方會(huì)巧,于 新,馬玉琳,劉志強(qiáng)

(中國(guó)核工業(yè)二四建設(shè)有限公司,福建 漳州 363300)

“華龍一號(hào)”作為我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代核電，在設(shè)計(jì)上與M310堆型相比，不銹鋼覆面增加了頂板結(jié)構(gòu)，形成了“帶頂”的大型環(huán)狀水箱密閉結(jié)構(gòu)，其制造、安裝難度加大了許多。漳州核電“華龍一號(hào)”核電機(jī)組的外掛水箱，作為非能動(dòng)熱量導(dǎo)出的重要組成部分，分析其結(jié)構(gòu)密封性要求很高，尺寸大，變形難以控制，工期長(zhǎng)的特點(diǎn)，漳州核電外掛水箱在福清核電機(jī)組基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。由福清核電5號(hào)機(jī)組的單片式后貼法，到福清核電6號(hào)機(jī)組的少量小尺寸先貼法，最后將漳州外掛水箱優(yōu)化為大尺寸大面積先貼，部分小尺寸后貼的辦法，在保證工程質(zhì)量的同時(shí)減少施工周期。漳州核電“華龍一號(hào)”外掛水箱作為漳州核電機(jī)組中尺寸最大的不銹鋼結(jié)構(gòu)，其預(yù)制加工難度極大，其預(yù)制施工方法、工裝設(shè)計(jì)、焊接方法等值得在后續(xù)的核電及類似不銹鋼結(jié)構(gòu)中推廣。

1 不銹鋼水箱概況

福建漳州核電1號(hào)機(jī)組非能動(dòng)熱量導(dǎo)出水池(如圖1所示)位于1RB外殼混凝土外側(cè)，圍繞核島一周，共分三段，分別為75°～195°、195°～315°、315°～75°，每段水箱相互隔開，相互獨(dú)立，水箱設(shè)計(jì)標(biāo)高為+42.36～+55.60 m，其中+42.36～+50.654 m標(biāo)高為地坑，每段水箱一個(gè)，分別位于10°～25°、155°～170°、255°～270°區(qū)域間；+50.654～+55.60 m層為環(huán)廊結(jié)構(gòu)，為水池主體區(qū)域。水池覆面內(nèi)墻半徑為R28060，外墻半徑為R31290，寬度3.23 m。

圖1 1RB非能動(dòng)熱量導(dǎo)出水池三維模型圖Fig.1 3D model diagram of 1RB passive heat export pool

水池不銹鋼覆面分為池底覆面、池壁覆面、池頂覆面三部分，其中池頂及池壁覆面大部分采用先貼法模塊安裝，池底覆面、池壁模塊間后貼區(qū)采用后貼法施工。水池鋼覆面主要由覆面板、專用型鋼、背肋骨架、排水管、人孔及爬梯等構(gòu)件組成，其中爬梯作為水池最終進(jìn)出通道，水箱底板、壁板、頂板覆面材質(zhì)均為022Cr19Ni10，板厚分別為6 mm、4 mm、3 mm。

水池池頂覆面共分26個(gè)模塊，其中最大模塊尺寸為2.58 m×9.35 m，重量約0.81 t，其中6個(gè)模塊位于水池預(yù)留洞口處，待水池內(nèi)部施工完成后對(duì)其封堵；池壁覆面先貼法分為67個(gè)模塊，包含地坑覆面先貼法模塊12個(gè)，除凸臺(tái)位置部分模塊為平板模塊外，其余池壁模塊均為弧形模塊，最大模塊尺寸11 m×4.916 m，重量約3.41 t。

非能動(dòng)熱量導(dǎo)出水池屏蔽等級(jí)為B-SC2級(jí)，安全功能等級(jí)為F-SC1級(jí)，質(zhì)保等級(jí)為QA1級(jí)。

2 標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)技術(shù)

傳統(tǒng)工藝中，不銹鋼水箱是在混凝土澆筑完成后進(jìn)行安裝，鋼覆面板劃分比較小(如圖2所示)，在車間加工完畢后運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后需要一塊一塊地放線定位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼接，焊接工作量非常大。作業(yè)空間受限，材料運(yùn)輸、焊工操作都存在著極大的困難。基于傳統(tǒng)的施工經(jīng)驗(yàn)，在不銹鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)不銹鋼水箱進(jìn)行模塊劃分(如圖3所示)，在車間進(jìn)行批量化模塊加工，同時(shí)考慮采用整體吊裝方法在混凝土澆筑之前將不銹鋼水箱安裝就位來(lái)達(dá)到降低成本，提高效率的目的。

