(國核工程有限公司，上海 200233)

0 引言

AP1000主管道是連接反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵和穩(wěn)壓器的關(guān)鍵設(shè)備。主管道由兩條環(huán)路組成，每條環(huán)路由兩根冷卻劑管道冷段和一根熱段組成。主管道的作用是將反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆冷卻劑泵連接成一個(gè)封閉的環(huán)路，為帶有放射性物質(zhì)的反應(yīng)堆冷卻劑流動(dòng)提供通道，負(fù)責(zé)堆芯裂變反應(yīng)后的能量傳輸，是核電站安全運(yùn)行的重要屏障，AP1000一回路連接如圖1所示。

主管道是AP1000項(xiàng)目中沒有引進(jìn)國外技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備。對于AP1000主管道的設(shè)計(jì)，有學(xué)者進(jìn)行過研究[1]，對于AP1000主管道的安裝，也有學(xué)者進(jìn)行過介紹，但均未涉及關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 AP1000一回路連接示意

主管道的安裝從開箱到無損檢測，步驟繁多。其中激光測量建模、主管道坡口加工和主管道與主設(shè)備組對焊接及變形監(jiān)控為關(guān)鍵技術(shù)。筆者結(jié)合工程實(shí)踐，在現(xiàn)場對設(shè)計(jì)文件和施工方案進(jìn)行研究，并應(yīng)用于現(xiàn)場施工，取得良好效果。

1 主管道環(huán)路布置及安裝流程

1.1 主管道平面布置

主管道(RCL)是核安全1級、抗震Ⅰ類設(shè)備，材質(zhì)為SA-376TP316LN[2]，主管道將反應(yīng)堆壓力容器(RPV)、蒸汽發(fā)生器(SG)和反應(yīng)堆冷卻劑泵(RCP)連成閉環(huán)回路。一回路由2個(gè)環(huán)路組成，2個(gè)環(huán)路共計(jì)6根管段、12個(gè)管端，因此在施工現(xiàn)場需要加工12道坡口，主管道環(huán)路布置圖如圖2所示。

圖2 AP1000主管道環(huán)路布置示意

1.2 安裝流程

主管道的安裝在壓力容器安裝完成之后并和蒸汽發(fā)生器的安裝相互進(jìn)行，期間的工作重點(diǎn)為坡口加工及組對。其坡口加工要以壓力容器以及蒸汽發(fā)生器的外形尺寸為依據(jù)，結(jié)合壓力容器的實(shí)際安裝位置以及蒸汽發(fā)生器的安裝要求完成實(shí)體建模，然后計(jì)算坡口加工尺寸及位置。主管道壓力容器端完成相應(yīng)的焊接后，由于焊接變形會(huì)導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器端的偏移量與模擬時(shí)不盡相同，此時(shí)需要重新對其進(jìn)行測量，并結(jié)合蒸汽發(fā)生器的安裝要求完成蒸汽發(fā)生器端的坡口加工。在蒸汽發(fā)生器引入后，需要和主管道進(jìn)行對口，當(dāng)對口間隙和錯(cuò)邊量滿足要求后才可進(jìn)行焊接。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，單道焊口在完成50%后，即可認(rèn)定主管道已定位并不會(huì)再發(fā)生偏移，主管道的安裝流程如圖3所示。

圖3 主管道的安裝流程

AP1000與M310主管道安裝存在較大差別，M310的安裝順序是，在反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和(或)主泵就位安裝后，開始主管道冷和(或)熱段的組對焊接工作，最終的安裝偏差通過主泵與蒸汽發(fā)生器間的過渡段的水平和垂直段進(jìn)行調(diào)節(jié)[3]。

2 測量與建模

對主管道、蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器垂直支撐、反應(yīng)堆及蒸汽發(fā)生器腔室墻體進(jìn)行激光測量，主管道虛擬裝配擬合計(jì)算及建模，主管道測量建模流程如圖4所示。

圖4 主管道測量建模流程

2.1 一次測量與建模

對RPV、主管道、SG及SG垂直支撐分別進(jìn)行激光測量、建模[4]，然后進(jìn)行主管道虛擬裝配、擬合建模，主管道激光測量及建模技術(shù)要求如表1所示。

