核電廠主管道熱段彎頭高度超差問題分析與處理

張永波

(中國中原對外工程有限公司，北京 100044)

2011年福島核電廠發(fā)生核泄漏事故后，國內(nèi)停止了二代核電廠的審批工作，目前在建核電廠均為安全系數(shù)更高的三代核電廠，其中具有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的“華龍一號”繼全球首堆落戶福清5號機(jī)組后，已逐漸成為今后國內(nèi)核電廠的主力機(jī)型。“華龍一號”堆型核電廠一回路主系統(tǒng)由三個(gè)環(huán)路構(gòu)成，每個(gè)環(huán)路均包含一臺蒸汽發(fā)生器、一臺主泵，三個(gè)環(huán)路共用一臺壓力容器，由主管道連接形成閉合環(huán)路，其中熱段連接壓力容器和蒸汽發(fā)生器，過渡段連接蒸汽發(fā)生器和主泵，冷段連接壓力容器和主泵。過渡段需要在現(xiàn)場根據(jù)蒸汽發(fā)生器和主泵的實(shí)際位置進(jìn)行現(xiàn)場坡口加工，熱段和冷段到貨時(shí)兩端為制造廠家已加工完成的成品坡口。

1 主管道熱段彎頭高度超差問題概述

主管道運(yùn)輸至核電廠施工現(xiàn)場后，在吊裝引入安裝房間前，應(yīng)對主管道實(shí)體幾何尺寸進(jìn)行復(fù)查。某“華龍一號”堆型核電廠主管道3環(huán)熱段到貨后進(jìn)行開箱檢查，在進(jìn)行三維幾何尺寸測量時(shí)，通過采用壓力容器端外圓柱擬合中軸線和以壓力容器端面圓法線分別擬合計(jì)算，得到蒸汽發(fā)生器側(cè)彎頭處高度尺寸K值，兩種方法得到的高度尺寸數(shù)據(jù)均不滿足設(shè)計(jì)圖紙中(530.8±2.5)mm的要求，具體數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 某核電廠主管道3環(huán)熱段彎頭高度實(shí)測值Table 1 Measured value of the elbow height at the 3-loop hot leg bending of the main pipeline in a nuclear power plant

2 主管道熱段彎頭高度超差的影響及處理方式

一般情況下，制造廠家根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)趶S內(nèi)完成主管道熱段的加工，在安裝現(xiàn)場不再進(jìn)行任何加工。在蒸汽發(fā)生器吊裝就位前將主管道熱段吊裝引入安裝房間，待蒸汽發(fā)生器及壓力容器安裝調(diào)整完成后直接進(jìn)行熱段兩端焊口的組對焊接。

壓力容器和蒸汽發(fā)生器屬高精度設(shè)備，安裝后可調(diào)范圍很小，因此對于主管道熱段的安裝要求也非常嚴(yán)格。主管道熱段彎頭高度超差，將會使超差數(shù)據(jù)在壓力容器端得到放大，導(dǎo)致熱段與壓力容器和蒸汽發(fā)生器的組對不能同時(shí)滿足技術(shù)規(guī)格書的要求，也無法按照主管道焊接工藝進(jìn)行坡口焊接。因工程現(xiàn)場遠(yuǎn)離國內(nèi)制造廠，返廠處理運(yùn)輸周期長，無疑會對核電廠的建設(shè)工期造成巨大影響；如若在施工現(xiàn)場處理，安裝單位無相應(yīng)的操作經(jīng)驗(yàn)，同類核電廠也尚無先例可循，制造廠家的人員、工機(jī)具都無法順利到場，給主管道熱段彎頭高度超差問題的處理帶來很大難度。

綜合各種因素考慮，針對3環(huán)主管道熱段彎頭高度超差問題的處理，適宜采用制造廠指導(dǎo)、安裝單位操作、設(shè)計(jì)單位和總包單位全力配合的方式，在安裝現(xiàn)場進(jìn)行熱段彎頭側(cè)焊接坡口再加工處理，盡量減小對施工質(zhì)量和工期的影響。

