范海平* 涂 強
(上海核工程研究設(shè)計院有限公司)
核電站主泵是一回路RCS(Reactor Coolant System)的重要組成部分,為整個一回路的冷卻劑循環(huán)提供動力。高壓冷卻器位于主泵旁,從主泵電機側(cè)熱屏出來的一次側(cè)冷卻劑經(jīng)高壓冷卻器入口接管進入換熱管,與流經(jīng)殼側(cè)的設(shè)備冷卻水進行熱交換,降低了溫度,然后經(jīng)出口接管進入主泵電機殼,為電機提供冷卻介質(zhì)(如圖1 所示)。高壓冷卻器管側(cè)內(nèi)的介質(zhì)是一回路冷卻劑,具有高溫、高壓、高放射性。因此,高壓冷卻器的管側(cè)核安全分級是SC-1,屬于核電站一回路承壓邊界,是核電站第二道放射性防護的屏障[1]。高壓冷卻器殼側(cè)內(nèi)的介質(zhì)是設(shè)備冷卻水,其主要作用是帶走換熱管內(nèi)一次側(cè)冷卻劑的熱量。每臺濕繞組主泵配有一臺高壓冷卻器,其屬于固定管板式換熱器。
圖1 高壓冷卻器的結(jié)構(gòu)示意圖
高壓冷卻器主要由三大組件組成:管箱封頭組件,管束組件及下封頭組件。其中管束組件是進行熱交換的主要場所,結(jié)構(gòu)最為復雜,制造難度也最大,是其核心部件。
管箱封頭組件包括:管箱封頭、管箱法蘭、管側(cè)入口接管及法蘭、管側(cè)排氣接管及法蘭。主要的制造內(nèi)容包括:管箱封頭與管箱法蘭的對接焊、管箱封頭與進口接管的對接焊、管箱封頭與管側(cè)排氣接管的對接焊、進口接管與法蘭的對接焊、排氣接管與法蘭的對接焊及管箱封頭組件的內(nèi)壁堆焊。
管束組件包括:上下管板、換熱管、定距管、折流板、拉桿、緩沖擋板、筒體、殼側(cè)進口接管及法蘭、殼側(cè)出口接管及法蘭、殼側(cè)排氣接管及法蘭、殼側(cè)疏水接管及法蘭。其中,殼側(cè)排氣、疏水接管采用鎳基焊材堆焊,加工到設(shè)計要求的尺寸,然后與法蘭對接焊。管束組件的主要制造工序包括:上下管板一二次側(cè)的堆焊,深孔鉆、上管板裝折流板、拉桿、定距管的裝焊,穿管、定位脹、封口焊、氦檢漏、液壓脹、筒體卷制、筒體裝焊進出口接管及法蘭、筒體與上管板套裝,筒體與上下管板焊接。
下封頭組件包括:下封頭、管箱法蘭、管側(cè)出口接管及法蘭。下封頭組件除了沒有排氣接管及法蘭的裝焊外,其余制造過程與上封頭組件類似。
三大組件分別制造完成后,上下管板與管箱法蘭通過雙頭螺柱、螺母、墊片連接密封。
管箱封頭組件、管束組件、下封頭組件的主要部件的材質(zhì)可見表1。
表1 管箱封頭組件、管束組件、下封頭組件的主要部件的材質(zhì)
高壓冷卻器的上、下管板結(jié)構(gòu)相似,上管板中心厚度為195 mm,下管板中心厚度為215 mm。由于上、下管板兩側(cè)表面均與冷卻劑接觸,為增強設(shè)備的耐蝕性,上、下管板兩側(cè)均應進行不銹鋼堆焊。管板采用組合堆焊,即第一層堆焊309L 不銹鋼,后續(xù)堆焊層采用308L 焊材進行堆焊,保證堆焊層的總厚度為4~7 mm。這是因為堆焊第一層不銹鋼時,熔化的低合金母材進入熔池,對不銹鋼中的合金元素有一定的稀釋作用,因此,第一層采用Cr、Ni 等合金元素含量較高的309L 焊材。為了減小管板的變形程度,并降低堆焊層氣孔夾雜等缺陷出現(xiàn)的概率,宜采用熱輸入量較小的熱絲TIG 焊,并采用高純度的Ar 氣作為保護氣體,而且為保護好處于高溫的堆焊層金屬,還應采用高純度的氬氣作為尾部保護氣。堆焊時,應監(jiān)控管板的翹曲變形,一旦發(fā)現(xiàn)管板變形過大,則應及時將其翻轉(zhuǎn),在管板的另一面進行堆焊,在管板的一次側(cè)和二次側(cè)交替進行堆焊,可控制管板的變形在要求的范圍內(nèi)(管板的堆焊情況如圖2 所示)。