(1)將蒸汽發(fā)生器垂直支撐坐標(biāo)系設(shè)置為當(dāng)前坐標(biāo)系，將對應(yīng)的蒸汽發(fā)生器模型插入這個(gè)回路。

(2)將蒸汽發(fā)生器連接凸臺每個(gè)螺栓孔中心點(diǎn)和垂直支撐上底座每個(gè)螺栓孔中心點(diǎn)創(chuàng)建對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行最佳擬合轉(zhuǎn)換，使蒸汽發(fā)生器連接凸臺螺栓孔與垂直支撐上底座螺栓孔大致對齊。

(3)調(diào)整蒸汽發(fā)生器模型，沿+Z方向移動(dòng)，使蒸汽發(fā)生器冷段管嘴與壓力容器冷段管嘴之間高差滿足要求，并通過分析當(dāng)前組對狀態(tài)下垂直支撐上底座與蒸發(fā)器支撐連接凸臺之間高差，計(jì)算垂直支撐所需加工墊片的厚度。

(4)將反應(yīng)堆壓力容器管嘴坐標(biāo)系設(shè)置成這個(gè)回路的當(dāng)前坐標(biāo)系，分別為這個(gè)回路插入對應(yīng)的主管道熱段、冷段。

表1 主管道激光測量及建模技術(shù)要求

(5)將主管道沿管道中心線的Z方向前后移動(dòng)以調(diào)整左右錯(cuò)邊量，沿Z軸旋轉(zhuǎn)調(diào)整上下錯(cuò)邊量，通過調(diào)整將兩端管中心線分別通過壓力容器管嘴中心點(diǎn)，錯(cuò)邊量需滿足要求。

(6)根據(jù)組對重合部分及組對間隙要求，計(jì)算主管道RPV端和SG端切割余量，標(biāo)記最終切割線(FFL)和粗略切割線(RFL)位置。

2.2 二次測量與建模

主管道壓力容器端坡口加工完成后和壓力容器端管口完成50%焊接之后，均需要重新測量主管道蒸汽發(fā)生器端的管口位置并更新3D建模模型，再次通過擬合確定主管道蒸汽發(fā)生器端管道的切割位置，進(jìn)行二次建模。

RPV端焊接至50%后，通過二次3D測量采集SG端3個(gè)管口數(shù)據(jù)并導(dǎo)入RPV坐標(biāo)系，與SG模擬管嘴進(jìn)行模擬組對，確保錯(cuò)邊量滿足要求，得到SG端管嘴重疊量，再根據(jù)組對間隙的要求確定最終坡口切割量(每個(gè)管口共采集8組數(shù)據(jù))，加工完成后測量SG端主管道以及SG端管口并更新模型，管口位置須滿足設(shè)計(jì)要求。

3 主管道坡口加工

AP1000 主管道現(xiàn)場數(shù)控坡口加工的主要工序包括：劃線、粗切割、面切割、內(nèi)鏜孔、坡口面加工等[5]加工工序以及加工后的尺寸測量和PT檢測。在加工過程中，需要與激光跟蹤測量儀配合使用，以保證其精確加工，主管道加工公差見表2。

主管道冷段RPV端和SG端坡口加工技術(shù)參數(shù)一致，但熱段RPV端和SG端加工技術(shù)參數(shù)略有區(qū)別，主要在于熱段RPV端是單面坡口，而熱段SG端是雙面U形坡口[6]。在坡口加工前，采用激光跟蹤儀檢查坡口機(jī)位置，位置偏差控制在0.1 mm范圍內(nèi)，加工完成后坡口表面粗糙度、內(nèi)外坡口角度、鈍邊高度和厚度及R角等相關(guān)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 AP1000主管道加工公差