圖2 外掛水箱優(yōu)化前的單片模型Fig.2 Monolithic model of external water tank before optimization

圖3 外掛水箱優(yōu)化后的單個(gè)模塊模型Fig.3 Single module model of external water tank after optimization

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為防止結(jié)構(gòu)變形過(guò)大，外掛水箱采用的是1400～1600 mm寬度的不銹鋼鋼板進(jìn)行拼接，焊縫數(shù)量巨大；基于福清核電廠的施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)不銹鋼水箱進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)考慮模塊化施工后的批量化生產(chǎn)及不影響后續(xù)土建施工等方面，經(jīng)過(guò)三維建模預(yù)先模擬，最終按照標(biāo)準(zhǔn)模塊的長(zhǎng)度為9000 mm劃分，這樣設(shè)計(jì)大大減少了焊縫數(shù)量，減輕了焊接工作量，同時(shí)更好的保證了結(jié)構(gòu)的密封性。

3 模塊批量化生產(chǎn)技術(shù)

外掛水箱作為核電最大的水箱，零件共計(jì)11 518件，因其功能特殊質(zhì)量加工精度要求高，僅靠人工預(yù)制工作量大，精度也難以保證。經(jīng)過(guò)綜合評(píng)估，在對(duì)水箱進(jìn)行合理模塊劃分后，利用策劃初期Tekla Structures軟件建好的三維模型，從中導(dǎo)出模型劃分后的覆面板的NC程序，將NC程序輸入到數(shù)控機(jī)床中實(shí)現(xiàn)覆面板及弧形板接長(zhǎng)板的批量加工，在保證加工精度的同時(shí)縮短工期，達(dá)到降本增效的目的。

3.1 模塊成形制作技術(shù)

外掛水箱內(nèi)環(huán)、外環(huán)優(yōu)化后的覆面壁薄尺寸大，為批量成型，預(yù)制過(guò)程中采用胎具(圖4所示)進(jìn)行成形，胎具弧度根據(jù)不銹鋼壁板的半徑確定，根據(jù)壁板的高度合理設(shè)置胎具主梁的間距，間距過(guò)大，不銹鋼壁板容易發(fā)生較大變形，間距過(guò)小浪費(fèi)材料不經(jīng)濟(jì)。

不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)化模塊高度根據(jù)工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，胎具高度按照能滿足焊接人員施焊操作空間為原則一般在1200 mm左右，支撐、立柱盡量均勻布置，胎具弧長(zhǎng)根據(jù)模塊的弧長(zhǎng)來(lái)定，由于外環(huán)所有模塊半徑都相同，內(nèi)環(huán)所有模塊半徑也相等，所以胎具設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)、外環(huán)分別按照各自半徑中模塊最大弧長(zhǎng)設(shè)計(jì)胎具弧長(zhǎng)，弧形板成型胎具只需設(shè)計(jì)兩套即可，這樣既可保證加工精度又經(jīng)濟(jì)合理。胎具如圖4所示。

圖4 成型胎具Fig.4 Forming mould

3.2 模塊的防變形技術(shù)

3.2.1 骨架防變形工裝

不銹鋼模塊背肋采用L70×6的角鋼制作，背部橫向背肋原則上通長(zhǎng)，并設(shè)置透氣孔，豎向背肋分段進(jìn)行制作。

背肋角鋼制作完成后需要在成型胎具上進(jìn)行拼裝，拼裝過(guò)程中應(yīng)著重注意骨架間距以及骨架與覆面貼合面平整，骨架背肋選用手工鎢極氬弧焊或手工電弧焊進(jìn)行焊接，其角焊縫焊腳高度應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行焊接，對(duì)接焊縫不得低于母材。

背肋骨架焊接完成需要根據(jù)其模塊半徑進(jìn)行調(diào)整，在使用工裝進(jìn)行調(diào)整的過(guò)程中應(yīng)對(duì)骨架做好保護(hù)，嚴(yán)禁直接錘擊骨架，避免骨架母材損傷，其調(diào)整變形工裝可以采用圖5或圖6所示的簡(jiǎn)易工裝，采用工裝對(duì)模塊校正時(shí)，千斤頂與模塊間應(yīng)增加墊板，防止受力過(guò)于集中導(dǎo)致局部母材損傷，也可以對(duì)工裝進(jìn)行改裝，但要保證施工安全。

