EPR蒸汽發(fā)生器制造過程中變形控制的研究

景軍濤， 羅吾希， 江才林， 衣 眾， 鄭 晨

（上海電氣核電設(shè)備有限公司，上海201306）

近年來，隨著國(guó)家大力發(fā)展核電政策的出臺(tái)，核電設(shè)備的制造業(yè)得到了蓬勃的發(fā)展。核電設(shè)備大致分為常規(guī)島設(shè)備和核島設(shè)備兩大部分，其中核島設(shè)備最為重要，安全等級(jí)也是最高的。核島設(shè)備主要包括反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器等，其中蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，基本覆蓋了核容器的基本制造技術(shù)，其制造難度在核設(shè)備中具有相當(dāng)?shù)拇硇裕芊从彻S核容器制造能力的水平［1］。本文結(jié)合第三代歐洲先進(jìn)壓水堆型（Evolutionary Power Reactor，EPR）蒸汽發(fā)生器的制造經(jīng)驗(yàn)，介紹了蒸汽發(fā)生器制造過程中如何預(yù)防變形和控制變形。

1 變形的定義

根據(jù)變形產(chǎn)生的原因，壓力容器制造中的變形分為兩類：① 由于應(yīng)力引發(fā)的變形，包括火焰切割變形、加工失穩(wěn)變形、焊接變形和熱處理變形等；② 由于加工誤差引發(fā)的變形，包括下料誤差變形、成型誤差變形和組裝誤差變形等［2－3］。

對(duì)于變形控制的要求，核電產(chǎn)品要高于普通壓力容器，因此在制造過程中應(yīng)根據(jù)變形產(chǎn)生的機(jī)理來制定出合理的防變形措施和制造工藝，以確保核電設(shè)備制造質(zhì)量符合圖樣和標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范要求。

2 EPR蒸汽發(fā)生器制造過程中變形的控制

2.1 改善機(jī)加工工藝控制變形

在產(chǎn)品零部件的機(jī)械加工過程中，特別是對(duì)于薄壁或細(xì)長(zhǎng)的零件，由于切削應(yīng)力的存在會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形；若按照常規(guī)的機(jī)械加工工藝會(huì)產(chǎn)生較大變形；此時(shí)，可通過合理地裝夾及改善機(jī)械加工工藝來預(yù)防變形。

在EPR蒸汽發(fā)生器短水室隔板制造過程中，零件為細(xì)長(zhǎng)件（截面尺寸約62mm×70mm，長(zhǎng)度3 337mm），材質(zhì)為NC 30Fe，多個(gè)表面都需要機(jī)械加工。若按常規(guī)方法進(jìn)行機(jī)械加工，易產(chǎn)生彎曲變形而造成尺寸超差，最終零件報(bào)廢。根據(jù)加工零件的實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，確定分步交替加工的方法進(jìn)行機(jī)械加工，最終滿足了圖紙要求，避免了零件的彎曲變形，主要加工工藝方案如下。

（1）采用2塊短水室隔板合并制造。

（2）按附圖1（a）所示的方法裝夾工件，找平平面A后，銑削加工上部各坡口（按照?qǐng)D1（a）中順序分別機(jī)械加工面①～⑤）至尺寸（加工過程中需要改變壓板位置），各加工面按圖1（a）中序號(hào)順序依次加工，并分為粗、半精、精加工階段；各序號(hào)先粗加工一遍，再半精加工一遍，最后再精加工一遍至圖紙要求。其中，圖1（b）中的加工步驟序號(hào)⑤可連續(xù)加工到圖紙規(guī)定尺寸。

（3）翻轉(zhuǎn)工件，重新裝夾，找平平面B后，銑削加工下部各坡口（按照?qǐng)D1（b）中順序分別機(jī)械加工面⑥～⑩）至尺寸（加工過程中需要改變壓板位置），其余要求同上部各坡口的機(jī)械加工。

（4）銑削加工切開零件成2件：短水室隔板1和短水室隔板2。

圖1 短水室隔板機(jī)械加工順序圖

2.2 改善焊接工藝控制變形

在產(chǎn)品的焊接過程中，由于焊接收縮會(huì)產(chǎn)生焊接變形。在壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則（Design and Construction Rules for Mechanical Com－ponents of Pressurized Water Reactor Nuclear Islands，RCCM）F篇和相關(guān)文獻(xiàn)中都要求準(zhǔn)備焊接連接的工件，在焊接過程中可用千斤頂、夾持器、裝配馬腳、臨時(shí)性搭焊、定位點(diǎn)焊和其他專用設(shè)備對(duì)準(zhǔn)、調(diào)正使其滿足公差要求［4－5］。EPR蒸汽發(fā)生器環(huán)縫坡口一般都設(shè)置止口，采用立式裝配、調(diào)節(jié)和點(diǎn)焊，然后翻轉(zhuǎn)至水平位置，在滾輪架上自動(dòng)焊焊妥；而最終環(huán)縫是臥式裝配，在裝配過程中使用千斤頂進(jìn)行錯(cuò)變量的調(diào)整。同時(shí)，對(duì)一些部件的焊接可以通過優(yōu)化焊接工藝來控制變形。

