龍會松

(國核示范電站有限責任公司， 山東榮成 264300)

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電廠核島重要設備之一。為優(yōu)化管道系統(tǒng)，減少管路流道阻力損失，某三代核電堆型屏蔽式反應堆冷卻劑泵(簡稱屏蔽主泵)直接裝焊在蒸汽發(fā)生器下方出口管嘴上，其中泵殼由主泵廠家提供，蒸汽發(fā)生器制造廠家負責蒸汽發(fā)生器與泵殼的裝焊，每臺蒸汽發(fā)生器配有2臺屏蔽主泵。國內AP1000系列核電機組(如三門、海陽核電機組等依托項目)蒸汽發(fā)生器的接管和泵殼焊接原來是由國外公司進行焊接，成本非常高。制造廠家通過消化吸收相關依托項目的泵殼裝焊經驗數據，通過優(yōu)化裝配工裝、坡口設計、焊接參數、無損檢測并采用變形控制措施，實現工藝創(chuàng)新，順利實現一次焊接成功。筆者總結國內首臺自主的屏蔽主泵泵殼與蒸汽發(fā)生器接管裝焊工藝，詳細介紹各個階段實施控制要點，為后續(xù)核電機組的接管-泵殼、接管-安全端的焊接提供參考。

1 設計要求

1.1 材料

對于蒸汽發(fā)生器一次側出口管嘴低合金鋼部件，應保證其S質量分數≤0.015%；對于泵殼不銹鋼部件，應保證其S質量分數≤0.010%；對于所有接觸反應堆冷卻劑的堆焊材料，應保證其Co質量分數≤0.05%；對于對接焊焊材，應選用ERNiCr-7或ERNiCr-7A。在制造、試驗、運輸或安裝過程中，禁止使用S、Pb等低熔點金屬材料及其合金或化合物；禁止不銹鋼或鎳基合金表面接觸任何防腐劑。

1.2 模擬件制造

與依托項目相比，后續(xù)項目的機組增加了模擬件要求。對于沒有同類蒸汽發(fā)生器與屏蔽主泵泵殼焊接成功經驗的制造廠，在焊接前，應根據產品實際坡口形式至少進行一次模擬焊接，其所使用的焊接設備、焊接工藝和焊接人員的資質應能滿足實際產品焊接的要求。

1.3 裝焊要求

只允許焊接過模擬件或同類產品的焊工或焊接操作工進行焊接產品部件。工件溫度低于16 ℃時，禁止焊接。經過焊縫背面滲透檢測(PT)檢測合格后，才可以取消背面氣體保護。焊縫只允許進行一次修補，在修補前應得到采購方的認可。

1.4 尺寸要求

焊接后，應保證泵殼法蘭面與蒸汽發(fā)生器水室封頭出口管嘴軸線垂直，泵殼法蘭面與水室封頭支撐墊平行度偏差不大于3.2，同時保證泵殼圓周轉角偏差不超過±0.1°。泵殼進口管嘴與蒸汽發(fā)生器水室封頭出口管嘴焊接后，水室封頭支撐墊底部與泵殼出口管嘴中心線的距離為(1 048± 3.2) mm。

2 裝焊方案

在依托項目泵殼裝焊的基礎上，開展工藝評定、模擬件制作，優(yōu)化屏蔽主泵殼裝焊工藝方案。采用管嘴鎳基隔離層、泵殼不銹鋼隔離層、鎳基焊絲填充方式進行裝焊。首次采用帶止口雙U形設計的坡口，坡口間隙小，便于裝配和焊接[1]。坡口整體設計見圖1。

圖1 坡口設計整體

2.1 隔離層堆焊

管嘴隔離層(鎳基隔離層)、泵殼隔離層(不銹鋼隔離層)均選用使用較多的自旋轉鎢極氬弧焊設備(見圖2)。其中，管嘴隔離層在蒸汽發(fā)生器制造中完成，泵殼隔離層堆焊在泵殼入廠后完成。

圖2 隔離層堆焊焊接設備

根據依托項目的經驗，堆焊過程中隔離層在母材、熔合線、內外壁處極易出現缺陷。制造廠優(yōu)化了堆焊工藝，在泵殼外圈增加擋氣環(huán)、減少首層焊接熱輸入量、加大焊道間清理頻次，可有效避免缺陷產生。隔離層主要堆焊參數見表1。

表1 隔離層主要堆焊參數

2.2 泵殼裝配

與依托項目相比，后續(xù)項目的泵殼更大，需要單獨設計可靠的裝配支撐架，以滿足裝配的各項尺寸要求，該支撐架具備同時裝配和調節(jié)2臺屏蔽主泵泵殼的能力。應保證裝配后給焊接操作留有足夠的調整空間，通過行車與支撐架配合，使泵殼法蘭面與蒸汽發(fā)生器水室封頭出口管嘴軸線垂直；泵殼圓周轉角偏差為0.02°(要求不超過±0.05°)，泵殼法蘭面與水室封頭支撐墊平行度偏差為1.31(要求不大于1.50)。

2.3 泵殼焊接

制造廠通過優(yōu)化坡口設計，有可效減少焊接量并控制焊接變形。焊機采用使用較多的全位置鎢極氬弧焊焊機，該設備主要為窄間隙自動焊，背側清根，焊接質量穩(wěn)定可控。主要工序包括導軌安裝，中間部分焊接，內側清根(5～7 mm)，內側焊接，外側焊接[2]。