圖2 高壓冷卻器管板堆焊
管板上共有359 個尺寸為 14.25 mm 的管孔,管板鉆孔完成后,終鉆端超過96%的孔橋?qū)挾缺仨毚笥?.634 mm, 允許最小孔橋?qū)挾葹?.2 mm。為了保證管孔的精度,管板必須牢固固定在工位上,并在合適位置布置百分表來監(jiān)控工位的變動情況。在正式鉆孔前,由于母材和不銹鋼堆焊層的硬度不同,應分別在不帶堆焊層且材質(zhì)與母材一致的試板和帶堆焊層且材質(zhì)與母材一致的試板上試鉆,從而調(diào)整并確定各項鉆削參數(shù)(如主軸轉(zhuǎn)速、進給量、切削油流量等),檢查并記錄深孔加工質(zhì)量及加工時的出屑情況,獲得設(shè)備在鉆母材和堆焊層時的各項報警參數(shù)和鉆頭壽命。另外,為了驗證數(shù)控機床程序的正確性,第一塊管板深孔鉆時,應采用油漆筆代替鉆頭,讓機床按照內(nèi)置程序在管板表面上打點,并測量這些點的位置,確保程序的準確性(管板深孔鉆如圖3 所示)。值得注意的是,為了保證11 塊折流板的同心度,以便后續(xù)順利穿管,應將11 塊折流板疊在一起進行鉆孔。
圖3 高壓冷卻器管板深孔鉆
由于管束組件對清潔度要求較高,且穿管后內(nèi)部區(qū)域不可達,因此,穿管、定位脹、封口焊、氦檢漏、液壓脹等工作必須在清潔區(qū)進行。管束、管板、拉桿以及折流板采用臥式明裝,上管板、拉桿、定距管以及折流板按照圖紙尺寸要求依次安裝,然后穿入3至5 根換熱管,調(diào)整以上各零件使其中心一致后,由下往上穿入所有的換熱管,應注意的是,換熱管應伸出上管板一次側(cè)的長度約為管板的2 倍,以便后續(xù)穿入下管板。把制造好的殼程組件套裝入管束組件,并調(diào)整上管板與殼程組件的垂直度、同心度后點焊固定管板與殼程組件。組裝下管板,并測量同心度、與上管板的平行度及間距,合格后穿入5~10 根換熱管,調(diào)整垂直度和同心度后,與殼程組件點焊固定,采用單面焊雙面成形的工藝焊妥上、下管板與殼程組件,最后從上管板一次側(cè)從下往上穿入所有的換熱管。應保證所有的換熱管與上、下管板的一次側(cè)平齊,若有過長或表面有毛刺的換熱管,應進行修磨,然后采用橡膠脹進行定位脹。定位脹時,應注意管子不能伸出管板孔,否則會造成管子過脹成喇叭口而開裂。宜在旁邊的試板上進行試脹,沒有問題后,再開始正式脹接。
管子-管板的封口焊焊縫應采用不填絲25%氬(質(zhì)量分數(shù),下同)+75%氦的混合保護氣體自動焊,焊接時傳熱管端口與管板一次側(cè)表面平齊,焊接接頭如圖4 所示。管道與管板接頭處為強度焊,焊縫有效高度需大于1.4 倍管道壁厚。焊接時鎢極尖端對準管道和管壁的縫隙,略偏向管板,保證管道和堆焊層均勻吸收電弧熱量,使焊縫根部熔透,應對每一焊縫表面進行清理,去除黑色氧化物。
圖4 高壓冷卻器管子-管板封口焊
液壓脹為管板全深度脹,由于上下管板厚度不一致,因此需要根據(jù)管板厚度分別進行評定,來確定脹接參數(shù),從而使管道脹接均勻。另外,二次側(cè)末端的未脹區(qū)深度不得大于3 mm,脹接完成后,必須通過100%的渦流檢測以獲取管道的脹接外形和幾何尺寸,進而測量每一根換熱管的內(nèi)徑和未脹接縫隙深度,來評定脹接質(zhì)量。
為了證明管道-管板焊縫的密封性,在管道-管板封口焊完成后,焊縫液體滲透檢測和液壓脹之前,應進行氦氣檢漏試驗。采用100%的氦氣作為示蹤氣體,確保每一處管道-管板焊縫都不應有超過1.0×10-7Pa / (m3·s)的泄漏點存在。
