PRS換熱器的制造難點及原因分析

袁宏 談國偉 何戈寧 李磊 李冬慧

摘 要非能動余熱排出系統是第三代先進壓水反應堆核電廠的特征之一，其作用是利用系統工質的自然循環特性，在不施加外部動力的情況下，在較長的時間內直接或間接地對反應堆堆芯進行冷卻，以保證反應堆的安全。非能動余熱排出系統換熱器（PRS換熱器）是自主三代核電 “華龍一號”機組非能動余熱排出系統中最關鍵的設備，其工作性能及制造質量對非能動余熱排出系統的安全運行有著重要的影響。本文對華龍一號示范工程PRS換熱器制造中出現的問題進行了歸納總結，結合原因分析了PRS換熱器在制造過程中需關注的方向，為華龍一號后續機組PRS換熱器的制造及設計提供參考。

關鍵詞PRS換熱器;制造難點

0 引言

非能動余熱排出系統是為了確保核電安全而特別設置的先進系統，其作用是利用系統工質的自然循環特性，在不施加外部動力的情況下，在較長的時間內直接或間接地對反應堆堆芯進行冷卻，以保證反應堆的安全。在目前的先進反應堆中，各國都非常強調非能動安全概念，絕大部分先進壓水堆都采用了非能動余熱排出系統，以期提高反應堆的固有安全性[1-2]。非能動余熱排出系統成為第三代先進壓水反應堆核電廠的主要特征之一。非能動余熱排出系統換熱器（PRS換熱器）是自主三代核電“華龍一號”機組非能動余熱排出系統中最關鍵的設備，其工作性能及制造質量對非能動余熱排出系統的安全運行有著重要的影響。本文針對制造廠反饋的制造難點進行整合，結合原因分析了PRS換熱器在制造過程中需關注的方向，為后期PRS換熱器的制造及設計提供了一定的參考價值。

1 PRS換熱器簡介

1.1 功能

PRS換熱器的主要功能是在全廠斷電事故疊加輔助給水系統汽動給水泵啟動失效的情況下，以一定的冷卻速率導出堆芯余熱及反應堆冷卻劑系統各設備的顯熱[3]。同時，PRS換熱器也構成二回路壓力邊界的一部分。當系統投入運行時，PRS換熱器管程冷凝水在重力作用下注入蒸汽發生器二次側，并在其中吸收堆芯余熱后變成蒸汽。蒸汽進入PRS換熱器管程，與事故冷卻水箱里的冷卻水進行熱量交換，蒸汽將熱量傳遞給冷卻水后被冷凝為水。冷凝水依靠PRS換熱器與蒸汽發生器水位差，在重力的作用下返回蒸汽發生器二次側，從而完成蒸汽─冷凝水回路的自然循環。

PRS換熱器為C形管熱交換器，管程進口接管連接蒸汽管道，管程出口接管連接凝水管，C形管外是事故冷卻水箱里的水。設備主體材料為低合金鋼和不銹鋼，管板管程布管區以及與事故冷卻水箱里水接觸的表面堆焊奧氏體不銹鋼。

1.2 結構

PRS換熱器主要由上封頭組件、下封頭組件、管板組件、C形傳熱管束、框架及管束支承組件、上部支承組件、下部支承組件、地腳錨固組件組成，見圖1。

2 制造難點及原因分析

2.1 制造難點

2.1.1 框架及管束支承組件

框架及管束支承組件主要由H型鋼、支承梁方管、焊接板、定位板、圓齒支承棒等零部件組成。該組件結構復雜，零部件較多，主要對管束起支承作用。

制造過程中，框架及管束支承組件出現過以下問題：（1）兩個支承釘端部之間的間距尺寸超差;（2）兩個限上約束塊端部之間的間距尺寸超差;（3）H型鋼框架前端16個螺栓連接嵌入塊凸臺面至框架后端H型鋼表面尺寸超差;（4）框架內部管束垂直支承兩板面之間距離超差;（5）支承板上通孔與螺紋支承板的螺紋孔存在錯位;（6）背部框架組件與管束組件框架距離超差。

