王 恒，于 堅(jiān)

（中國(guó)核電工程有限公司，北京100840）

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCP系統(tǒng)）是壓水堆核電站的核心。壓水堆核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)通常由反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵、主管道熱段、主管道冷段以及主管道過渡段等設(shè)備部件連接組成一個(gè)封閉的回路，稱為主回路，如圖1和圖2所示。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主回路的安裝技術(shù)要求高、施工難度大、受影響因素多，在壓水堆核電站建造過程中占據(jù)關(guān)鍵路徑，因此，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主回路的安裝是核電廠保質(zhì)按期完成建造過程中十分重要的一環(huán)。本文提出了一種基于現(xiàn)有技術(shù)的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主回路安裝設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，希望能起到促進(jìn)工程建造水平提高的作用。

圖1 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主回路的一個(gè)環(huán)路示意圖Fig.1 Sketch of one primary loop of the reactor coolant system

圖2 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主回路的一個(gè)環(huán)路過渡段示意圖Fig.2 Sketch of the transition leg of one primary loop of the reactor coolant system

1 現(xiàn)有技術(shù)分析

1.1 現(xiàn)有技術(shù)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1-2]的描述，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主回路的現(xiàn)場(chǎng)安裝焊縫共計(jì)8個(gè)，具體見表1。主回路的安裝步驟為：

1）將主管道熱段、主管道冷段和主管道過渡段分別運(yùn)入主管道房間，其中主管道熱段一端與蒸汽發(fā)生器相連的部位為主管道熱段彎頭，主管道過渡段由三段組成，其中與蒸汽發(fā)生器相連的部位為主管道過渡段彎頭。

表1 主設(shè)備與主管道之間焊縫匯總Table1 Weld seam summary between main component and main pipe

2）反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和主泵分別就位。

3）分別組對(duì)焊接蒸汽發(fā)生器與主管道熱段彎頭之間的焊縫、反應(yīng)堆壓力容器與主管道冷段之間的焊縫。

4）分別組對(duì)焊接反應(yīng)堆壓力容器與主管道熱段之間的焊縫、主泵與主管道冷段之間的焊縫。

5）組對(duì)焊接蒸汽發(fā)生器與主管道過渡段彎頭之間的焊縫，該步驟也可在步驟3）之前、步驟2）之后進(jìn)行。

6）分別組對(duì)焊接主管道過渡段彎頭和主管道過渡段之間的焊縫、主管道過渡段中部的焊縫和主管道過渡段與主泵之間的焊縫，完成壓水堆核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主回路一個(gè)環(huán)路的安裝。

1.2 現(xiàn)有技術(shù)中的問題

1）由于蒸汽發(fā)生器支腿之間的空間較小，對(duì)蒸汽發(fā)生器和主管道熱段之間的焊縫以及蒸汽發(fā)生器和主管道過渡段的過渡段彎頭之間的焊縫來(lái)說，組對(duì)焊接的空間狹小，安裝施工條件較差，對(duì)施工人員技能要求較高。

2）蒸汽發(fā)生器和主管道熱段之間的焊縫組對(duì)要同時(shí)兼顧反應(yīng)堆壓力容器與主管道熱段之間的焊縫組對(duì)，由于彎頭角度和制造公差等原因難度較大。當(dāng)焊接采用自動(dòng)焊技術(shù)要求更加嚴(yán)格的組對(duì)參數(shù)時(shí)（例如要求坡口組對(duì)后鈍邊間隙為0～1 mm），這點(diǎn)更為突出。

3）為了避免焊接應(yīng)力和變形對(duì)反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器的安裝造成不利影響，蒸汽發(fā)生器與主管道熱段之間的焊縫和反應(yīng)堆壓力容器與主管道熱段之間的焊縫不能同時(shí)組對(duì)焊接，一般需要先對(duì)蒸汽發(fā)生器與主管道熱段之間的焊縫組對(duì)焊接，再對(duì)反應(yīng)堆壓力容器與主管道熱段之間的焊縫組對(duì)焊接，如此工序安排導(dǎo)致效率較低，施工工程量較大，工期較長(zhǎng)。

