核電MSR殼體的防變形工裝存在問題及改進(jìn)措施

宗 倩，冀潤景，李進(jìn)江

（中國電能成套設(shè)備有限公司，北京100080）

核電MSR殼體的防變形工裝存在問題及改進(jìn)措施

宗 倩，冀潤景，李進(jìn)江

（中國電能成套設(shè)備有限公司，北京100080）

分析了核電MSR殼體變形的原因，改進(jìn)了防變形工藝措施。在殼體上采用防變形輔助工裝，并優(yōu)化了工裝的焊接方案。對(duì)殼體母材的裂紋缺陷進(jìn)行了原因排查和分析，采取了一系列針對(duì)性改進(jìn)措施，取得了良好的效果，為同類核電設(shè)備的制造方案提供借鑒。

核電；常規(guī)島；汽水分離器；再熱器；殼體；防變形；方案；改進(jìn)

0　概述

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，以及“一帶一路”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，建設(shè)核電機(jī)組或核電設(shè)備輸出將成為趨勢(shì)。汽水分離再熱器（簡(jiǎn)稱MSR）是核電站常規(guī)島系統(tǒng)中的重要設(shè)備，起著對(duì)汽輪機(jī)高排蒸汽除濕、再熱、提高蒸汽過熱度、保護(hù)低壓缸葉片、避免通流效率降低的作用。大功率核電機(jī)組的臥式MSR由殼體、分離器及兩級(jí)再熱器組成，且為一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［1］。由于MSR筒體的體積大、內(nèi)件多，裝配精度要求高，在制造過程中，如果殼體發(fā)生變形，將直接影響內(nèi)件裝配和工地安裝，變形嚴(yán)重時(shí)，將無法進(jìn)行矯正，有可能成為不合格品。

在制造環(huán)節(jié)中，為避免殼體變形，采取了一系列防變形措施。若防變形措施使用不當(dāng)，不僅起不到應(yīng)有作用，反而會(huì)影響產(chǎn)品制造質(zhì)量?，F(xiàn)以某大功率核電機(jī)組MSR的制造為例，對(duì)防變形工裝焊接部位出現(xiàn)裂紋缺陷的成因進(jìn)行了分析，找出了防變形工裝在裝焊中存在的問題，提出了解決方案以及改進(jìn)措施。通過工程實(shí)踐，證明改進(jìn)后的工藝方案是科學(xué)合理的。

1　核電MSR的殼體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

某型MSR依據(jù)ASME規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，殼體結(jié)構(gòu)及布置，如圖1所示。殼體和封頭材質(zhì)選用碳鋼SA—516Gr.70，殼體的設(shè)計(jì)壓力為1.15 MPa，設(shè)計(jì)溫度為316℃。殼體外徑為4 264 mm，臥式筒體由11段筒節(jié)組焊而成，筒體長度為25 m，壁厚為32 mm，屬于薄壁大直徑筒體。封頭采用蝶形沖壓封頭。MSR殼體筒身上布置了數(shù)量較多的大直徑接管，如循環(huán)蒸汽進(jìn)、出口接管、殼側(cè)疏水出口接管、安全閥接管等。在殼體上還分布了加強(qiáng)板、墊板等數(shù)量較多的構(gòu)件。在筒體內(nèi)壁與濕蒸汽接觸的部位均襯有不銹鋼板。汽水分離再熱器的循環(huán)蒸汽進(jìn)汽口接管，布置在殼體的底部，出汽口布置在殼體上部。進(jìn)口及出口接管各有三路［1］。在筒體外殼上共有4個(gè)支座，其中1個(gè)為固定支座，3個(gè)滑動(dòng)支座，以滿足殼體熱膨脹的需要。

圖1　某大功率核電MSR結(jié)構(gòu)圖

2　引起殼體變形的因素及工藝措施

在制造過程中，如果壓力容器的幾何尺寸與圖樣要求不一致，或者超出制造標(biāo)準(zhǔn)中的要求，在制造或裝配時(shí)就易出現(xiàn)變形。產(chǎn)生變形的原因可分三類：應(yīng)力引發(fā)變形、加工誤差引發(fā)變形以及設(shè)計(jì)缺陷引起的變形。三類變形的原因樹，如圖2所示。為防止殼體變形，可分別采用主動(dòng)性或被動(dòng)性措施。主動(dòng)性措施包括通過優(yōu)化工藝，減小加工或焊接過程的應(yīng)力變形；被動(dòng)性措施則包括采用防變形工裝，增加工件剛度以控制變形。