在短水室隔板與管板的焊接過程中，為了避免短水室隔板焊接過程中的變形，采用焊前預(yù)變形（即預(yù)先在焊接件上向焊接變形相反的方向給以變形，焊接后這個(gè)預(yù)變形量剛好得到抵消）和焊接時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量、分段交替焊接的方法，來控制焊接過程中的彎曲變形和扭曲變形，如圖2所示。主要工藝方案如下：

（1）焊接前，在短水室隔板的兩側(cè)距離50mm處劃焊接變形測(cè)量參考線，見圖2（a）順序1變形前。

（2）水平位置點(diǎn)焊后，在短水室隔板小坡口側(cè)制造出7mm的預(yù)變形，如圖2（b）順序1所示。

圖2 短水室隔板焊接順序圖

（3）后續(xù)每層焊縫的填充應(yīng)按圖3所示的?→?→?→?→?焊接順序分段進(jìn)行，所有序號(hào)層焊縫必須逐條焊道執(zhí)行。在任何情況下，都不允許在單層焊縫上并行焊多道焊縫；同時(shí)，在焊接過程中注意以下要求：① 實(shí)時(shí)測(cè)量基準(zhǔn)距離，監(jiān)控焊接變形；② 短水室隔板分層分段雙側(cè)對(duì)稱交替焊接，若某一個(gè)焊接順序結(jié)束前變形量已達(dá)到上限，則應(yīng)立即在相應(yīng)的焊接順序的相反的方向上繼續(xù)焊接，以防止隔板的彎曲變形和扭曲變形都能＜2mm。

圖3 短水室隔板每層焊縫分段示意圖

這種通過實(shí)時(shí)測(cè)量焊接變形來調(diào)整焊接工藝、控制變形的做法，在內(nèi)套筒支撐塊焊接、小接管焊接、上部水平支撐的焊接、下封頭和長(zhǎng)水室隔板的焊接以及短水室隔板和長(zhǎng)水室隔板的焊接時(shí)都有所應(yīng)用。

2.3 借助工藝裝備進(jìn)行變形預(yù)防

在蒸汽發(fā)生器的制造過程中，局部焊接或開孔等操作會(huì)造成筒體圓度變差，最終影響環(huán)縫的裝焊。為了避免此類情況出現(xiàn)，在EPR蒸汽發(fā)生器制造過程中設(shè)計(jì)不同的工裝安裝于筒體內(nèi)部，借助工裝來預(yù)防筒體的變形。目前，采用的防變形工裝主要有3種。

（1）星形支撐（多點(diǎn)接觸）。主要應(yīng)用于筒體車削環(huán)縫坡口時(shí)防變形。環(huán)縫裝配點(diǎn)焊時(shí)，保持筒體的圓度；星形支撐安裝后，可通過各支腿端部的千斤頂頂緊筒體內(nèi)壁以預(yù)防焊接或機(jī)加工過程中筒體的變形，或在筒體已經(jīng)出現(xiàn)輕微變形時(shí)，利用千斤頂對(duì)筒體的圓度進(jìn)行調(diào)整。星形支撐的缺點(diǎn)是，由于是幾點(diǎn)接觸，在調(diào)節(jié)圓度時(shí)容易造成筒體局部變形，有可能導(dǎo)致筒體局部圓度變差；星形支撐對(duì)于薄壁筒體效果明顯，而對(duì)于壁厚較厚的筒體則效果不佳。

在EPR蒸汽發(fā)生器管板和下筒體的立式裝配前，在下筒體接近坡口側(cè)安裝星形支撐，將下筒體裝配于管板上，裝配尺寸檢查合格后預(yù)熱點(diǎn)焊，如圖4所示。在預(yù)熱點(diǎn)焊過程中，下筒體近坡口側(cè)的星形支撐可有效地預(yù)防筒體的變形，防止因管板與下筒體厚度差異（管板厚度630mm，下筒體厚度105mm）造成的受熱不均而引起的變形差異，對(duì)裝配點(diǎn)焊造成影響。

圖4 星形支撐用于管板下筒體的裝焊

這種通過安裝星形支撐來預(yù)防變形的措施在下筒體手孔密封面的堆焊時(shí)，內(nèi)套筒制造和運(yùn)輸過程中都有所應(yīng)用，有效地防止了筒體的變形。

（2）防變形撐桿（兩段接觸）。防變形撐桿是用于筒體外壁堆焊或接管焊接。焊接前，筒體圓度較好時(shí)安裝于筒體內(nèi)壁，安裝位置對(duì)應(yīng)外壁待焊區(qū)域；使用千斤頂將防變形撐桿撐開，使其與筒體內(nèi)壁貼緊，然后使用擋塊將其焊死。防變形撐桿在整個(gè)焊接過程中以及后續(xù)的制造過程中不拆除，直至組件熱處理后才可根據(jù)工藝要求進(jìn)行拆除。防變形撐桿結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，且為兩段接觸，對(duì)于局部的變形、防變形效果較好，可適用于厚壁筒體；同時(shí)，防變形撐桿結(jié)合組件熱處理可對(duì)筒體局部的圓度進(jìn)行調(diào)整。

