制約著其他主設(shè)備和材料的安裝工作，如：SG腔室大宗材料的安裝、反應堆堆芯設(shè)備的安裝等。在施工質(zhì)量上，主管道安裝同樣也影響著SG以及主泵相關(guān)設(shè)備的安裝。尤其是在CPR1000堆型中，主管道焊接過程中，主管道的中心位置控制、SG以及主泵泵殼中心位置的控制以及主泵泵殼水力部件密封面的水平度等參數(shù)都受主管道焊接的影響。在主管道安裝過程中如何控制主管道位置以及主管道連接的主設(shè)備相對位置，是保證主管道能夠順利安裝的關(guān)鍵，同時也是保證其它主設(shè)備安裝質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 主管道簡介

壓水堆核電站主系統(tǒng)連接反應堆壓力容器RV、蒸汽發(fā)生器SG及主泵的管道稱為主冷卻劑管道，簡稱：主管道。在系統(tǒng)運行時，主泵轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的動力，帶動一回路的高壓冷卻劑流動，冷卻劑將反應堆堆芯核燃料裂變產(chǎn)生的熱量，經(jīng)過主管道熱段傳遞給SG，在SG內(nèi)，一回路冷卻劑將熱量傳遞給二回路系統(tǒng)，然后冷卻劑再從主管道過渡段返回主泵進行重復循環(huán)。

CPR1000堆型核電站，單臺機組有3個相同的主管道環(huán)路，每個環(huán)路現(xiàn)場安裝焊口8條。主管道外徑900mm左右，壁厚70～100mm。每個環(huán)路由1根連接RV和SG的熱段、1根連接RV和主泵的冷段、3根連接SG和主泵的過渡段組成。

2 主管道現(xiàn)場安裝相關(guān)技術(shù)要求

1）坡口組對要求：

手工焊：組對間隙1～4mm；坡口內(nèi)錯邊量小于0.5mm。

自動焊：組對間隙小于1mm；坡口內(nèi)錯邊量小于1.5mm。

2）環(huán)路焊接后，保證主設(shè)備相對位置關(guān)系如下：

RV中心到SG中心距離10500±17mm

RV中心到主泵中心距離11327±20mm

主泵中心到SG中心距離5749±10mm

同時，SG垂直度以及主泵泵殼水平度均應滿足相應技術(shù)要求。

3 主管道各焊口的焊接順序

主管道熱段：C4 → C1；主管道冷段：F4 → F1；主管道過渡段：U1 → U4 → U2和U6同時焊接。

當SG具備條件后，可開啟40°彎頭U1口焊接工作。主管道冷熱段先后順序無關(guān)，可分別或同時開展工作。冷熱段焊接完成后，進行過渡段的安裝焊接。

4 主管道焊接變形的分析

4.1 單個焊口的焊縫收縮量

在主管道焊縫組對點固后，在遠離焊縫熱影響區(qū)位置，管段的0°、90°、180°、270°方向上使用樣沖打出4對監(jiān)控點，用于監(jiān)控焊接過程中的焊縫收縮量。

通過分析主管道工藝評定以及某核電主管道焊縫收縮監(jiān)控數(shù)據(jù)（見圖2），可以得出焊縫收縮量約9mm左右。根據(jù)焊縫收縮量統(tǒng)計圖可以看出，焊縫收縮主要集中在50%焊縫厚度之前，收縮量約為8mm，50%之后收縮量較小，只有1.0mm左右。

4.2 管段整體擺動變形的分析

由于彎頭的存在，焊接過程中管道將沿著焊口中心軸線方向移動，沿軸線方向移動的位移等于這道焊縫的收縮量，因此在位置度要求高的管道安裝過程中必須考慮管道沿著焊縫中心軸線方向的收縮位移。

另外焊縫焊接過程中，可能存在焊縫熱輸入的不對稱，導致焊縫周向收縮不均勻，如在管段的90°、180°方向收縮如果不均。將導致管道另一端擺動的位移明顯，即：管段整體的擺動變形被放大，放大倍數(shù)為管段長度與管口半徑的比值。

所以焊接過程中，雖然焊縫的不均勻收縮差值很小，但是導致的管段整體擺動的位移會很大，尤其是焊縫厚度50%之前，因此焊接過程中必須嚴格監(jiān)控管段的擺動。

5 主管道安裝變形控制方案

針對主管道焊縫的焊縫收縮會對管道位置以及管道連接的設(shè)備位置產(chǎn)生巨大影響的問題，制定了主管道安裝反變形控制與焊接過程監(jiān)控相結(jié)合的方案。