坡口加工時(shí)，需滿足坡口組對的各管段標(biāo)高要求以及主管道自身制造偏差，單面坡口通過內(nèi)卡式坡口機(jī)的兩次對刀及對中完成，第一次對刀及對中，調(diào)整坡口機(jī)軸線與3D建模管道軸線重合，坡口機(jī)角度與管道本體角度平行，完成內(nèi)膛的加工；第二次對刀及對中，調(diào)整內(nèi)卡式坡口機(jī)軸線和角度與3D建模管道軸線與角度重合，完成斜坡口的加工。雙面坡口則通過調(diào)整內(nèi)卡式坡口機(jī)軸線和角度與3D建模管道軸線與角度重合，完成內(nèi)坡口和外坡口的加工。加工時(shí)控制進(jìn)刀量，每次進(jìn)刀量不超過0.25 mm。

坡口加工工藝控制重點(diǎn)在于主管道鈍邊與RPV和SG管嘴鈍邊的匹配性，即鈍邊的組對錯(cuò)邊量小于0.8 mm，鈍邊的組對間隙小于2 mm[7]。

4 組對與焊接

主管道與反應(yīng)堆壓力容器組對時(shí)，需滿足以下條件：(1)組對錯(cuò)邊量應(yīng)小于0.8 mm，設(shè)計(jì)方推薦安裝時(shí)應(yīng)盡量控制在0.5 mm 以內(nèi)；(2)組對間隙不大于焊接工藝評定時(shí)的最大間隙規(guī)定的2 mm；(3)主管道熱段水平直管兩端，即反應(yīng)堆壓力容器接管處與直管和彎管相切處高度差在1.0～4.0 mm之間,反應(yīng)堆壓力容器接管嘴處低，直管和彎管相切處高;(4)主管道冷段的反應(yīng)堆接管嘴處與主泵接管嘴處的高度差在1.0～4.0 mm，反應(yīng)堆壓力容器接管嘴處低，主泵接管嘴處高,且在主管道冷段彎管中間的高度較反應(yīng)堆接管嘴高0～3.0 mm。

4.1 主管道稱重與吊重

主管道熱段在RPV端坡口加工完后，在加工車間進(jìn)行稱重并記錄讀數(shù)，其目的在于測定出在主管道熱段與蒸汽發(fā)生器進(jìn)口管嘴焊接時(shí)能保證管道平衡的外力值，在管道安裝、焊接時(shí)將管道調(diào)整到平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)彈簧吊架向上的拉力平衡主管道重量，滾動(dòng)支撐幾乎不承受或僅承受少部分管道重量。確保焊縫能夠在基本自然狀態(tài)下進(jìn)行收縮[8]。

為確保主管道熱段與SG進(jìn)口管嘴焊接時(shí)，焊縫能夠處于自由狀態(tài)下收縮，需要用適當(dāng)?shù)耐饬ζ胶庵鞴艿赖闹亓?。這種適當(dāng)?shù)钠胶饬π枰ㄟ^對主管道熱段稱重測量正確測定，每個(gè)主管道環(huán)路的熱段應(yīng)分別稱重測量，主管道管口組對稱重工裝如圖5所示。

圖5 主管道管口組對稱重工裝結(jié)構(gòu)示意

4.2 RPV端組對與焊接

壓力容器端管嘴與熱管段組對時(shí)，應(yīng)使管段水平段有一定的坡度，直管軸線靠近蒸汽發(fā)生器一端的標(biāo)高要略高于靠近壓力容器一端的標(biāo)高0～7 mm，即需使管段由蒸汽發(fā)生器側(cè)坡向壓力容器側(cè)。

壓力容器端管嘴與冷管段組對時(shí)，應(yīng)使主泵出口管嘴中心標(biāo)高等于或略高于反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)口中心標(biāo)高0～7 mm，且在主管道冷段彎管中間的高度必須比反應(yīng)堆接管高0～5 mm。相應(yīng)準(zhǔn)備工作完成后，進(jìn)行主管道冷段和熱段與壓力容器管嘴組對焊接至50%厚度。

4.3 SG端組對與焊接

SG吊裝引入后，通過調(diào)整蒸汽發(fā)生器上部臨時(shí)支撐，完成蒸汽發(fā)生器端主管道的組對工作。要保證3道焊口同時(shí)組對，因此，對SG臨時(shí)支撐的調(diào)整控制至關(guān)重要。

