壓水堆核電站主冷卻劑管道安裝變形控制

郭強(qiáng)

【摘 要】壓水堆核電站反應(yīng)堆主冷卻劑管道為大直徑，大壁厚管道，簡(jiǎn)稱(chēng)：主管道。主管道管段與設(shè)備、管段與管段之間采用焊接的形式連接，由于焊縫在焊接過(guò)程中存在顯著的收縮變形，單個(gè)焊縫的焊接收縮量大約為9mm左右，因此焊接收縮變形對(duì)主管道位置、主管道連接主設(shè)備的相對(duì)位置都將產(chǎn)生很大影響。因此主管道安裝必須考慮焊縫收縮的因素，合理消化焊縫收縮產(chǎn)生的變形是主管道安裝的重點(diǎn)。如何保證主設(shè)備相對(duì)位置的形位公差控制以及采用什么樣的控制方法是本文討論的重點(diǎn)。本文以CPR1000堆型壓水堆核電站主管道安裝為依據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)出了大壁厚管道安裝的通用方法，為主管道或者其它相關(guān)項(xiàng)目大壁厚管道安裝施工提供借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】主管道；焊縫收縮；組對(duì)；反變形控制；過(guò)程監(jiān)控；環(huán)路幾何尺寸

0 引言

在壓水堆核電站建造過(guò)程中，主管道作為主系統(tǒng)重要設(shè)備，在施工邏輯上制約著其他主設(shè)備和材料的安裝工作，如：SG腔室大宗材料的安裝、反應(yīng)堆堆芯設(shè)備的安裝等。在施工質(zhì)量上，主管道安裝同樣也影響著SG以及主泵相關(guān)設(shè)備的安裝。尤其是在CPR1000堆型中，主管道焊接過(guò)程中，主管道的中心位置控制、SG以及主泵泵殼中心位置的控制以及主泵泵殼水力部件密封面的水平度等參數(shù)都受主管道焊接的影響。在主管道安裝過(guò)程中如何控制主管道位置以及主管道連接的主設(shè)備相對(duì)位置，是保證主管道能夠順利安裝的關(guān)鍵，同時(shí)也是保證其它主設(shè)備安裝質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 主管道簡(jiǎn)介

壓水堆核電站主系統(tǒng)連接反應(yīng)堆壓力容器RV、蒸汽發(fā)生器SG及主泵的管道稱(chēng)為主冷卻劑管道，簡(jiǎn)稱(chēng)：主管道。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，主泵轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力，帶動(dòng)一回路的高壓冷卻劑流動(dòng)，冷卻劑將反應(yīng)堆堆芯核燃料裂變產(chǎn)生的熱量，經(jīng)過(guò)主管道熱段傳遞給SG，在SG內(nèi)，一回路冷卻劑將熱量傳遞給二回路系統(tǒng)，然后冷卻劑再?gòu)闹鞴艿肋^(guò)渡段返回主泵進(jìn)行重復(fù)循環(huán)。

CPR1000堆型核電站，單臺(tái)機(jī)組有3個(gè)相同的主管道環(huán)路，每個(gè)環(huán)路現(xiàn)場(chǎng)安裝焊口8條。主管道外徑900mm左右，壁厚70～100mm。每個(gè)環(huán)路由1根連接RV和SG的熱段、1根連接RV和主泵的冷段、3根連接SG和主泵的過(guò)渡段組成。

2 主管道現(xiàn)場(chǎng)安裝相關(guān)技術(shù)要求

1）坡口組對(duì)要求：

手工焊：組對(duì)間隙1～4mm；坡口內(nèi)錯(cuò)邊量小于0.5mm。

自動(dòng)焊：組對(duì)間隙小于1mm；坡口內(nèi)錯(cuò)邊量小于1.5mm。

2）環(huán)路焊接后，保證主設(shè)備相對(duì)位置關(guān)系如下：

RV中心到SG中心距離10500±17mm

RV中心到主泵中心距離11327±20mm

主泵中心到SG中心距離5749±10mm

同時(shí)，SG垂直度以及主泵泵殼水平度均應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)技術(shù)要求。