2 改進(jìn)的安裝技術(shù)

圖3 下封頭焊接連接了鍛造彎頭的蒸汽發(fā)生器Fig.3 The steam generator welded with the elbow in lower head

本文提出的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主回路安裝改進(jìn)技術(shù)是基于蒸汽發(fā)生器在制造廠完工出廠時(shí)其下封頭一回路管嘴處焊接連接了鍛造彎頭來(lái)實(shí)現(xiàn)的（見圖3）。改進(jìn)后，原蒸汽發(fā)生器與主管道熱段、主管道過渡段之間的兩個(gè)焊縫由現(xiàn)場(chǎng)焊接改為在蒸汽發(fā)生器制造廠內(nèi)焊接，并減去安全端及一條與之相連的焊縫。另外，在壓水堆核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主管道安裝時(shí)，其中需要在現(xiàn)場(chǎng)焊接的主管道熱段變?yōu)橹惫?，主管道過渡段在減去原主管道過渡段彎頭后由剩余的兩段管道組成，主管道冷段沒有變化。

采用上述蒸汽發(fā)生器和主管道的壓水堆核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主回路環(huán)路的安裝步驟如下：

1）主管道熱段、主管道冷段和主管道過渡段分別運(yùn)入主管道房間就位。

2）反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和主泵分別就位。

3）分別組對(duì)焊接蒸汽發(fā)生器下部的主管道熱段彎頭與主管道熱段之間的焊縫、反應(yīng)堆壓力容器與主管道熱段之間的焊縫。此步驟中的兩個(gè)焊縫可同時(shí)組對(duì)焊接。

4）分別組對(duì)焊接反應(yīng)堆壓力容器與主管道冷段彎頭之間的焊縫、主泵與主管道冷段直管之間的焊縫，焊接順序同現(xiàn)有的安裝技術(shù)。

5）分別組對(duì)焊接蒸汽發(fā)生器下部的主管道過渡段彎頭與主管道過渡段垂直調(diào)整段之間的焊縫、主管道過渡段水平調(diào)整段與主管道過渡段垂直調(diào)整段之間的焊縫、過渡段水平調(diào)整段與主泵之間的焊縫，焊接順序同現(xiàn)有的安裝技術(shù)，完成壓水堆核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主回路一個(gè)環(huán)路的安裝。

3 改進(jìn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)分析

通過對(duì)改進(jìn)技術(shù)和現(xiàn)有技術(shù)的比較，可以看出，改進(jìn)技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)。

1）由于蒸汽發(fā)生器支腿之間的空間較小，對(duì)蒸汽發(fā)生器和主管道熱段彎頭之間的焊縫以及蒸汽發(fā)生器和主管道過渡段彎頭之間的焊縫來(lái)說，組對(duì)焊接的空間狹小，安裝施工條件較差，對(duì)施工人員技能要求較高。同時(shí)，蒸汽發(fā)生器和主管道熱段之間的焊縫組對(duì)，由于彎頭角度和制造公差等原因難度較大。改進(jìn)后蒸汽發(fā)生器出廠時(shí)下封頭一回路管嘴分別焊接連接了主管道熱段彎頭和主管道過渡段彎頭，使得原蒸汽發(fā)生器與主管道熱段、主管道過渡段之間的兩個(gè)焊縫由現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接改為在蒸汽發(fā)生器制造廠焊接，避免了現(xiàn)場(chǎng)安裝空間狹窄和彎頭角度帶來(lái)的不便，有利于更好地控制和保證這兩個(gè)焊縫的組對(duì)和焊接質(zhì)量。