制造廠通過尺寸干涉和可靠性分析，以合理設定導軌形式及安裝方位。外側焊接時導軌安裝在泵殼側(見圖3)，內側焊接時導軌安裝在出口接管側，機頭行走平穩(wěn)，導軌與工件的同軸度和平面度滿足要求，其中同軸度為1.32 mm(要求不大于2.00 mm)，平面度為0.8 mm(要求不大于1.0 mm)。

圖3 焊機外側導軌布置

焊接前對“人、機、料、法、環(huán)”等要素進行控制。盡可能安排熟練焊工，每班安排2～3人；焊接前對焊機電源進行檢定，確保輸出電流穩(wěn)定；焊接場所應設立封閉區(qū)域，做好防塵、防風等措施；焊接采用雙上坡焊方式，根據尺寸情況合理布置焊接收起弧點，為減輕局部區(qū)域的過熱和減少易出現缺陷區(qū)域的集中，相鄰焊道收起弧點搭接點的間距至少為30 mm。焊接操作滿足規(guī)程要求，焊接參數見表2。

表2 焊接參數

3 變形控制

鎳基窄間隙自動焊為制造廠較為成熟的焊接工藝，與設備安全端裝焊、主管道裝焊類似，該工藝在制造廠積累了大量的實踐案例，質量風險可控[3]。但由于泵殼較大，在焊接過程中容易產生焊接變形，因此尺寸控制是泵殼裝焊過程中的重要管控內容。

3.1 尺寸跟蹤

泵殼裝焊后要求泵殼法蘭面與水室封頭支撐墊平行度偏差不大于設計要求值(3.2)，因此需要對測量尺寸進行動態(tài)跟蹤。一般可建立激光跟蹤測量系統(tǒng)，通過監(jiān)測靶座的位移變化來檢測泵殼的位移變化。

在實際裝焊過程中，泵殼由于支撐架的作用不能向下移動，焊縫完全冷卻后導致泵殼向上偏移，造成平行度不滿足要求。實踐表明，泵殼裝焊在初始1～8層焊道，平行度偏差變化比較大，如果控制不當，極易導致其超出要求值(3.2)，應重點關注其變化。泵殼裝焊平行度偏差隨焊接層數的變化見圖4。

圖4 泵殼裝焊平行度偏差隨焊接層數的變化

3.2 變形控制

通過總結依托項目經驗，制造廠對尺寸控制各項措施進行細化，通過尺寸預留、交叉施焊、剛性固定等多種方式確保尺寸在設計范圍內。

(1) 裝配階段控制。裝配時在泵殼法蘭面與蒸汽發(fā)生器支撐墊之間預留6～8 mm；平行度按6點鐘方向負偏差控制。裝配后利用支撐架和卡環(huán)將泵殼固定，減少焊縫冷卻后泵殼上抬量。設計制作專門楔塊，在內/外側焊接時，在相反的一側塞入楔塊，減少焊接時坡口的間隙收縮量。

(2) 焊接過程控制。動態(tài)監(jiān)測焊縫尺寸的收縮情況，在進行每層焊接時，盡可能地從6點鐘方向開始焊接，并盡可能地焊接2～3層，避免泵殼受應力造成其整體上抬。平行度若產生偏差，從偏差產生的反方向進行動態(tài)調整。

通過各項管控措施的落實，最終泵殼的裝焊尺寸檢查結果均滿足設計要求(見表3)。

表3 泵殼裝焊尺寸記錄

4 無損檢測

制造廠增加和細化無損檢測內容，如泵殼入廠再次復驗、泵殼隔離層無損檢測、泵殼內側焊接檢測。滲透檢測明確檢測試劑、評判時間標準；超聲波檢測增加多角度探頭；射線檢測統(tǒng)一射線源為Co60，采用內透射方式。無損檢測的主要適用范圍見表4，其中：“√”表示適用，“-”表示不適用。

表4 無損檢測適用范圍

泵殼對接焊縫、隔離層及其熱影響區(qū)均按照焊縫標準進行驗收，不允許存在裂紋、未熔合、未結合等危險性缺陷，缺陷顯示尺寸及數量不能超過設計要求[4]。

5 結語

屏蔽主泵泵殼與蒸汽發(fā)生器出口管嘴裝焊采用目前技術成熟的冷絲自動鎢極氬弧焊[5]，配合含止口(背側清根)的雙U形坡口設計，焊縫質量能夠滿足設計要求。但由于泵殼母材鑄件材料及尺寸原因，需要重點關注無損檢測和焊接變形控制。

對泵殼熱影響區(qū)域和不銹鋼隔離層多次進行滲透檢測、超聲波檢測、射線檢測，保證檢測盡可能覆蓋全部區(qū)域，保證焊縫驗收按照標準要求。

通過總結模擬件及同類產品的焊接經驗，合理預留焊接收縮量，對內外側坡口進行焊接前，在相反側坡口內增加楔塊進行防變形控制，同時配合交叉施焊，以及焊接變形情況和趨勢的動態(tài)監(jiān)測[6]，可確保裝焊后相關空間尺寸、角度和形位公差達到設計要求。