5.1 主管道安裝反變形控制理論

根據(jù)焊縫收縮量統(tǒng)計，管道焊縫收縮基本是沿著管道中心軸線方向收縮，將主管道彎頭處的焊縫收縮產(chǎn)生的變形，進行位移分配如下：（見圖3）

1）主管道冷段：

CPR1000堆型主管道冷段RV側(cè)的為彎頭角度為28.37°。

焊縫F4沿軸向的焊縫收縮量為a（a取9mm），彎頭角度28.37°。

根據(jù)位移矢量合成原理，沿直管段軸線方向的位移為b：

b=a×cos28.37°=7.9mm；

垂直于直管段軸線方向位移為c：

c= a×sin28.37°=4.3mm。

根據(jù)主管道冷段焊后位置需要在冷態(tài)中心線上，所以焊前組對時將主管道冷段直管段中心調(diào)整到距離冷態(tài)線距離為a=4mm左右。

2）主管道熱段

主管道熱段SG側(cè)為向上的50°彎頭，因此要考慮50°彎頭焊縫收縮產(chǎn)生的管段向上的位移，計算方法同冷段彎頭，同時又考慮由于管段重力對管道收縮位移的影響。因此在主管道熱段50°彎頭與SG組對焊接前，將直管段與RV側(cè)組對時向下偏移2mm左右進行反變形控制。（見圖3）

3）過渡段反變形分析

過渡段U2和U4口為現(xiàn)場調(diào)節(jié)焊口，根據(jù)冷熱段焊接完成后設(shè)備和管道位置，計算加工U2和U4焊口，由于U2口和U6口均為水平焊口，焊縫收縮量大致相同，所以在進行U2口余量切割時可不考慮焊縫收縮產(chǎn)生的影響。影響設(shè)備位置的焊縫收縮主要是在U4口，由于U4口焊縫收縮影響U2口和U6口的組對，所以現(xiàn)場采取下述方法安裝過渡段。（見圖1）

組對過程為：將U2口正常組對，并固定U2口下方的SG側(cè)過渡段，保證在焊接U4口時，SG側(cè)過渡段不產(chǎn)生位移，將U4口產(chǎn)生的焊縫收縮量全部留在U6口，即：U6口的錯邊情況是沿過渡段軸線向泵殼側(cè)方向錯邊約等于U4口的焊縫收縮量（考慮現(xiàn)場焊縫收縮過程中過渡段存在各種不可消除的阻力，當U4口焊接至50%左右，U6焊口對正滿足焊接要求后停止U4焊接，同時啟動U2和U6的焊接工作。）

當U2、U6焊口焊至50%以上，可根據(jù)實際情況同時或分別將U2、U4、U6焊口焊滿至100%。

5.2 焊接過程中監(jiān)控

采用反變形措施的同時還要時刻監(jiān)控各參數(shù)，保證管道位置的擺動趨勢按照設(shè)定方向變化，CPR1000堆型主管道焊接過程中監(jiān)控方法如下：

1）40°彎頭U1口施焊時，監(jiān)控40°彎頭的下端U2口水平狀態(tài)；

2）冷段F4焊口焊接時，監(jiān)控F1口的錯邊情況，當焊接F1口時監(jiān)控主泵泵殼上表面的水平度及泵殼與垂直支承墊鐵間隙；

3）熱段C4口焊接時，監(jiān)控C1口錯邊情況，當焊接C1口時，監(jiān)控SG垂直度以及SG中心位置；

4）過渡段U6口焊接過程中，監(jiān)控泵殼上表面的水平度及泵殼與垂直支承墊鐵間隙。

通過反變形控制以及過程監(jiān)控的方法進行主管道焊接的變形控制時，必須保證管段能夠自由移動，因此可以借助工裝，保證管段在水平方向上能夠自由移動。

如果變化趨勢未按照預先設(shè)定方向變化，要及時通過調(diào)整焊接起弧及收弧位置等來進行修正，如：手工焊接，采取雙人對稱焊接的措施，控制起弧點和焊接速度，在對稱方向上使主管道盡可能均勻收縮。

6 總結(jié)

類似于主管道這類的大壁厚、大管徑的管道，由于焊縫收縮量大，必須結(jié)合實際安裝情況，采用反變形控制的方式進行安裝焊接。

在焊接時，需要先焊接彎頭側(cè)焊縫，當彎頭側(cè)焊縫焊接到一定厚度，收縮不明顯后，再進行直管段端焊縫的焊接。

管道焊接過程中嚴格監(jiān)控，保證管道移動趨勢合理。

在后續(xù)的核電項目，雖然堆型可能不一樣，主管安裝反變形控制、監(jiān)控方法也會不一樣，但是萬變不離其宗，主要抓住變形原理進行突破，就會迎刃而解。

[責任編輯：朱麗娜]