岑騰躍

（國核工程有限公司，上海 200233）

某三代核電項目堆芯補水箱（Core Makeup Tank，CMT）作為非能動冷卻系統(tǒng)的主要部件之一，提供緊急排出堆芯余熱功能。堆芯補水箱是帶有半球形上、下封頭的立式筒形容器。該筒體和封頭由低合金鋼制造，內(nèi)表面由用于防腐的不銹鋼堆焊而成［1］。堆焊層和不銹鋼貫穿于堆芯補水箱其余結(jié)構(gòu)，包括一個人孔、各種小接管（水位計接管、熱電偶、壓力接管和取樣接管）以及大的進、出口接管。堆芯補水箱通過下封頭上的支撐柱提供支撐，通過每一接管接頭與其他各管路相連。堆芯補水箱屬核一級承壓設(shè)備，需滿足抗震Ⅰ類要求，其放置于安全殼32.6 m 標(biāo)高上。在正常運行期間，CMT（一個機組分A、B 兩臺）完全充滿磞酸水，其壓力通過冷管段壓力平衡管線維持與反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)相同的壓力，保證容器內(nèi)壓力為16.05 MPa；在事故狀態(tài)下，安全防護信號啟動，堆芯補水箱與反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)間閥門自動開啟，由堆芯補水箱向堆芯提供冷卻硼酸溶液，控制堆芯的反應(yīng)性，從而保證了堆芯的冷卻和滿足反應(yīng)堆關(guān)閉需要的時間，達到堆芯余熱排出功能［2］。

1 堆芯補水箱不符合項分析

在首批我國某三代核電項目堆芯補水箱的制造過程中，制造廠克服了諸多不利因素，完成了制造任務(wù)。為了給后續(xù)項目堆芯補水箱的制造提供經(jīng)驗，有必要總結(jié)首批堆芯補水箱制造過程中存在的主要質(zhì)量問題，可從以下5個方面的典型不符合項加以分析。

1.1 機加工不符合項

1.1.1 機加偏心

在機加工過程中，由于材質(zhì)的不均勻或形狀不對稱、安裝偏心等原因，會使機床主軸軸心與回轉(zhuǎn)軸承中心線不重合，造成偏心。主軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力，容易使加工工藝系統(tǒng)受到周期性變化的受迫震動［3］。在加工堆芯補水箱A上封頭接管孔的過程中，因圓弧面機加工時刀具易形成徑向跳動，致使鉆削N-6b 接管孔的初始段產(chǎn)生偏心，其鉆孔偏心段孔徑為φ42.83 mm（要求值：φ42.42+-00.13mm），產(chǎn)生不符合項，如圖1所示。

圖1 接管孔N-6b機加工偏心Fig.1 Machining deviation of hole dimension for Tube N-6b

同樣在加工堆芯補水箱B筒體接管孔的過程中，由于鉆頭在加工斜面時鉆孔切削切初入段產(chǎn)生震動而導(dǎo)致N-3e 接管孔鉆削初始段產(chǎn)生偏心,其鉆孔偏心段孔徑為φ42.97 mm（要求值：φ42.42+-00.13mm），產(chǎn)生不符合項。

1.1.2 內(nèi)孔溝槽

刀具的質(zhì)量對產(chǎn)品的精度也有重要影響，由于鉆頭切削刃的作用導(dǎo)致加工表面硬化，在加工N-6a 接管孔時內(nèi)壁通孔出現(xiàn)溝槽，如圖2所示，溝槽孔徑為φ43.48 mm（孔徑要求值：φ42.42+-00.13mm），產(chǎn)生不符合項。