2）由于蒸汽發(fā)生器和主管道構(gòu)成上的改變，使得核電廠壓水堆冷卻劑系統(tǒng)主回路一個(gè)環(huán)路的現(xiàn)場(chǎng)安裝中減少了原蒸汽發(fā)生器與主管道過渡段彎頭之間的焊縫，多個(gè)環(huán)路的安裝能減少多個(gè)焊縫的現(xiàn)場(chǎng)安裝組對(duì)焊接工作量，有利于減少安裝時(shí)間，壓縮安裝工期。

雖然這樣做理論上蒸汽發(fā)生器制造時(shí)的工作量和工期有所增加，但這可以通過適當(dāng)提前采購(gòu)時(shí)點(diǎn)或合理安排工序予以抵消。從以往工程建造經(jīng)驗(yàn)看，工期呈現(xiàn)的常常是前松后緊的不平衡特征，因此適當(dāng)增加前期采購(gòu)制造的工作量也有利于改變這種失衡狀態(tài)。

3）現(xiàn)場(chǎng)安裝中原帶彎頭的主管道熱段改成直管狀態(tài)的主管道熱段后，主管道熱段與蒸汽發(fā)生器之間的焊縫周圍空間較為寬闊，與改進(jìn)前處于蒸汽發(fā)生器支腿之間空間狹窄的狀況相比，安裝焊接操作條件更好，另外，焊縫由彎管組對(duì)改為直管組對(duì)更簡(jiǎn)易，如前所述，當(dāng)焊接采用自動(dòng)焊技術(shù)要求更加嚴(yán)格的組對(duì)參數(shù)時(shí)（例如要求坡口組對(duì)后鈍邊間隙為0～1 mm），其優(yōu)勢(shì)更為突出。因此有利于提高焊接質(zhì)量，減少安裝時(shí)間。

4）原有技術(shù)中，為了避免焊接應(yīng)力和變形對(duì)反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器的安裝造成不利影響，蒸汽發(fā)生器與主管道熱段之間的焊縫和反應(yīng)堆壓力容器與主管道熱段之間的焊縫不能同時(shí)組對(duì)焊接，一般需要先對(duì)蒸汽發(fā)生器與主管道熱段之間的焊縫組對(duì)焊接，再對(duì)反應(yīng)堆壓力容器與主管道熱段之間的焊縫組對(duì)焊接，效率較低，工期較長(zhǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)安裝中原帶彎頭的主管道熱段改成直管狀態(tài)的主管道熱段后，在現(xiàn)場(chǎng)施工條件許可和施工人員足夠的情況下，主管道熱段與蒸汽發(fā)生器下部主管道熱段彎頭之間的焊縫和主管道熱段與反應(yīng)堆壓力容器之間的焊縫能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)組對(duì)焊接，在提高工作效率的同時(shí)還可避免焊接應(yīng)力和變形對(duì)主回路設(shè)備安裝的不利影響。

5）原有技術(shù)中主管道彎頭均為靜態(tài)鑄造，其鑄態(tài)組織存在樹枝晶，而且有一定的微觀成分偏析，從實(shí)際生產(chǎn)反饋看，靜態(tài)鑄造生產(chǎn)中產(chǎn)生缺陷較多，常常需要進(jìn)行缺陷挖除補(bǔ)焊工作，彎頭質(zhì)量水平偏低，從核電廠延壽角度看是不利的。主管道熱段彎頭和主管道過渡段彎頭采用鍛件后，鍛態(tài)是等軸晶，沿不同方向的力學(xué)性能都是均勻的。同時(shí)，鑄錠經(jīng)過鍛造后，在足夠的變形程度下，可將鑄錠中粗大的鑄造組織打碎，分散其非金屬夾雜及異相質(zhì)點(diǎn)。在正確選擇變形方案的條件下，可使鍛件的金屬纖維在其截面上有正確的分布。在較好的應(yīng)力狀態(tài)和一定的變形量下，可鍛合其內(nèi)部缺陷，提高金屬的致密性[3]。