圖5 夾梁工裝 Fig.5 Clamping beam tooling

圖6 骨架變形調(diào)整工裝Fig.6 Framework deformation adjustment tooling

骨架拼裝過(guò)程中應(yīng)對(duì)骨架進(jìn)行標(biāo)注模塊編號(hào)[1]，編號(hào)在骨架四周進(jìn)行設(shè)置且保證施工過(guò)程中編號(hào)完整，以便于施工及過(guò)程檢查。

對(duì)于覆面、包邊拼接縫處的檢漏槽需要在骨架背肋上開孔，開孔時(shí)機(jī)應(yīng)選擇在覆面、包邊焊接完成且骨架制作完成后，首先在覆面背部放出骨架組對(duì)控制線(僅放出骨架四周定位線即可)，骨架初步就位后根據(jù)焊縫實(shí)際位置在骨架上畫出檢漏槽位置，根據(jù)選用的不同結(jié)構(gòu)形式的檢漏槽，按照尺寸進(jìn)行開孔，應(yīng)注意開孔間隙。

3.2.2 焊接防變形技術(shù)

不銹鋼模塊尺寸較大，采用橫向布板原則，模塊制作過(guò)程中要先進(jìn)行模塊中間位置覆面拼板焊接，覆面拼板采用手工焊[1](手工鎢極氬弧焊)或自動(dòng)焊[1](熱絲TIG自動(dòng)焊、等離子弧自動(dòng)焊)根據(jù)合格的工藝評(píng)定進(jìn)行焊接。拼板過(guò)程中應(yīng)將焊縫兩側(cè)保護(hù)膜進(jìn)行去除，保證焊縫坡口[3]及鄰近區(qū)域干燥、清潔，拼板過(guò)程中應(yīng)設(shè)置足夠的防變形工裝(如圖7所示)，及時(shí)對(duì)變形位置進(jìn)行調(diào)整，拼板焊接過(guò)程中應(yīng)對(duì)覆面進(jìn)行編號(hào)。具體焊接操作要點(diǎn)有以下六點(diǎn)。

圖7 防變形工裝Fig.7 Anti deformation tooling

(1)定位焊要求

當(dāng)覆面對(duì)接焊縫采用手工焊(手工鎢極氬弧焊、手工焊條電弧焊)或熱絲TIG自動(dòng)焊焊接時(shí)，需要根據(jù)工藝評(píng)定要求在焊縫上設(shè)置定位焊。定位焊接時(shí)嚴(yán)格按照焊接數(shù)據(jù)包中相關(guān)的定位焊信息執(zhí)行(如定位焊的保留、清除、馬鞍板裝配以及工藝參數(shù)等)，定位焊的長(zhǎng)度及間距參考表1。

(2)手工鎢極氬弧焊

模塊制作過(guò)程中，包邊接長(zhǎng)、覆面與包邊、覆面與骨架、異型包邊等構(gòu)件焊接時(shí)可采用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照工藝評(píng)定參數(shù)進(jìn)行焊接，組對(duì)、焊接過(guò)程中應(yīng)對(duì)構(gòu)件增加防變形措施，例如在焊縫兩側(cè)增加配重塊或者增加相關(guān)工裝夾具以控制焊縫變形。對(duì)于厚度小于5 mm構(gòu)件焊接時(shí)，應(yīng)在焊縫背部進(jìn)行充氬保護(hù)。

(3)熱絲TIG自動(dòng)焊

對(duì)于覆面與覆面長(zhǎng)、直焊縫可以根據(jù)實(shí)際情況選用熱絲TIG自動(dòng)焊進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照工藝評(píng)定參數(shù)進(jìn)行焊接。焊縫根據(jù)焊接工藝評(píng)定選用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行點(diǎn)焊、打底，后開始進(jìn)行焊機(jī)裝配，檢查軌道吸盤與覆面連接是否牢固，安裝熱絲TIG自動(dòng)焊機(jī)、軌道，檢查各設(shè)備連接、工作狀態(tài)是否正確、完好，調(diào)節(jié)焊槍與焊縫位置并進(jìn)行模擬焊接測(cè)試，無(wú)誤后開始正式焊接。

(4)等離子弧自動(dòng)焊

對(duì)于覆面與覆面長(zhǎng)、直焊縫可以根據(jù)實(shí)際情況選用等離子弧自動(dòng)焊進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照工藝評(píng)定參數(shù)進(jìn)行焊接。