圖2 接管孔N-6a機加工凹槽Fig.2 Machining pit of hole for Tube N-6a

1.1.3 表面凹坑

在堆芯補水箱B 筒體上加工接管孔N-6c 對應(yīng)凸臺時，由于刀具在凸臺表面顫動而使表面被刮磨，形成了4處凹坑，產(chǎn)生不符合項，如圖3所示。

圖3 接管孔N-6c凸臺表面凹坑Fig.3 Machining pit of surface for Tube N-6c

針對上述接管孔機加工偏心和凹槽不符合項，后續(xù)采用4∶1 的錐度適當(dāng)擴孔辦法，同時測量接管按照NB-3337.3 部分焊透焊接接管中有關(guān)接管和孔的具體間隙配合要求進行配作，0.5 mm 為最大配合間隙；另外，考慮接管外徑和孔的偏差要求，0.08 mm 為最大配合間隙，返修過程中二者均應(yīng)滿足。而凹坑在保證尺寸的前提下按NB-4452 要求打磨平滑過渡，同時針對該區(qū)域按NB5000 要求進行探傷評估［4］。

目前，針對機加工中存在的問題，可從以下幾方面加以改進：

（1）操作人員應(yīng)仔細(xì)檢查加工工具，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量；

（2）選擇合理的加工工藝，實現(xiàn)對產(chǎn)品的加工優(yōu)化，如針對偏心問題，采用導(dǎo)向套或條件允許下先進行銑削加工，便于基準(zhǔn)定位［5］；

（3）具體加工工序應(yīng)嚴(yán)格按照工藝規(guī)程執(zhí)行，切不可盲目操作。

1.2 人為因素導(dǎo)致的典型不符合項

1.2.1 凸臺尺寸加工錯誤

堆芯補水箱A下封頭裝焊熱電偶貫穿件和測量接管如圖4 所示，由于未考慮球面圓弧落差，上游設(shè)計圖紙要求凸臺高度L=（37.3±0.5）mm（堆焊層加工），而制造廠機加工N-5b/N-6e/N-6f 接管凸臺實際尺寸L 分別為：41.8 mm/40.68 mm/40.80 mm（凸臺仍需繼續(xù)加工）。在后續(xù)裝焊接管時，由于未能對接管端面與凸臺端面預(yù)裝尺寸按設(shè)計要求H=（10.4±0.5）mm 進行復(fù)核，致使接管裝焊后其端面與凸臺端面實際尺寸H分別為：6.17 mm/6.50 mm/5.80 mm，該不符合項通過已重新加工尺寸H余量及加工后測量處理。

圖4 下封頭堆焊層加工偏差Fig.4 Machining deviation of build up for lower head

1.2.2 坡口尺寸加工錯誤

在加工堆芯補水箱B下封頭內(nèi)壁凸臺坡口時，如圖5所示，上游設(shè)計圖紙要求，而制造廠在圖紙轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生錯誤，導(dǎo)致實際加工尺寸按T=（9.7±0.5）mm進行坡口加工，致使N-3h/N-5b/N-6e/N-6f接管凸臺坡口實際深度T 分別為：9.38 mm/9.58 mm/9.30 mm/9.40 mm，不能滿足上游圖紙要求，要求返工處理。

圖5 坡口深度不合格Fig.5 Machining deviation of depth for groove

1.2.3 焊接材料不符

制造廠在焊接進口擴散管和端帽時，由于焊接工藝規(guī)程的錯誤，致使進口擴散管和端帽焊接所用材料為ER309L，而根據(jù)圖紙要求材料應(yīng)為ER316L，考慮到焊接材料相關(guān)力學(xué)性能存在一定差異，因而要求制造廠按圖紙要求開啟不符合項返工處理。

焊工按焊接工藝規(guī)程執(zhí)行焊接操作時［7］，應(yīng)仔細(xì)核對焊接工藝、圖紙等文件，對于文件存在不一致的部分應(yīng)及時提出，避免錯誤的發(fā)生。

1.2.4 沉孔加工

制造廠未經(jīng)原設(shè)計方批準(zhǔn)，在堆芯補水箱A、B 支撐柱底板上加工沉孔，如圖6（a）所示，由于支撐柱在裝焊至下封頭熱處理后變形，無法繼續(xù)擴大沉孔以保證底板上安裝地腳螺栓的墊圈的熱變形偏移，最終解決方案是結(jié)合實際支撐柱變形情況，考慮墊圈單邊徑向熱變形偏移的方式加工沉割面［6］如圖6（b），完成對該不符合項的返修處理。

