蒸汽發生器水室封頭與管束組件環縫制造工藝分析

龍會松

(國核示范電站有限責任公司， 山東榮成 264300)

三代核電AP1000蒸汽發生器是按照西屋技術文件進行制造的，主體結構由上封頭、上筒體E、上筒體D、錐體、下筒體C、下筒體B、下筒體A、管板、水室封頭9大鍛件組焊而成[1]。CAP1400蒸汽發生器是在引進、消化、吸收AP1000蒸汽發生器設計文件的基礎上研制而成的。與AP1000蒸汽發生器相比，CAP1400蒸汽發生器換熱管數量更多、重量更大、結構更緊湊、制造難度大。在國內外暫無相關制造經驗的情況下，制造廠通過自主研發創新，最終探索出裝配、焊接、熱處理、無損檢測等工藝方案，有效促進核電設備國產化，為后續批量化建設奠定良好基礎。

1 裝配

1.1 準備工作

蒸汽發生器管板-水室封頭環縫母材為SA508Gr.3Cl.2低合金鋼鍛件，焊縫填充材料為低合金鋼焊材，焊縫設計厚度為284 mm，內徑為4 444 mm，在對接工作開展前，應完成以下準備工作：

(1) 組織機構。制造廠應成立環縫對接焊組織，做到管理上有人負責，技術上有人把關，質量上有人監督檢查。

(2) 工藝規程。制造廠應根據上游技術文件及廠內工藝要求編制工藝評定報告、工藝規程，并報采購方或設計方批準認可。

(3) 焊工資質。環縫裝配焊接人員應滿足民用核安全設備焊工焊接操作工資格管理規定要求，環縫裝配應盡可能選擇熟練焊工。

(4) 填充材料。環縫裝配焊接所需的焊條、焊絲、焊劑等驗收合格，滿足采購技術文件要求。

(5) 設備及工器具。所用的焊機、測量儀表等經過檢查評定，均應在合格有效期內。

(6) 環境狀況。環縫坡口無銹蝕、油污，坡口尺寸滿足圖紙要求，坡口表面無損檢測合格。裝配焊接車間清潔度、照明等滿足環縫裝配焊接要求。

1.2 裝配及檢查

管束組件固定，水室封頭采用吊車、手拉葫蘆、鋼絲繩等工具與管板進行裝配。當裝配尺寸檢查合格時，在環縫周圍整圈均勻裝配焊接拉筋進行固定，主要檢查內容為：管板、水室封頭環向標志線應對齊；環縫內外徑徑向錯邊不大于3 mm；環縫坡口圓周方向寬度基本一致，偏差不大于2 mm。

2 焊接

管板-水室封頭環縫坡口見圖1。焊接過程主要分為內側手工電弧焊、外側清根、外側自動埋弧焊、內側不銹鋼堆焊。

1—內側焊縫； 2—外側焊縫； 3—蓋面。圖1 環縫坡口

2.1 內側焊接

內側焊接采用手工電弧焊，使用低合金鋼焊條，焊條直徑為4 mm，焊接電流為160 A，焊接電壓為26 V，預熱溫度為150 ℃。焊前坡口表面應清理干凈，無鐵屑、油污、水分等污染物。焊接過程中需要控制層間溫度，保證溫度≤250 ℃；另外，需要注意監測焊后變形，定期測量環縫坡口寬度。

2.2 清根

內側焊接完成后，應從外側進行清根。控制清根厚度，應徹底清除工藝襯墊、根部焊道。清根過程中應避免損傷坡口兩側表面。根部清理干凈后采用磁粉探傷。

2.3 外側焊接

外側焊接為自動埋弧焊，使用低合金鋼焊絲，焊絲直徑為4 mm，焊接電流為600 A，焊接電壓為30 V,焊接速度為42 cm/min。焊接前檢查環縫外側坡口寬度滿足圖紙要求；坡口表面無鐵屑、油污、水分等污染物；保證焊前環縫溫度≥150 ℃。需要注意蓋面焊道焊接參數，其焊接電流為550 A；焊接完成后應在250～400 ℃進行后熱最少4 h[2]。