3 模擬組對過程分析

3.1 模擬組對分析原理

在安裝現(xiàn)場進(jìn)行主管道熱段坡口的再加工，首先必須要得到熱段彎頭側(cè)的切割量數(shù)據(jù)。在主管道安裝前，通過對壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主管道3環(huán)熱段原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到3個(gè)設(shè)備現(xiàn)場實(shí)測的實(shí)體模型。在壓力容器模型中，沿壓力容器145°管嘴方位且距壓力容器中心10 711 mm，插入3環(huán)蒸汽發(fā)生器實(shí)體模型，并在145°接管嘴與蒸汽發(fā)生器中心的連線上，插入主管道3環(huán)路熱段模型。模擬主管道焊接后坡口重疊狀態(tài)，逆推得到主管道的組對狀態(tài)，即將管口沿重疊反方向移動。模擬的重疊量的互差值，與組對狀態(tài)間隙的互差值相同，差值在0～1 mm內(nèi)時(shí)，達(dá)到組對要求。

通過移動、旋轉(zhuǎn)主管道3環(huán)熱段，使主管道壓力容器側(cè)與壓力容器管嘴重疊，模擬主管道焊后收縮(管段重疊)狀態(tài)，通過對主管道3環(huán)熱段和3環(huán)蒸汽發(fā)生器模型的水平移動、旋轉(zhuǎn)使模型處于預(yù)期的焊后狀態(tài)，保證兩側(cè)錯(cuò)邊量為0，得到兩側(cè)的重疊部分，其數(shù)據(jù)模擬圖如圖1、圖2所示。

圖1 壓力容器側(cè)主管道組對示意圖Fig.1 Schematic of the group pair of the main pipe on the pressure vessel side

圖2 蒸汽發(fā)生器側(cè)主管道組對示意圖Fig.2 Schematic of the group pair of the main pipe on the steam generator side

示意圖說明：點(diǎn)位分布，模擬的安裝狀態(tài)中，在主管道中心面向設(shè)備端，最高點(diǎn)為P1，最低點(diǎn)為P7，順時(shí)針排列。點(diǎn)為主管道端面上的點(diǎn)，數(shù)值為到設(shè)備端端面的距離，即相應(yīng)該位置間隙，間隙的互差，可代表組對間隙的互差。

3.2 主管道熱段原始狀態(tài)組對分析

將壓力容器與主管道熱段按設(shè)計(jì)文件要求(0～1 mm)進(jìn)行模擬組對，組對數(shù)據(jù)見圖3，再插入3環(huán)主管道熱段、3環(huán)蒸汽發(fā)生器實(shí)測模型，模擬主管道焊后重合狀態(tài)初次建模，得到蒸汽發(fā)生器側(cè)主管道組對數(shù)據(jù)，見圖4。

圖3 壓力容器側(cè)主管道組對數(shù)據(jù)Fig.3 Data of the group pair of the main pipe on the pressure vessel side

圖4 蒸汽發(fā)生器側(cè)主管道組對數(shù)據(jù)Fig.4 Data of the group pair of the main pipe on the steam generator side

根據(jù)模擬得到的主管道與壓力容器和蒸汽發(fā)生器的組對數(shù)據(jù)，首先分析壓力容器側(cè)組對狀態(tài)，將主管道熱段按垂直于設(shè)備端方向移動，壓力容器側(cè)組對間隙互差為8.68 mm-8.32 mm=0.36 mm<1 mm，滿足組對間隙要求；將3環(huán)蒸汽發(fā)生器移動至最佳組對位置后，組對間隙互差為12.37 mm-4.42 mm=7.95 mm>1 mm，不滿足組對要求。

3.3 主管道熱段初次調(diào)整后組對分析

考慮將主管道坡口去除并重新建模，使主管道熱段蒸汽發(fā)生器側(cè)最小的加工量為4 mm(經(jīng)查詢原始坡口檢查記錄，原坡口鈍邊長度約為4 mm)，模擬焊口焊后重疊量8.5 mm(主管道焊接工藝評定給出)，故蒸汽發(fā)生器側(cè)焊接焊口的重疊量不宜小于12.5 mm，調(diào)整主管道熱段組對模型后兩端數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示。

圖5 調(diào)整后壓力容器側(cè)組對示意圖Fig.5 Schematic of the group pair on the pressure vessel side after adjustment

圖6 調(diào)整后蒸汽發(fā)生器側(cè)組對示意圖Fig.6 Schematic of the group pair on the steam generator side after adjustment