圖6 底板沉孔返修Fig.6 Repair of counterbore surface for base plate

1.2.5 水壓試驗

制造廠在完成堆芯補水箱A水壓試驗后，直接在本體上鉆銘牌孔，進行銘牌的安裝，該操作嚴(yán)重違反ASME Ⅷ卷第一冊《壓力容器建造規(guī)則》中檢驗和試驗UG-99的規(guī)定，“水壓試驗前除了那些不能在試驗前進行的工序，所有制造工作應(yīng)已經(jīng)完成”，在根據(jù)《核設(shè)施建造規(guī)則》（NB-3324）的要求分析后得出銘牌鉆孔端承壓厚度仍能滿足要求，但需重新進行水壓試驗以保證產(chǎn)品質(zhì)量，該不符合項已進行返工處理；而堆芯補水箱B水壓試驗時由于人孔主螺栓預(yù)緊力不均勻?qū)е滤畨涸囼炘谠囼瀴毫ο掳l(fā)生泄漏，不得不重新進行二次水壓試驗返工處理。

1.2.6 油漆涂層

制造廠在完成堆芯補水箱制造后，未能根據(jù)堆芯補水箱的設(shè)備涂層規(guī)格書中關(guān)于ASTM 標(biāo)準(zhǔn)D5144［8］和D4228［9］及ASTM 標(biāo)準(zhǔn)D5144 和D4537［10］針對涂層檢查人員要分別進行特定的培訓(xùn)和考核，導(dǎo)致未經(jīng)授權(quán)的油漆操作人員進行涂層工作，使堆芯補水箱油漆涂層不斷出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，涂層質(zhì)量不合格，最終返工處理。

針對上述人為原因引起的不符合項，圖紙錯誤和原材料使用錯誤使制造與設(shè)計不符合，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的制造費用和生產(chǎn)進度，因此，在后續(xù)制造中，要求嚴(yán)格審查相關(guān)圖紙及技術(shù)工藝，保證類似錯誤在制造前得到糾正，確保產(chǎn)品質(zhì)量；而制造廠操作人員在生產(chǎn)過程中應(yīng)認(rèn)真做到“有人負(fù)責(zé)，有章可循，有據(jù)可查”，嚴(yán)格按照工藝規(guī)程執(zhí)行操作，避免產(chǎn)生不必要的錯誤。

1.3 機械性能試驗時取樣導(dǎo)致的不符合項

在堆芯補水箱A 進、出口接管堆焊層取樣時，制造廠按照每25 mm距離進行一次取樣，而奧氏體不銹鋼堆焊材料測試規(guī)格書取樣方法規(guī)定在接管內(nèi)徑小于127 mm 時，每25 mm 距離進行一次取樣，但堆芯補水箱進出口接管內(nèi)徑為160 mm，不滿足這一情況，應(yīng)按第1焊道取樣及隨后每5焊道進行取樣的方法，最終該不符合項經(jīng)設(shè)計評估后要求按規(guī)程進行處理。

試驗人員在取樣時，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)文件執(zhí)行操作，使相關(guān)質(zhì)量活動保證在可控范圍內(nèi)。

1.4 焊接工藝不符合項

1.4.1 緩沖環(huán)焊接

在熱處理過程中，堆芯補水箱A的相關(guān)鍛件取樣方法通過鍛件端部用部分焊透焊縫焊接補償鋼板方式，但為了安全排出緩沖塊與主體鍛件之間的氣體，鍛件制造廠在焊縫上均布了3個15 mm 的排氣孔，不完全符合《核設(shè)施建造規(guī)則》（NB-3324）中第（c）條規(guī)定緩沖塊應(yīng)完全密封緩沖面的要求。