圖2　殼體制造變形原因樹

2.1 MSR殼體制造的特點(diǎn)

（1）MSR筒體屬于薄壁大直徑筒體，在焊接過程中，易產(chǎn)生焊接變形。（2）MSR殼體上的焊接接管，直徑大于800 mm有8個(gè)，直徑在100～800 mm 有14個(gè)，焊接工作量較大。焊接接管前，采用單點(diǎn)火焰進(jìn)行預(yù)熱，局部溫度的升降較快，易造成接管部位的焊接變形。（3）殼體內(nèi)件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)量眾多，且焊接接頭的形式大部分為角向焊接，焊接工作量大，易導(dǎo)致焊接變形［2］。（4）MSR筒體的焊后熱處理，原采用兩段組焊筒體的分段熱處理，現(xiàn)改為焊后整體熱處理，這對(duì)防變形工裝的布置提出了更高要求，如支撐位置不合理或支撐強(qiáng)度不足，會(huì)引起熱處理后的殼體變形。

由殼體變形的原因分析可知，影響MSR殼體變形的因素，主要是焊接應(yīng)力引發(fā)的變形。在殼體制造過程中，應(yīng)采取相關(guān)措施，重點(diǎn)是減小焊接及熱處理過程中的殼體變形。

2.2 工藝上的防變形措施

（1）主動(dòng)性措施，是對(duì)焊接方法進(jìn)行選擇或優(yōu)化焊接方案。在筒體焊接或筒體與接管焊接時(shí)，選擇實(shí)心焊絲，采用MAG焊接方法，保護(hù)氣體選擇80%Ar+20%CO2的混合氣體。這種焊接方法可實(shí)現(xiàn)快速焊接，相比較其他焊接方法，該焊接方法的焊接熱輸入量最小，對(duì)控制焊接變形極為有利。另外，由于焊接過程中沒有熔渣及粉塵的參與，有效地保證了焊接環(huán)境的清潔度，滿足了接觸介質(zhì)的表面不允許殘留堿性物質(zhì)的要求。在內(nèi)件焊接時(shí)，綜合考慮了焊縫的表面成形和焊接變形等因素，根據(jù)內(nèi)件的焊接位置及焊縫結(jié)構(gòu)，選擇了實(shí)心焊絲及MAG焊接方式或TIG焊接方式［2］。

嵌入式接管與筒體的環(huán)向焊縫，是具有較大拘束度的焊接焊縫，采取了分段對(duì)稱焊的方式。對(duì)于直徑大于800 mm的接管焊縫，按圖3（a）所示，進(jìn)行分段焊接。焊接順序?yàn)?，1'→2，2'→3，3'→4，4'，其中1，1'～4，4'分別由2名焊工同時(shí)進(jìn)行焊接。對(duì)于直徑為500～800 mm的接管焊縫，按圖3（b）所示，進(jìn)行分段焊接。焊接順序?yàn)?→2→3→4。對(duì)于兩側(cè)焊腳相等的雙面角焊縫，在焊接時(shí)，進(jìn)行兩側(cè)的對(duì)稱焊接。焊接接頭的焊道排布，如圖4所示。焊接順序?yàn)?→1'→2→2'→3→3'。采用多層焊取代單層焊，每層選用較小的焊接熱輸入［2］。

圖3　接管焊接順序圖

圖4　角焊縫焊道排布

（2）被動(dòng)性措施，是采用輔助工裝防止殼體變形。為防止筒體徑向的焊接變形，在筒節(jié)焊接時(shí)輔以撐圓工裝，在消應(yīng)力熱處理后再進(jìn)行拆除，并在接管端口處預(yù)留余量，如圖5所示。為防止在開孔及接管焊接過程中的筒身變形，需在熱處理前，在殼體外部裝焊多道防變形環(huán)形工裝。在大接管兩側(cè)，采用了防變形環(huán)與筒體外壁貼合+環(huán)向間斷焊的方式，防變形環(huán)與筒體間為剛性連接，如圖6所示。