2.4 內側堆焊

環縫內側堆焊厚度最少為4 mm，首層焊材為309不銹鋼，其余焊材為308不銹鋼，直徑為4 mm，焊接電流為150 A，焊接電壓為26V，焊接速度為24 cm/min。內側堆焊質量控制要點與內側環縫手工電弧焊基本一致。

3 熱處理及防變形控制

3.1 熱處理

根據ASME規范[3]和設備技術規格書要求，蒸汽發生器管板-水室封頭環縫在裝焊后應進行消應力熱處理。受現場條件影響，該環縫只能通過局部電加熱方式進行熱處理，基本要求見表1，其中350 ℃以下升溫速率不限[4]。

表1 熱處理要求

3.2 防變形控制

根據蒸汽發生器設計圖紙，傳熱管直徑為17.48 mm，支撐板三葉孔內圓直徑為17.84 mm，厚度為28.57 mm(見圖2)。理論上傳熱管和支撐板相隔120°處各有0.18 mm的名義間隙，當傳熱管或支撐板發生相對1.136°變化時，傳熱管將與支撐板3個點接觸。當受力大于管子屈服強度極限時，將產生永久的塑性變形。對管內進行渦流檢測，損傷位置會產生電壓信號，一般認為電壓信號超過0.5 V的管壁的永久塑性變形引起的局部損傷就可能會降低管子的壽命。

圖2 管子支撐板結構和尺寸

在熱處理期間，由于環縫管板一次側溫度高于二次側，導致管板朝著一次側表面方向發生變形，帶動拉桿將管子支撐板中心拉向管板，從而造成管束與支撐板接觸引起傳熱管產生永久塑性變形，所以在局部熱處理過程中需要增加風機控制減少一二次側溫差，主要方案如下：

(1) 設備增加。準備3臺風機(1號、2號、3號),其中3號風機具備加熱功能(稱為3號熱風機)，排出氣體溫度最高可達到180 ℃。各風機的流量可以調節，風機應帶有過濾器。

(2) 設備布置。風機總體布置見圖3。

圖3 風機布置圖

1號風機出口分為12根導管，分別接入下降通道的12個位置，使空氣通過下筒體與套筒構成的環形下降通道流至管板二次側；2號風機出口1根軟管接入工裝G口；3號熱風機通過4根導管與蒸汽發生器手孔相連接。

(3) 操作控制。由于存在一定的熱滯后效應，在支撐板轉角達到許用值(0.85°)之前，就需要采取控制措施。在加熱階段，可以通過增加3號熱風機的溫度或者是調節3號熱風機和1號風機的風量配比，提高二次側空氣溫度，以降低支撐板轉角。當支撐板轉角增加速率過快時，則需要停止加熱片升溫或者適當降低加熱片溫度。在冷卻階段，如果轉角測量值迅速接近許用值，可以按照以下優先順序調節3號熱風機參數：在冷卻初期適當增加3號熱風機出口溫度；在冷卻中后期降低3號熱風機出口溫度和風量，切換3號熱風機和2號風機，增大2號風機的風量；停止加熱片降溫(保溫)；加熱片適當升溫。總體控制見表2。

表2 風機運行控制表

4 無損檢測

根據ASME規范和設備規格書要求，水室封頭與管束組件環縫在裝焊及熱處理后應進行無損檢測，主要內容見表3(-代表不適用、√代表適用)。

表3 焊縫無損檢測

5 結語

通過制定詳細的技術方案、全方位落實生產制造資源，做好先決條件檢查和過程管控，制造廠順利完成了管板-水室封頭環縫裝配、焊接及局部熱處理，無損檢測全部合格，各項工序一次成功，為實現產品交付提供保障。全面技術性地總結各項工序的工作控制要點，為后續項目設備制造提供一定的參考借鑒，在實際工作中可以加以優化和運用，切實保障產品制造質量，落實核安全責任。