氦檢漏之前,應對管板表面進行清潔和干燥,不允許有焊渣、水、油污及其他影響檢漏的雜質(zhì)存在。檢漏前,應用干燥的空氣或氮氣吹掃焊縫表面。
高壓冷卻器殼側(cè)保持密封,并用真空泵抽真空,直至殼側(cè)真空度達到絕對壓力1.7 kPa 以下,保持30 min,當壓力上升不超過50 Pa 時,往殼側(cè)充入純凈的氦氣,直至相對壓力達到0.11 MPa,保持20 min。在管板一次側(cè)開始用氦檢漏儀檢漏,并應把專用檢漏罩罩在管道-管板焊縫上,專用檢漏罩與周圍的管板表面保持密封,通過抽氣軟管將密封區(qū)域內(nèi)的氣體抽送到檢漏儀中,如圖5 所示。注意檢漏的時間應大于3 倍的系統(tǒng)響應時間,并不小于1 min。泄漏率大于1.0×10-7Pa / (m3·s)時,焊縫為不合格,且應做好記錄。
圖5 高壓冷卻器管子-管板氦檢漏
管箱封頭和管箱法蘭都采用低合金鋼材料,且與一回路冷卻劑直接接觸,因此都必須在內(nèi)壁堆焊不銹鋼。管箱封頭應先與管箱法蘭進行對接焊,檢查合格以后再進行管箱封頭和法蘭的內(nèi)壁堆焊及管箱法蘭的環(huán)形區(qū)域的堆焊。其中管箱封頭和管箱法蘭的內(nèi)壁堆焊采用自動焊機進行橫堆焊,而管箱法蘭的環(huán)形區(qū)域的堆焊采用平堆焊的方式,其余工藝與管板的堆焊工藝相同,都是采用自動鎢極氬弧焊進行不銹鋼309L 與308L 的組合堆焊。
進出口接管及管側(cè)排氣接管都采用不銹鋼材料,而管箱封頭和下封頭采用低合金鋼材料,在異種金屬對接焊之前,都應在管箱封頭和下封頭上堆焊鎳基隔離層,鎳基隔離層厚度應≥30 mm,然后再與相應的接管焊接。
管箱封頭及下封頭鎳基隔離層與進出口接管的馬鞍形焊縫結(jié)構(gòu)為安放式,坡口位于接管上,采用手工氬弧焊打底厚度需達10 mm 以上,再進行手工焊條電弧焊填充的焊接工藝,焊接位置為兩側(cè)立向上。接管內(nèi)壁預留6 mm 的凸臺余量,焊后機加去除,以避開馬鞍形焊縫根部缺陷風險區(qū)。焊接時,要特別注意防止產(chǎn)生焊接變形,必要時應布置防變形工裝。
管箱封頭鎳基隔離層與排氣接管的焊縫為插入式結(jié)構(gòu),應采用雙面焊,雙V 形坡口,先在內(nèi)側(cè)采用手工焊焊滿,再在外側(cè)進行清根,然后在外側(cè)采用手工焊焊滿,應特別注意清根深度,將鈍邊及成形不良的焊縫清除即可,至少留8 mm 厚的焊縫,以免后續(xù)在外側(cè)焊接的時候燒穿焊縫。
高壓冷卻器為換熱型設(shè)備,結(jié)構(gòu)比較復雜。本文對高壓冷卻器的結(jié)構(gòu)和制造過程中的幾個關(guān)鍵工藝如管板堆焊、管板深孔鉆、穿管、定位脹、封口焊、氦檢漏、液壓脹、管箱封頭與接管的焊接以及在開展相關(guān)制造工序時的注意事項進行了詳細介紹。
(1)管板堆焊時,為了減小變形量,可以采用熱絲TIG 焊進行一次側(cè)和二次側(cè)交替焊接。
(2)由于管板母材和不銹鋼堆焊層的硬度不同,深孔鉆時,應分別在不帶堆焊層且材質(zhì)與母材一致的試板和帶堆焊層試板上試鉆,從而調(diào)整并確定各項鉆削參數(shù)。
(3)穿管時,應先穿上管板,然后把制造好的殼程組件套裝入管束組件,并調(diào)整上管板與殼程組件的垂直度、同心度后點焊固定管板與殼程組件。
(4)氦檢漏時,要先將殼側(cè)抽真空,再充入氦氣,直至殼側(cè)和管側(cè)的相對壓力達到0.11 MPa。然后在管板一次側(cè)開始用氦檢漏儀檢漏。