圖5　殼體內(nèi)部的防變形支撐環(huán)

圖6　殼體外部的防變形工裝

3　拆除防變形工裝后情況及缺陷成因

某型百萬核電機(jī)組的A編號(hào)MSR殼體，在完成焊接并進(jìn)行整體熱處理后，拆除了筒體上的防變形工裝，并對(duì)原工裝間斷焊的位置進(jìn)行MT檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)17處裂紋，缺陷深度在3～7 mm，已超出檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。盡管對(duì)此類缺陷的修復(fù)有著成熟的工藝和經(jīng)驗(yàn)，但殼體母材出現(xiàn)裂紋缺陷，是屬于較大質(zhì)量問題。因此，必須對(duì)裂紋的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并需采取相關(guān)措施，避免裂紋的再次產(chǎn)生。

根據(jù)MSR殼體的制造工藝，針對(duì)所發(fā)生的問題，進(jìn)行了原因分析和情況排查。

（1）經(jīng)查閱相關(guān)施焊記錄，在防變形環(huán)施焊前，按焊接工藝要求進(jìn)行了預(yù)熱。在以往MSR的殼體制造中，曾出現(xiàn)過拆除內(nèi)部臨時(shí)支撐后，殼體母材產(chǎn)生了裂紋等問題，因此，對(duì)于工裝焊接、拆除等過程中采取的防護(hù)措施，相當(dāng)重視，所以，由于防變形環(huán)焊接而引起母材裂紋的可能性不大。

（2）以往熱處理爐較小，殼體為分段熱處理，經(jīng)熱處理爐的升級(jí)改造，現(xiàn)已改為整體熱處理，所以，很容易認(rèn)為新的熱處理工藝存在問題，導(dǎo)致了裂紋的出現(xiàn)。然而，通過對(duì)已完成焊接，尚未進(jìn)行熱處理B編號(hào)的MSR殼體進(jìn)行檢查，在拆除部分防變形環(huán)后，同樣發(fā)現(xiàn)裂紋13處，因此，可以判斷裂紋是在熱處理之前就已產(chǎn)生。

（3）在防變形環(huán)的拆除過程中，曾采用氣刨拆除的方法，因氣刨量過大，傷及了母材，碳弧氣刨的急速加熱和冷卻，在刨削表面及附近區(qū)域產(chǎn)生了增碳、粘渣和熱影響區(qū)，引起母材組織和硬度變化，因此產(chǎn)生了缺陷。針對(duì)這些問題，規(guī)定在后續(xù)工裝拆除時(shí)，氣割或氣刨距產(chǎn)品表面的距離，至少留5 mm，然后再采用機(jī)械或砒磨的方法去除剩余部分，也不能采用導(dǎo)致產(chǎn)品表面材料撕裂的方法，去除臨時(shí)性附件（如錘擊等）。在A編號(hào)的MSR殼體防變形環(huán)拆除過程中，也是嚴(yán)格工藝要求執(zhí)行的。因此，母材的裂紋缺陷，不可能是拆除工裝的不規(guī)范引起的。

通過原因分析和排查，可以判定裂紋產(chǎn)生于接管焊接過程中。制造廠對(duì)殼體進(jìn)行應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，筒身開孔、接管及其弧形加強(qiáng)板的裝焊過程中，在殼體內(nèi)部產(chǎn)生了較大焊接應(yīng)力，防變形環(huán)的安裝位置與大接管的距離較近，因此，防變形環(huán)與筒體間焊縫承受很大的焊接變形拉力。同時(shí)，在焊接接管加強(qiáng)板時(shí)，受變形環(huán)阻擋，需在變形環(huán)的局部位置，切割1個(gè)豁口，該豁口又容易造成應(yīng)力集中。受焊接應(yīng)力的影響，防變形環(huán)與母材的焊接處被拉裂，使筒體母材產(chǎn)生了裂紋。經(jīng)整體熱處理后，部分裂紋還發(fā)生擴(kuò)展，這就是防變形環(huán)拆除后，母材出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展的主要原因。另外，防變形環(huán)與筒體間每組焊縫的焊腳高度和焊角不夠，造成內(nèi)部接管的支撐強(qiáng)度不夠，也是導(dǎo)致焊接過程中變形應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂縫的原因。