2.1.2 支承組件

上部支承組件主要由1個上部錨固架、水平限位臂等零部件組成。下部支承組件主要由1個橫梁，2個下部支座、垂直限位臂、滑動支承塊、末端擋板等零部件組成。

制造過程中，支承組件出現過以下問題：（1）上、下部兩個滑動支承塊中心距尺寸超差;（2）下部兩個底板中心間距尺寸超差;（3）筋板1與筋板1之間的間距尺寸存在超差。

2.1.3 管板組件

PRS換熱器有上、下共2個管板組件。這兩個管板組件尺寸一致，在管板高、低位置上分別設有排氣接管、疏水接管。管板與水室封頭焊接構成進、出口水室;管板另一側整體鍛出的凸臺與外伸法蘭焊接，形成與管束支承框架連接的接口;管板周向凸臺與環形支承板焊接，環形支承板與支承筒、安裝環一起構成支承殼組件，給換熱器的封頭端提供支承。

制造過程中，管板組件出現過以下問題：（1）外伸法蘭-管板-環形支承板焊接機加后出現尺寸和平行度偏差;（2）事故冷卻水箱側堆焊層PT檢查時發現三處顯示，平面邊緣局部區域（邊緣至向里6-12mm）平面度超差;（3）二次側鉆孔區域堆焊層尺寸超差。

2.1.4 封頭組件

PRS換熱器有兩個封頭組件，即上封頭組件和下封頭組件，這兩個封頭組件除進、出口接管嘴尺寸不同以外，其零部件組成、材料、尺寸均相同。封頭組件組成的零部件包括：上封頭、進口接管嘴安全端、人孔密封組件。

制造過程中，封頭組件出現過以下問題：（1）封頭外表面母材割傷;（2）人孔蓋操作架座表面出現凹坑，吊架軸1局部表面存在多處碰傷。

2.2 原因分析

2.2.1 框架及管束支承組件

對于防控措施考慮不周造成焊接變形，以及加工累積誤差造成尺寸超差;個別孔位劃線定位精度不高，存在偏差。

設計時需盡量考慮焊接變形對設備總體尺寸的影響，保證能順利安裝換熱管;制造廠在焊接過程中需特別考慮焊縫收縮量的影響。

2.2.2 支承組件

由于焊接殘余應力造成的變形導致配合面不平整，相關配合面未考慮焊后機加留量;筋板裝焊尺寸錯誤。

設計時需盡量考慮焊接變形導致的后果，制造廠需保證制造過程中參數裕量充足，焊接時需特別考慮焊縫收縮量的影響。

2.2.3 管板組件

由于焊接過程中防變形措施不到位，導致環形支承板和外伸法蘭存在焊接變形;焊接過程中存在缺陷，打磨清理不徹底導致夾渣或氣孔;操作者車削堆焊面時采用返尺寸檢測堆焊厚度出現偏差;操作者加工經驗不足，未能正確應用保證堆焊層厚度的檢測方法;因打磨過程操作細節管控不到位。

設計時需盡量考慮焊接變形導致的后果，考慮到國內的制造加工能力，可適當放寬部分設計參數，制造廠焊接時需要特別考慮焊縫收縮量的影響。

2.2.4 封頭組件

由于工件在起吊、轉運過程中防護不當，導致產生磕碰;吊架軸1轉運或臨時存放過程保護不當導致表面碰傷。

設計時需盡量考慮安裝、運輸等造成的影響，可考慮在結構設計中進一步優化;制造廠在運輸過程中需盡量減少對工件的磕碰損傷。

3 結論

本文通過對華龍一號示范工程PRS換熱器在制造過程中出現的問題的歸納總結，結合原因分析梳理出了PRS換熱器在制造過程中需關注的事項。可以為華龍一號后續機組批量建設中PRS換熱器的制造提供指，亦可為華龍一號后續機組設計優化改進提供一定的思路及建議。

參考文獻

[1]周濤，李精精，琚忠云，黃彥平，肖澤軍.非能動自然循環技術的發展與研究[J].核安全，2013，12（03）：32-36.

[2]周科，張丹，魏宗嵐，初曉，吳廣皓.壓水堆核電廠非能動余熱排出系統對比研究[J].科技視界，2017（06）：336-337.

[3]李峰，劉昌文，吳清，冷貴君，張曉華，鮮麟，賴建永，湯華鵬.華龍一號二次側非能動余熱排出系統功能論證[J].核動力工程，2019，40（S1）：28-31.