此時(shí)兩側(cè)錯(cuò)邊量均為0 mm，壓力容器側(cè)中心重合8.5 mm，蒸汽發(fā)生器側(cè)中心重合16.94 mm，減去模擬焊后重疊量8.5 mm，即中心點(diǎn)的加工量為8.44 mm。通過模型可以計(jì)算得出蒸汽發(fā)生器中心距壓力容器中心為10 705.8 mm，其中壓力容器管嘴距本體中心為3 404.3 mm，蒸汽發(fā)生器進(jìn)水管嘴中心距本體中心線距離為1 358.9 mm。

3.4 主管道熱段最終調(diào)整后組對分析

繼初次調(diào)整后，繼續(xù)調(diào)整組對模型，移動3環(huán)蒸汽發(fā)生器、3環(huán)主管道熱段整體模型，并將主管道沿蒸汽發(fā)生器進(jìn)水管口端面法向方向移動焊后重疊量8.5 mm，得到主管道熱段組對模型數(shù)據(jù)如圖7、圖8所示。

圖7 壓力容器側(cè)主管道組對示意圖Fig.7 Schematic of the group pair of the main pipe on pressure vessel side

圖8 蒸汽發(fā)生器側(cè)主管道組對示意圖Fig.8 Schematic of the group pair of the main pipe on the steam generator side

此時(shí)主管道熱段彎頭側(cè)可視為切割狀態(tài)，切割量即為重疊量。通過以上模擬數(shù)據(jù)可以得出，主管道熱段蒸汽發(fā)生器側(cè)切割后間隙差為0 mm，錯(cuò)邊量為0 mm，熱段壓力容器側(cè)焊口組對間隙為16.70 mm-16.30 mm=0.4 mm，錯(cuò)邊量為6.8 mm，此錯(cuò)邊量可為保證壓力容器側(cè)焊口在蒸汽發(fā)生器側(cè)焊口焊接至50%左右時(shí)能與壓力容器完成組對而預(yù)留的焊接收縮變形量。

根據(jù)以上模擬組對分析結(jié)果，可以得知在進(jìn)行3環(huán)主管道熱段蒸汽發(fā)生器側(cè)焊接坡口端面切割時(shí)，其各方位理論切割量如表2所示(加工偏差±1 mm)。模擬計(jì)算切割后，3環(huán)主管道熱段長度(A)為5 956.5 mm(理論值5 965.3 mm±3 mm)，高度(K)為532.29 mm(理論值530.8 mm±2.5 mm)，夾角為49.95°(理論值50°±30′)。

表2 理論切割量數(shù)據(jù)表Table 2 Data sheet of theoretical cutting quantity

從模擬主管道組對的分析過程可知需在原有坡口的基礎(chǔ)上加工坡口，這將導(dǎo)致新坡口與原坡口重疊。為最大限度的保持新坡口與圖紙的一致性，經(jīng)設(shè)計(jì)同意僅進(jìn)行外坡口加工(即原始內(nèi)鏜面徑向不切削)。根據(jù)熱段蒸汽發(fā)生器端原始坡口尺寸記錄，通過模擬擬合后可知加工后理論內(nèi)鏜深度減小，管段原始壁厚不改變。端面加工傾斜角度較小，加工后坡口鈍邊厚度理論可滿足設(shè)計(jì)允許偏差(2.5±0.1)mm的要求。

4 主管道熱段彎頭端面切割及坡口再加工

4.1 工機(jī)具選擇

高度超差問題出現(xiàn)在主管道熱段的彎頭側(cè)，彎頭內(nèi)側(cè)角度為50°，端面部位直管段長度僅為61.5 mm，無法架設(shè)安裝外坡口機(jī)，所以不宜采用外坡口機(jī)進(jìn)行加工。施工現(xiàn)場采用歐米伽9B數(shù)控坡口機(jī)進(jìn)行3環(huán)路主管道熱段的端面切割和坡口加工工作，坡口機(jī)架設(shè)在主管道熱段內(nèi)部。

4.2 測量控制點(diǎn)布置及切割劃線

根據(jù)主管道模擬組對分析得出4個(gè)方位的理論切割量，并在彎頭端部4個(gè)方位標(biāo)記出最終切割線位置。因主管道組對數(shù)據(jù)要求非常嚴(yán)格，加工切割量也就隨之要非常精確，因此劃線一定要準(zhǔn)確，且具有一定余量，防止加工錯(cuò)誤導(dǎo)致主管道報(bào)廢。