1)下料及坡口

模塊覆面下料依據(jù)模塊構(gòu)件及等離子弧自動(dòng)焊焊接工藝要求進(jìn)行不銹鋼覆面板下料。采用激光切割機(jī)對(duì)不銹鋼覆面鋼板進(jìn)行切割下料，或者選擇出廠覆面板的切割邊緣直接打磨加工后實(shí)施組對(duì)，必要時(shí)采用銑邊機(jī)對(duì)坡口面進(jìn)行機(jī)械加工。覆面板坡口面需滿足等離子弧焊接工藝評(píng)定要求，焊接坡口為直邊I型坡口。

2)焊接準(zhǔn)備

覆面板在拼板機(jī)上組對(duì)就位后，將等離子弧自動(dòng)焊焊接小車運(yùn)至拼板機(jī)焊縫工作區(qū)，完成等離子弧自動(dòng)焊設(shè)備在拼板機(jī)設(shè)備上的裝配與調(diào)試，設(shè)備布線要確保焊接電纜線的有效長(zhǎng)度，保證焊接小車有效實(shí)施焊接。等離子弧焊接設(shè)備及配套拼板專機(jī)裝配步驟如下：調(diào)節(jié)線軌位置→設(shè)備就位→連接設(shè)備線路→安裝小車及調(diào)試→模擬焊接跟蹤(測(cè)試)→正式焊接。

3)焊后檢查

焊接完成后，需采用不銹鋼鋼絲刷對(duì)焊縫表面進(jìn)行磨刷處理，露出金屬光澤。同時(shí)對(duì)背面焊縫余高進(jìn)行打磨處理，保證焊縫圓滑過(guò)渡且焊縫余高不低于母材。焊接完成后的焊縫需保持潔凈等待焊后無(wú)損檢測(cè)。

(5)螺柱焊

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，1RB非能動(dòng)熱量導(dǎo)出水池墻板模塊及頂板模塊采用φ10 mm的焊釘通過(guò)螺柱焊接在骨架背肋上，以起到錨固作用。

1)焊前準(zhǔn)備

焊接前應(yīng)按照數(shù)據(jù)卡調(diào)整好焊接參數(shù)，焊機(jī)線夾不得與覆面直接接觸，應(yīng)設(shè)置在背肋、型鋼外扣等構(gòu)件上；檢查焊釘規(guī)格型號(hào)、尺寸是否符合設(shè)計(jì)文件要求，檢查焊釘端部觸點(diǎn)是否完好；對(duì)于已經(jīng)銹蝕嚴(yán)重(表面脫落鐵銹)的焊釘應(yīng)避免使用；檢查配套焊接磁環(huán)是否完好，規(guī)格是否正確；焊接使用的磁環(huán)應(yīng)保持干燥，若發(fā)生受潮，在使用前應(yīng)置于120～150 ℃的烘干箱進(jìn)行烘焙1～2 h；檢查背肋焊釘焊接定位點(diǎn)間距、尺寸是否符合設(shè)計(jì)圖紙要求。

2)焊接要求

焊前設(shè)置焊接工藝參數(shù)應(yīng)滿足焊接數(shù)據(jù)包相關(guān)參數(shù)要求；對(duì)于不同規(guī)格焊釘焊接時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整焊槍頭距離工件長(zhǎng)度；焊接時(shí)應(yīng)保證焊釘垂直于模塊背肋，保證焊釘焊接后周圍形成均勻、飽滿的焊道；

3)焊接時(shí)機(jī)及要求

由于所采用的焊釘材質(zhì)為ML15AL，屬于碳鋼一種，避免焊釘生銹對(duì)模塊造成污染，故在焊釘焊接時(shí)機(jī)應(yīng)選擇在模塊酸洗鈍化前或酸洗鈍化后進(jìn)行，優(yōu)先選擇酸洗鈍化后進(jìn)行。若選擇酸洗鈍化后進(jìn)行螺柱焊，焊釘焊縫周邊產(chǎn)生的黑色氧化物采用棉布或百潔布進(jìn)行擦除即可；若選擇酸洗鈍化前進(jìn)行焊接，酸洗時(shí)應(yīng)避開該處焊縫及焊釘，不進(jìn)行酸洗。焊釘焊接完成后，若距離出廠時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)對(duì)焊釘進(jìn)行隔離處理，可采用紙膠帶、保護(hù)膜等進(jìn)行隔離處理。焊釘在焊接及模塊存放過(guò)程中應(yīng)保持干燥，且盡量避免手部直接接觸焊釘，避免生銹。