4　防變形工裝的改進(jìn)及效果

通過分析發(fā)現(xiàn)，大接管焊后的應(yīng)力較集中，同時(shí)，防變形環(huán)工裝的設(shè)計(jì)也不盡合理，導(dǎo)致母材區(qū)域熱應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋。盡管通過清缺補(bǔ)焊，對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行了處理，但有必要制定措施，避免后續(xù)機(jī)組的MSR的殼體制造再次出現(xiàn)母材裂紋。通過對(duì)殼體應(yīng)力分布及裂紋分布情況進(jìn)行分析，結(jié)合工藝經(jīng)驗(yàn)制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

（1）改進(jìn)大接管焊接預(yù)熱工裝。采用圓形噴嘴加熱工裝，如圖7所示。由單點(diǎn)火焰加熱改為多點(diǎn)火焰加熱，保證了接管焊接過程中對(duì)溫度的要求，避免了預(yù)熱溫度不均及溫度降低過快等問題。

圖7　圓形噴嘴加熱工裝

（2）對(duì)防變形環(huán)與殼體外壁的焊接方式進(jìn)行優(yōu)化。將原間斷焊接位置的焊縫進(jìn)行加長和加厚，對(duì)接近接管部位的焊縫改為雙面焊。

（3）適當(dāng)增加接管兩側(cè)防變形環(huán)之間距離，使防變形環(huán)避開接管加強(qiáng)板，避免防變形環(huán)局部需開豁口而導(dǎo)致應(yīng)力集中。

（4）增加接管開孔支撐、內(nèi)部米字支撐、防變形環(huán)之間加裝槽鋼，以加強(qiáng)支撐強(qiáng)度，如圖8所示。

圖8　MSR殼體部分工裝布置簡(jiǎn)圖

通過對(duì)工裝方案的優(yōu)化，在后續(xù)機(jī)組的MSR殼體制造過程中，再未出現(xiàn)此類傷及母材并出現(xiàn)裂紋等情況，使問題得到了解決。

5　結(jié)語

大功率核電機(jī)組MSR殼體屬于薄壁大尺寸筒體，在制造過程中，產(chǎn)生變形的主要因素，是焊接、熱處理等產(chǎn)生的應(yīng)力變形。經(jīng)優(yōu)化焊接工藝，并設(shè)置了合理的防變形工裝。防止了因應(yīng)力集中而引發(fā)的母材缺陷。

針對(duì)某大功率核電MSR制造過程中出現(xiàn)的問題，提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。可對(duì)其他核電設(shè)備或同類產(chǎn)品的制造，提供有益的參考。

［1］羅吉江.海陽核電汽水分離再熱器的技術(shù)特點(diǎn)［J］.電站輔機(jī)，2014，35（1）：1-5.

［2］馮勱.AP1000汽水分離再熱器焊接變形控制［J］.鍋爐制造，2014（4）：38-40.

Problems and Improvement Measures of Anti-deformation Fixture of Nuclear MSR Shell

ZONG Qian，JI Run-jing，LI Jin-jing
（China Power Complete Equipment Co.，Ltd.，Beijing 100080，China）

Influence factors of shell deformation of nuclear MSR have been analyzed，and anti-deformation measures have been improved.Anti-deformation auxiliary fixture have been adopted on the shell，and the welding plan of the fixture is optimized and improved.Causes of the shell base material crack have been investigated and analyzed；a series of improvement measures has been taken，which obtained good results，thus provides important reference for the manufacture of similar nuclear power projects.

nuclear power；conventional island；moisture separator；reheater；shell；anti-deformation；plan；improvement

TL353+.13

B

1672-0210（2016）01-0021-04

2015-11-13

宗倩（1982-），女，工程師，畢業(yè)于東華大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)，從事核電設(shè)備監(jiān)造及技術(shù)方面的管理工作。