3 主管道各焊口的焊接順序

主管道熱段：C4 → C1；主管道冷段：F4 → F1；主管道過(guò)渡段：U1 → U4 → U2和U6同時(shí)焊接。

當(dāng)SG具備條件后，可開(kāi)啟40°彎頭U1口焊接工作。主管道冷熱段先后順序無(wú)關(guān)，可分別或同時(shí)開(kāi)展工作。冷熱段焊接完成后，進(jìn)行過(guò)渡段的安裝焊接。

4 主管道焊接變形的分析

4.1 單個(gè)焊口的焊縫收縮量

在主管道焊縫組對(duì)點(diǎn)固后，在遠(yuǎn)離焊縫熱影響區(qū)位置，管段的0°、90°、180°、270°方向上使用樣沖打出4對(duì)監(jiān)控點(diǎn)，用于監(jiān)控焊接過(guò)程中的焊縫收縮量。

通過(guò)分析主管道工藝評(píng)定以及某核電主管道焊縫收縮監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)（見(jiàn)圖2），可以得出焊縫收縮量約9mm左右。根據(jù)焊縫收縮量統(tǒng)計(jì)圖可以看出，焊縫收縮主要集中在50%焊縫厚度之前，收縮量約為8mm，50%之后收縮量較小，只有1.0mm左右。

4.2 管段整體擺動(dòng)變形的分析

由于彎頭的存在，焊接過(guò)程中管道將沿著焊口中心軸線(xiàn)方向移動(dòng)，沿軸線(xiàn)方向移動(dòng)的位移等于這道焊縫的收縮量，因此在位置度要求高的管道安裝過(guò)程中必須考慮管道沿著焊縫中心軸線(xiàn)方向的收縮位移。

另外焊縫焊接過(guò)程中，可能存在焊縫熱輸入的不對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致焊縫周向收縮不均勻，如在管段的90°、180°方向收縮如果不均。將導(dǎo)致管道另一端擺動(dòng)的位移明顯，即：管段整體的擺動(dòng)變形被放大，放大倍數(shù)為管段長(zhǎng)度與管口半徑的比值。

所以焊接過(guò)程中，雖然焊縫的不均勻收縮差值很小，但是導(dǎo)致的管段整體擺動(dòng)的位移會(huì)很大，尤其是焊縫厚度50%之前，因此焊接過(guò)程中必須嚴(yán)格監(jiān)控管段的擺動(dòng)。

5 主管道安裝變形控制方案

針對(duì)主管道焊縫的焊縫收縮會(huì)對(duì)管道位置以及管道連接的設(shè)備位置產(chǎn)生巨大影響的問(wèn)題，制定了主管道安裝反變形控制與焊接過(guò)程監(jiān)控相結(jié)合的方案。

5.1 主管道安裝反變形控制理論

根據(jù)焊縫收縮量統(tǒng)計(jì)，管道焊縫收縮基本是沿著管道中心軸線(xiàn)方向收縮，將主管道彎頭處的焊縫收縮產(chǎn)生的變形，進(jìn)行位移分配如下：（見(jiàn)圖3）

1）主管道冷段：

CPR1000堆型主管道冷段RV側(cè)的為彎頭角度為28.37°。

焊縫F4沿軸向的焊縫收縮量為a（a取9mm），彎頭角度28.37°。

根據(jù)位移矢量合成原理，沿直管段軸線(xiàn)方向的位移為b：

b=a×cos28.37°=7.9mm；

垂直于直管段軸線(xiàn)方向位移為c：

c= a×sin28.37°=4.3mm。

根據(jù)主管道冷段焊后位置需要在冷態(tài)中心線(xiàn)上，所以焊前組對(duì)時(shí)將主管道冷段直管段中心調(diào)整到距離冷態(tài)線(xiàn)距離為a=4mm左右。

2）主管道熱段

主管道熱段SG側(cè)為向上的50°彎頭，因此要考慮50°彎頭焊縫收縮產(chǎn)生的管段向上的位移，計(jì)算方法同冷段彎頭，同時(shí)又考慮由于管段重力對(duì)管道收縮位移的影響。因此在主管道熱段50°彎頭與SG組對(duì)焊接前，將直管段與RV側(cè)組對(duì)時(shí)向下偏移2mm左右進(jìn)行反變形控制。（見(jiàn)圖3）