SG端主管道焊接，采用同樣的施工方法進(jìn)行蒸汽發(fā)生器端主管道的焊接至50%厚度；然后進(jìn)行壓力容器端主管道3道焊口50%～100%的焊接;最后進(jìn)行蒸汽發(fā)生器端主管道3道焊口50%～100%的焊接。

4.4 焊接變形跟蹤

焊接變形監(jiān)控采用激光跟蹤測量與傳統(tǒng)的測量監(jiān)控相結(jié)合、并進(jìn)行互相驗(yàn)證。

(1)焊縫軸向收縮量監(jiān)測。

在壓力容器端主管道坡口(從壓力容器端向蒸汽發(fā)生器端看)12點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)鐘位置設(shè)定4條焊縫軸向收縮量測點(diǎn)，每個(gè)鐘點(diǎn)位置測量1組點(diǎn)，焊縫軸向收縮量監(jiān)測如圖6所示。

圖6 焊縫軸向收縮量監(jiān)測位置

焊縫中每填充一層后，采用游標(biāo)卡尺測量管道焊口12點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)鐘位置每組軸向收縮測量點(diǎn)距離，由軸向收縮測量變化計(jì)算焊縫的軸向收縮量，主管道A環(huán)冷段焊接軸向收縮量統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 主管道A環(huán)冷段焊接軸向收縮量統(tǒng)計(jì) mm

(2)管段蒸汽發(fā)生器端焊接變形監(jiān)控。

主管道壓力容器端焊口點(diǎn)固焊后，在蒸汽發(fā)生器端對應(yīng)的管口安裝6個(gè)百分表。其中4個(gè)百分表的接觸式指針緊密對準(zhǔn)管道3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘和12點(diǎn)鐘位置的管壁，監(jiān)測管段的撓曲變形；2個(gè)百分表的接觸式指針緊密對準(zhǔn)管道6點(diǎn)鐘和12點(diǎn)鐘位置的管端面，監(jiān)測管段的軸向收縮變形。

焊接過程中通過監(jiān)測3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘和12點(diǎn)鐘位置的管壁上4個(gè)百分表及主管道端面2個(gè)百分表數(shù)值的變化計(jì)算管段的撓曲變形量和軸向收縮變形量。

(3)激光跟蹤儀的變形監(jiān)控。

主管道RPV端焊口點(diǎn)固焊后，在蒸汽發(fā)生器端對應(yīng)的主管道標(biāo)記最終切割線位置的管道中心，安裝激光跟蹤儀中心光靶座，利用激光跟蹤儀監(jiān)測管段的軸向收縮變形和撓曲變形。 針對主管道的焊接收縮，在壓力容器端的主管道切割時(shí)，增加一定長度用于抵消焊接階段的收縮量；而在蒸汽發(fā)生器端，通過SG冷態(tài)位置遠(yuǎn)離壓力容器方向反變形位置進(jìn)行調(diào)整，主管道冷段焊接反變形控制如圖7所示。

焊接過程中，除打底焊外，當(dāng)周向百分表測量值有超出0.2 mm 的變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。焊接變形量超標(biāo)時(shí)，通過采取改變起弧點(diǎn)位置、改變熱輸入、局部增加焊道[9-10]等方法進(jìn)行變形修正。

圖7 主管道冷段焊接反變形控制示意

5 結(jié)語

(1)在主管道安裝過程中，激光跟蹤測量技術(shù)和三維建模技術(shù)的應(yīng)用，有效保證了關(guān)鍵施工工序。

(2)采用便攜式數(shù)控坡口機(jī)對主管道坡口進(jìn)行加工，加工過程中使用激光跟蹤儀對坡口端面和坡口機(jī)位置進(jìn)行監(jiān)測，確保加工端面與激光建模擬合一致，尺寸偏差控制在0.1 mm以內(nèi)，進(jìn)刀量不超過0.25 mm/次，表面粗糙度Ra達(dá)到3.2 μm，VT和PT檢測結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)利用激光跟蹤儀和百分表監(jiān)測管段的焊接變形，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行及時(shí)修正，確保焊接過程可控。

(4)在AP1000主管道安裝過程中，有效識別不可逆的關(guān)鍵工序，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行控制，保證主管道安裝結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，為主管道安裝提供一定的指導(dǎo)。