為此，根據(jù)鍛件制造廠需對有、無排氣孔鍛件的冷卻速率和性能進行分析比較，同時鍛件制造廠應(yīng)編制取樣程序，結(jié)合NB-2212.2中第（a）條要求，向設(shè)計方提交相關(guān)報告并獲認(rèn)可后才可刪去此不符合項。

1.4.2 支撐柱焊接變形

堆芯補水箱A、B 支撐柱組件裝焊至下封頭后，未采取任何工藝措施保證熱處理后支撐柱軸線準(zhǔn)確定位，焊后熱處理導(dǎo)致支撐柱軸線實際位置發(fā)生偏斜（但各支撐柱軸線未產(chǎn)生彎曲），支撐柱底板中心最大偏移為8.7 mm，超出設(shè)計圖紙要求最大值4.1 mm要求。

根據(jù)支撐柱設(shè)計要求，首先分析支柱偏斜對補水箱支撐的影響，其次根據(jù)原設(shè)計圖紙在支撐柱底板上加工地腳螺栓孔，最后分析支撐柱偏斜對安裝地腳螺栓組件的影響（包括地腳螺栓用墊圈熱變形的偏移影響），在確認(rèn)所有條件滿足條件下才能刪去此不符合項。

在執(zhí)行熱處理工序時，工藝工程師應(yīng)分析熱處理過程中可能遇到的問題，通過變更、澄清等方式提交設(shè)計審核，避免過多不符合項的產(chǎn)生。

1.5 焊接原因?qū)е碌牟环享?/h3>

1.5.1 焊接圖轉(zhuǎn)化錯誤

制造廠在支撐柱與底板焊接詳圖裝配焊接并探傷后，發(fā)現(xiàn)實際裝焊不滿足新版圖紙要求，實際支撐柱與底板之間未留2 mm 的間隙，不能適應(yīng)焊接熱變形，已按圖紙要求進行執(zhí)行返修工作。

1.5.2 焊接變形

堆芯補水箱用地腳螺栓配對剪切塊A 組件，根據(jù)圖紙要求尺寸（460.4±0.5）mm，由于裝焊誤差及焊接變形，實測尺寸為462～464.4 mm，尺寸超差，要求返工處理。

從以上不符合項可看出，焊接工藝人員應(yīng)仔細(xì)考慮焊接熱變形的影響以制定對應(yīng)的焊接工藝規(guī)程［11］，制定反變形等措施，保證最終產(chǎn)品焊接變形在可控范圍內(nèi)。

2 結(jié)論

在首批三代核電某項目堆芯補水箱制造過程中，總共產(chǎn)生了20個不符合項統(tǒng)計見圖7，由于機加工導(dǎo)致的不符合項有5項、人為失誤引起的不符合項有8項、機械性能測試引起的不符合項有1項、熱處理引起的不符合項4項和焊接引起的不符合項2項?？梢钥闯觯藶槭д`引起不符合項占40%，因此，在堆芯補水箱的制造過程中，應(yīng)重點分析人為失誤的原因，其中技術(shù)人員在圖紙轉(zhuǎn)化方面存在的問題需要根本解決；而機加工過程中，制造廠操作人員應(yīng)嚴(yán)格按照工藝程序操作，避免盲目追求效率；在熱處理和焊接方面，熱變形導(dǎo)致的不符合項需要引起重視，在制定特定工藝規(guī)程方面應(yīng)集中分析存在的變形問題，提供合理的設(shè)計方案，減少不符合項的產(chǎn)生。通過分析首批堆芯補水箱制造過程中存在的不符合項，總結(jié)質(zhì)量問題的原因，為優(yōu)化后續(xù)堆芯補水的制造提供經(jīng)驗。在執(zhí)行設(shè)計規(guī)范、采購要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等具體規(guī)范性文件的同時，加強各項目間的設(shè)備制造經(jīng)驗反饋，互相借鑒，確保核電產(chǎn)品質(zhì)量可靠。

圖7 首批堆芯補水箱制造不符合項匯總Fig.7 Nonconformance summary of manufacturing for first CMTs