6）改進(jìn)后的蒸汽發(fā)生器出廠時(shí)下封頭一回路管嘴處焊接連接了彎頭，下封頭一回路管嘴部位可采用蒸汽發(fā)生器管嘴-焊縫-彎頭結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的蒸汽發(fā)生器下封頭一回路管嘴部位結(jié)構(gòu)蒸汽發(fā)生器管嘴-焊縫-安全端-焊縫-彎頭相比，蒸汽發(fā)生器下封頭一回路管嘴部位結(jié)構(gòu)減少了“安全端-焊縫”，因此制造時(shí)可減少相關(guān)材料、人工等費(fèi)用。以百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組為例，通常一個(gè)機(jī)組有3臺(tái)蒸汽發(fā)生器，則每臺(tái)蒸汽發(fā)生器減少2個(gè)安全端和2個(gè)焊縫，3臺(tái)蒸汽發(fā)生器可減少6個(gè)安全端和6個(gè)焊縫的相關(guān)材料、人工等費(fèi)用。

7）現(xiàn)有蒸汽發(fā)生器制造完工出廠時(shí)其下封頭一回路管嘴處焊有安全端，在現(xiàn)場(chǎng)安裝與主管道完成焊接后，該部位結(jié)構(gòu)為蒸汽發(fā)生器管嘴-焊縫-安全端-焊縫-彎頭。當(dāng)核電廠建造完成投入運(yùn)行后需定期進(jìn)行在役檢查，該部位的兩條焊縫均需進(jìn)行射線檢查。改進(jìn)后的蒸汽發(fā)生器在核電廠建造完成投入運(yùn)行后需定期進(jìn)行在役檢查，該部位由原來(lái)的需對(duì)兩條焊縫進(jìn)行射線檢查改為僅需對(duì)一條焊縫進(jìn)行射線檢查，相應(yīng)減少了相關(guān)人力、設(shè)備投入和工作量，并有利于縮短核電廠檢修工期及提高核電廠經(jīng)濟(jì)效益。以百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組為例，通常一個(gè)機(jī)組有3臺(tái)蒸汽發(fā)生器，則每臺(tái)蒸汽發(fā)生器減少2個(gè)焊縫的在役檢查工作量，3臺(tái)蒸汽發(fā)生器可減少6個(gè)焊縫的在役檢查工作量。

4 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)后蒸汽發(fā)生器的重量和尺寸有少量增加，需要在制造、運(yùn)輸和引入反應(yīng)堆廠房吊裝環(huán)節(jié)做相應(yīng)調(diào)整或改動(dòng)，特別是對(duì)蒸汽發(fā)生器在反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的引入、翻轉(zhuǎn)方面要進(jìn)行深入分析，從國(guó)內(nèi)外有關(guān)大件吊裝翻轉(zhuǎn)的實(shí)踐看，總體上技術(shù)是可行的，可以開展針對(duì)性研究予以解決。

本文基于現(xiàn)有技術(shù)分析提出的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主回路安裝設(shè)計(jì)改進(jìn)方案雖然貌似簡(jiǎn)單，但預(yù)期改進(jìn)后可帶來(lái)顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益，建議在后續(xù)核電項(xiàng)目或新型核電廠開發(fā)中考慮應(yīng)用。

[1]蒲小芬，王儉. 秦山核電二期工程主管道的設(shè)計(jì)和安裝[J]. 核動(dòng)力工程，2003，(2):185-187.（PU Xiao-feng, WANG Jian. Design and erection for the main pipe of Qinshan II [J]. Nuclear Power Engineering,2003,(2):185-187.）

[2]劉新利. 核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主管道安裝焊接[J]. 中國(guó)核電，2011，(1)：60-67.（LIU Xinli. Erection and welding for the main pipe of nuclear power plant reactor coolant system [J].China Nuclear Power,2011, (1)：60-67.）

[3]陳詩(shī)蓀. 合金鋼鍛造[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1984.（CHEN Shi-sun. Forging of alloy steel[M]. Beijing: Defense Industry Press,1984.）