3）過(guò)渡段反變形分析

過(guò)渡段U2和U4口為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)焊口，根據(jù)冷熱段焊接完成后設(shè)備和管道位置，計(jì)算加工U2和U4焊口，由于U2口和U6口均為水平焊口，焊縫收縮量大致相同，所以在進(jìn)行U2口余量切割時(shí)可不考慮焊縫收縮產(chǎn)生的影響。影響設(shè)備位置的焊縫收縮主要是在U4口，由于U4口焊縫收縮影響U2口和U6口的組對(duì)，所以現(xiàn)場(chǎng)采取下述方法安裝過(guò)渡段。（見(jiàn)圖1）

組對(duì)過(guò)程為：將U2口正常組對(duì)，并固定U2口下方的SG側(cè)過(guò)渡段，保證在焊接U4口時(shí)，SG側(cè)過(guò)渡段不產(chǎn)生位移，將U4口產(chǎn)生的焊縫收縮量全部留在U6口，即：U6口的錯(cuò)邊情況是沿過(guò)渡段軸線(xiàn)向泵殼側(cè)方向錯(cuò)邊約等于U4口的焊縫收縮量（考慮現(xiàn)場(chǎng)焊縫收縮過(guò)程中過(guò)渡段存在各種不可消除的阻力，當(dāng)U4口焊接至50%左右，U6焊口對(duì)正滿(mǎn)足焊接要求后停止U4焊接，同時(shí)啟動(dòng)U2和U6的焊接工作。）

當(dāng)U2、U6焊口焊至50%以上，可根據(jù)實(shí)際情況同時(shí)或分別將U2、U4、U6焊口焊滿(mǎn)至100%。

5.2 焊接過(guò)程中監(jiān)控

采用反變形措施的同時(shí)還要時(shí)刻監(jiān)控各參數(shù)，保證管道位置的擺動(dòng)趨勢(shì)按照設(shè)定方向變化，CPR1000堆型主管道焊接過(guò)程中監(jiān)控方法如下：

1）40°彎頭U1口施焊時(shí)，監(jiān)控40°彎頭的下端U2口水平狀態(tài)；

2）冷段F4焊口焊接時(shí)，監(jiān)控F1口的錯(cuò)邊情況，當(dāng)焊接F1口時(shí)監(jiān)控主泵泵殼上表面的水平度及泵殼與垂直支承墊鐵間隙；

3）熱段C4口焊接時(shí)，監(jiān)控C1口錯(cuò)邊情況，當(dāng)焊接C1口時(shí)，監(jiān)控SG垂直度以及SG中心位置；

4）過(guò)渡段U6口焊接過(guò)程中，監(jiān)控泵殼上表面的水平度及泵殼與垂直支承墊鐵間隙。

通過(guò)反變形控制以及過(guò)程監(jiān)控的方法進(jìn)行主管道焊接的變形控制時(shí)，必須保證管段能夠自由移動(dòng)，因此可以借助工裝，保證管段在水平方向上能夠自由移動(dòng)。

如果變化趨勢(shì)未按照預(yù)先設(shè)定方向變化，要及時(shí)通過(guò)調(diào)整焊接起弧及收弧位置等來(lái)進(jìn)行修正，如：手工焊接，采取雙人對(duì)稱(chēng)焊接的措施，控制起弧點(diǎn)和焊接速度，在對(duì)稱(chēng)方向上使主管道盡可能均勻收縮。

6 總結(jié)

類(lèi)似于主管道這類(lèi)的大壁厚、大管徑的管道，由于焊縫收縮量大，必須結(jié)合實(shí)際安裝情況，采用反變形控制的方式進(jìn)行安裝焊接。

在焊接時(shí)，需要先焊接彎頭側(cè)焊縫，當(dāng)彎頭側(cè)焊縫焊接到一定厚度，收縮不明顯后，再進(jìn)行直管段端焊縫的焊接。

管道焊接過(guò)程中嚴(yán)格監(jiān)控，保證管道移動(dòng)趨勢(shì)合理。

在后續(xù)的核電項(xiàng)目，雖然堆型可能不一樣，主管安裝反變形控制、監(jiān)控方法也會(huì)不一樣，但是萬(wàn)變不離其宗，主要抓住變形原理進(jìn)行突破，就會(huì)迎刃而解。

[責(zé)任編輯：朱麗娜]