4)焊釘焊縫無(wú)損檢驗(yàn)

模塊上的螺柱焊焊接完成后應(yīng)及時(shí)清理飛濺、瓷環(huán)等物項(xiàng)，瓷環(huán)采用敲擊的方式去除，并保證清理干凈，螺柱焊應(yīng)保證焊縫飽滿，飛邊均勻，同時(shí)焊縫進(jìn)行100%VT檢查[2]以及10%彎曲試驗(yàn)后的外觀檢查，確保焊縫無(wú)裂紋、斷裂等缺陷。

5)焊釘彎曲試驗(yàn)

模塊上的螺柱焊釘焊接完成后應(yīng)進(jìn)行10%的隨機(jī)敲擊試驗(yàn)(錘擊)，焊釘?shù)倪x取由技術(shù)員隨機(jī)選擇(或過(guò)程監(jiān)督人員選擇)。對(duì)于每個(gè)焊工，在其開工前和開工后，做下列工作：焊接兩個(gè)焊釘(焊接在與實(shí)體等厚的不銹鋼板或同實(shí)體構(gòu)件余料上)，冷卻后，將其彎到35°。如果發(fā)現(xiàn)有裂紋或斷裂，在進(jìn)行兩個(gè)復(fù)驗(yàn)，如果復(fù)驗(yàn)仍不合格，則：①如在開工時(shí)，由現(xiàn)場(chǎng)檢查人員對(duì)使用焊接工藝參數(shù)做出評(píng)價(jià)，并開不符合項(xiàng)報(bào)告；②如在收工時(shí)，將該班次所焊的全部焊釘彎到15°進(jìn)行檢查。

(6)焊縫的背面保護(hù)

覆面對(duì)接焊縫當(dāng)焊縫金屬熔覆層厚度<4 mm時(shí)，焊縫背面應(yīng)采用氬氣或其他惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)背肋與厚度小于5 mm的覆面板或包邊焊接時(shí)，焊縫背面也應(yīng)采用氬氣或其他惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。

3.3 整體模塊的翻身、倒運(yùn)

不銹鋼模塊在制作過(guò)程中因施工工藝需求，需要進(jìn)行翻身、倒運(yùn)操作。對(duì)于池壁模塊，因尺寸較大，在車間內(nèi)可采用兩臺(tái)行吊配合翻身，其中一臺(tái)行吊為主要吊裝操作，另外一臺(tái)為輔助牽引，因此需要在模塊骨架上焊接臨時(shí)吊耳便于操作，具體計(jì)算[4]驗(yàn)證過(guò)程需要符合GB 50017/GB 5009相關(guān)荷載[5]、設(shè)計(jì)計(jì)算[4]要求，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果導(dǎo)入SAP2000軟件進(jìn)行有限元分析以確保安全。對(duì)于池頂模塊可采用一臺(tái)行吊進(jìn)行翻身，池頂模塊重量小于池壁模塊最大重量，因此不再重復(fù)計(jì)算，施工過(guò)程中具體優(yōu)化工法措施在安全技術(shù)交底中進(jìn)行明確。

吊裝前嚴(yán)格檢查吊耳連接情況，如出現(xiàn)吊耳焊縫不滿足要求，吊耳變形嚴(yán)重，吊耳破損等情況，需更換吊耳后再進(jìn)行吊裝作業(yè)。模塊吊裝倒運(yùn)時(shí)，在吊裝倒運(yùn)過(guò)程中對(duì)吊索具進(jìn)行保護(hù)，避免吊索具與不銹鋼構(gòu)件直接接觸，在受力面采取措施，避免模塊因受力產(chǎn)生較大變形。

4 結(jié)論

外掛水箱的尺寸大，焊接變形難以控制，加工精度要求高，成品保護(hù)要求高，且容易變形，通過(guò)三維建模軟件模擬施工情況。同時(shí)，數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，大尺寸模塊化使得很多工作在車間完成，在提高制作精度的同時(shí)縮短了施工工期，提高安裝效率降低施工成本，同時(shí)保證了混凝土澆筑完成之前不銹鋼結(jié)構(gòu)就位的施工思路。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，核電產(chǎn)業(yè)將面臨更大的市場(chǎng)，不銹鋼作為核電一大重要板塊，不銹鋼水箱模塊的合理設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)合理的施工預(yù)制方法、防變形工裝顯得尤為重要，這也是我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)走出去，邁向世界的必由之路。