4.3 數(shù)控坡口機(jī)的安裝調(diào)整

在主管道內(nèi)部安裝數(shù)控坡口機(jī)，因安裝位置處在彎頭處，通過調(diào)整數(shù)控坡口機(jī)4個(gè)方位支腿的高度，配合加墊不同數(shù)量的不銹鋼墊片，精確調(diào)整并固定坡口機(jī)底座,保證坡口機(jī)與主管道連接牢靠。將坡口機(jī)立柱和機(jī)頭安裝在坡口機(jī)底座上，邊測量邊調(diào)整，必須控制保證數(shù)控坡口機(jī)的回轉(zhuǎn)面與最終切割面一致，且坡口機(jī)中心與管段內(nèi)鏜面中心一致。

4.4 主管道熱段端面切割

安裝數(shù)控坡口機(jī)端面切削刀架，應(yīng)以切削量最大點(diǎn)為基準(zhǔn)對刀調(diào)整。當(dāng)端面切削至最終切割線距離約1 mm時(shí)，控制每次進(jìn)刀量不超過0.2 mm，同時(shí)每次切削后應(yīng)測量到理論切割面的距離。端面切削完成后，應(yīng)將毛刺清理干凈。

4.5 主管道熱段外坡口加工

在每次進(jìn)刀前都應(yīng)對數(shù)控坡口機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，并可采用走空刀的方式進(jìn)行確認(rèn)。當(dāng)加工至距離鈍邊最終厚度約1 mm時(shí)，應(yīng)控制每次進(jìn)刀厚度不超過0.1 mm，同時(shí)每次切削后測量鈍邊厚度及高度，確保最終鈍邊厚度及高度尺寸滿足設(shè)計(jì)圖紙中坡口型式的要求。加工完成后檢查坡口尺寸并測量管段外形尺寸，坡口尺寸檢查完成后對坡口加工面進(jìn)行液體滲透檢測，切割后主管道實(shí)體數(shù)據(jù)見表3。

表3 3環(huán)路主管道切割后尺寸Table 3 Dimension of 3-loop main pipe after cutting

5 主管道熱段彎頭高度超差問題處理結(jié)果

3環(huán)主管道熱段在切割并完成坡口再加工后引入安裝房間，通過調(diào)整主管道的位置，在保證壓力容器與蒸汽發(fā)生器安裝均合格的前提下，得到3環(huán)主管道熱段分別與壓力容器和蒸汽發(fā)生器接管口組對的數(shù)據(jù)，詳見表4、表5。可以看出，所有安裝數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計(jì)文件要求，主管道熱段彎頭高度超差問題得到了圓滿解決。

表4 3環(huán)主管道熱段壓力容器側(cè)焊口組對數(shù)據(jù)Table 4 Data of the group pair of welds at the hot leg of the 3-loop main pipeline on the pressure vessel side

表5 3環(huán)主管道熱段蒸汽發(fā)生器側(cè)焊口組對數(shù)據(jù)Table 5 Data of the group pair of welds at the hot leg of the 3-loop main pipeline on the steam generator side

6 結(jié)論

通過三維激光建模在設(shè)備開箱階段提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備制造缺陷，將質(zhì)量控制關(guān)口前移，消除了質(zhì)量問題可能引發(fā)的嚴(yán)重后果。利用數(shù)據(jù)模擬測算分析得到應(yīng)切割的加工量，通過精確控制端面切割及坡口再加工的過程，3環(huán)主管道熱段與接口設(shè)備組對滿足設(shè)計(jì)文件要求，在規(guī)避或大大降低可預(yù)見的質(zhì)量、進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)的前提下，彎頭高度超差問題得到了最佳解決，也說明了在施工現(xiàn)場實(shí)施主管道成品坡口再加工的可行性。

本文所分析的質(zhì)量問題，同時(shí)也考驗(yàn)了設(shè)備出廠驗(yàn)收失效后核電現(xiàn)場安裝單位及總包單位應(yīng)對新問題時(shí)的質(zhì)量控制方法和手段。隨著“華龍一號”堆型核電廠陸續(xù)開工建設(shè)，成品主管道仍可能會存在類似問題，文中所述從發(fā)現(xiàn)問題到解決問題的處理方式，給后續(xù)同類型核電廠主管道安裝提供了非常好的借鑒經(jīng)驗(yàn)。