在EPR蒸汽發(fā)生器上部水平支撐裝焊過程中，焊接的工作量較大，且因焊接收縮，筒體會(huì)產(chǎn)生局部范圍內(nèi)大的焊接變形。針對(duì)此情況，焊接前在筒體內(nèi)壁水平支撐對(duì)應(yīng)位置安裝防變形撐桿，且在焊接時(shí)采用交替焊接的方法，可有效防止筒體與水平支撐裝焊位置的變形；在后續(xù)操作中，防變形撐桿始終保持，防變形撐桿隨爐熱處理（見圖5），之后拆除防變形撐桿，從而保證了筒體的圓度。

圖5 防變形撐桿用于水平支撐裝焊處防變形

（3）撐圓環(huán)（整圈接觸）。通常，撐圓環(huán)適用于防止筒體圓度變差。在筒體圓度較好時(shí)裝配于筒體內(nèi)部，使用千斤頂將其撐開，使其整圈與筒體內(nèi)壁接觸，然后通過螺栓將其鎖死，在后續(xù)制造過程中禁止拆除撐圓環(huán)，始終保持筒體的圓度，直至完成外部組件的對(duì)接后方可拆除。

在EPR蒸汽發(fā)生器支撐筒節(jié)（薄壁筒體，壁厚22mm）的制造過程中，卷圓、焊接和復(fù)校圓完成后，在其兩側(cè)安裝撐圓環(huán)（見圖6），在機(jī)加工坡口及其后續(xù)操作中保持撐圓環(huán)原位，保證筒體的圓度，直至支撐筒節(jié)裝配于橢圓封頭內(nèi)部，點(diǎn)焊后方可移除撐圓環(huán)。

圖6 撐圓環(huán)用于支撐筒節(jié)防變形

2.4 變形產(chǎn)生后的矯形措施

在實(shí)際生產(chǎn)中，若產(chǎn)品已產(chǎn)生變形（焊接變形或機(jī)加工變形），且可能對(duì)后續(xù)裝配產(chǎn)生影響，則可考慮采取相應(yīng)的矯形措施，如使用防變形撐桿并結(jié)合組件熱處理來進(jìn)行矯形。防變形撐桿矯形使得筒體產(chǎn)生彈性變形，通過熱處理釋放應(yīng)力后可保持矯形后的圓度；或?qū)⑼搀w長(zhǎng)軸放置于豎直狀態(tài)，且在裝配時(shí)也保持此狀態(tài)，借助重力作用使得長(zhǎng)軸變短，改善筒體的圓度。

由于二次側(cè)人孔開孔，機(jī)加工以及焊接對(duì)EPR蒸汽發(fā)生器上部殼體組件圓度產(chǎn)生影響，在熱處理前測(cè)量最終環(huán)縫坡口側(cè)的變形，發(fā)現(xiàn)筒體變形量很大，長(zhǎng)短軸最大相差14mm，具體尺寸見圖7（b）所示。根據(jù)實(shí)際變形情況，找出筒體的短軸（約位于圖7（a）所示的 E－E’軸線處），然后在短軸處設(shè)置防變形撐桿，通過使用液壓千斤頂來將短軸撐大，使得圖7（b）所示的E－E’軸線處筒體直徑與筒體平均直徑之間的差值＜6mm，然后使用擋塊將防變形撐桿焊死；上部殼體組件以短軸帶防變形撐桿處于豎直狀態(tài)進(jìn)入熱處理爐（見圖8），在熱處理后拆除防變形撐桿后進(jìn)行筒體端部圓度測(cè)量，發(fā)現(xiàn)筒體端口部的圓度得到大大改善，熱處理前后尺寸變化如圖7（b）所示，長(zhǎng)短軸差7mm。在后續(xù)上部殼體組件放置時(shí)，盡量使其長(zhǎng)軸處于豎直狀態(tài)，通過重力作用來改善筒體的變形，最終保證了筒體圓度可滿足最終環(huán)縫裝配要求。

圖7 上部殼體組件坡口熱處理前后尺寸變化曲線

圖8 防變形撐桿用于上部組件圓度的調(diào)整

3 結(jié) 論

通過上述分析，對(duì)于EPR蒸汽發(fā)生器的制造過程中變形的控制可以得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)變形產(chǎn)生的機(jī)理，采用合理的機(jī)械加工工藝和優(yōu)化的焊接方法，可以有效地預(yù)防變形；

（2）選擇合適的工藝裝備（星形支撐，防變形撐桿和撐圓環(huán)等）也可以有效地預(yù)防筒體的變形，防止焊接或機(jī)加工過程中可能產(chǎn)生的變形；

（3）對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生變形的部件，且相關(guān)變形會(huì)對(duì)后續(xù)操作造成影響，可利用工藝裝備并結(jié)合熱處理或利用重力作用來進(jìn)行矯形。

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