核島換熱器筒體橢圓度成因控制及檢測

王先中

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

核島換熱器數(shù)量多，分布于核電站多個系統(tǒng)，其擔(dān)負著正常工況、失水事故工況和停堆檢修期間核電站多個系統(tǒng)介質(zhì)的壓力和溫度調(diào)控作用，保障核電站的安全運行[1]。這類換熱器在設(shè)計和生產(chǎn)制造及檢查驗收過程中，除滿足GB 150/GB 151的相關(guān)規(guī)定外，還要滿足RCC-M規(guī)范以及國家對核電行業(yè)的監(jiān)管要求。為確保換熱器的最終質(zhì)量滿足核電站各系統(tǒng)功能的使用要求，應(yīng)加強過程質(zhì)量控制，關(guān)注關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)制造、檢查驗收以及換熱器整體裝配質(zhì)量。筒體作為換熱器殼程部分的關(guān)鍵零部件和承壓邊界，其質(zhì)量狀況對換熱器的質(zhì)量和功能影響至關(guān)重要。換熱器筒體制造過程中涉及的質(zhì)量控制點包括原材料、力學(xué)性能、焊接、熱處理和無損檢測等。本文側(cè)重討論核島換熱器筒體橢圓度形成因素控制及檢測。

1 筒體橢圓度的形成因素

1.1 筒體卷制造成的橢圓度

一般情況，直徑>400 mm的核島換熱器筒體基本都由鋼板卷制后組焊而成。筒體板材在進行卷制成型時，通常前緣部分采用壓制法進行預(yù)彎曲，在最終彎曲之前將板材兩端平直段邊緣予以削除，避免在縱焊縫焊接區(qū)域產(chǎn)生非弧形的平板區(qū)。成型組焊后，進行校圓，并使用專用樣板檢查其圓度。雖然專業(yè)制造廠家在筒體卷制過程中采用了盡量減小橢圓度的制造工藝，但在實際生產(chǎn)過程中，由于其曲率半徑的偏差、卷制工藝不合理性和卷制操作工的操作技能等因素，均有可能造成卷制變形，引起筒體出現(xiàn)橢圓度。橢圓度大的筒體(筒節(jié))相互組焊之后，更難以保證殼程筒體的橢圓度。對于裝有內(nèi)件，尺寸公差控制嚴格的核島換熱器，如果筒體存在過大的棱角度、橢圓度，最終會妨礙管束組件及其他內(nèi)件的裝配質(zhì)量，甚至影響到管束順利裝配。

1.2 焊接變形造成的橢圓度

通過板材卷制而成的筒節(jié)，合攏后進行縱焊縫焊接，筒節(jié)之間通過環(huán)焊縫(包括開孔接管的環(huán)縫)焊接最終形成筒體部件。由于縱縫和環(huán)縫的焊接工藝為局部加熱，故不可避免地產(chǎn)生焊接內(nèi)應(yīng)力和變形。焊接是不均勻加熱過程，熱源只集中在焊接部位，且以一定速度向前移動，局部受熱金屬的膨脹能引起整個焊件發(fā)生平面內(nèi)和平面外的各種形態(tài)的變形。焊接變形從焊接開始時便產(chǎn)生，焊縫正在施焊部位受熱產(chǎn)生膨脹變形，后面開始凝固和冷卻部位產(chǎn)生收縮，焊接完成冷卻到室溫后，焊件上殘留下來的變形稱為焊接殘余變形，它對產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能產(chǎn)生影響，這種影響也體現(xiàn)在焊接尺寸的變化[2]。

焊后存在于結(jié)構(gòu)中的變形主要有5 類：縱向收縮變形(沿焊接方向的收縮)、橫向收縮變形(垂直于焊接方向上的收縮)、撓曲變形、角變形(焊后構(gòu)件圍繞焊縫產(chǎn)生角位移)和波浪變形。對于縱向焊縫而言，焊縫產(chǎn)生的橫向收縮會導(dǎo)致直徑減小，焊縫產(chǎn)生的角位移引起筒體不圓；對于環(huán)形焊縫而言，焊縫產(chǎn)生的橫向收縮導(dǎo)致筒體尺寸減小，焊縫產(chǎn)生的縱向收縮導(dǎo)致直徑減小。由于焊接過程中存在的應(yīng)力和變形，引起筒體直徑的局部變化，最終導(dǎo)致筒體出現(xiàn)橢圓度[3]。

1.3 筒體自重變形引起的橢圓度

分布在核電站各系統(tǒng)中的核島換熱器，相比較石化等行業(yè)內(nèi)承壓容器而言，直徑小(一般情況下<1 200 mm)，體積不大，質(zhì)量小，一般不考慮因筒體自重變形而引起的橢圓度。

2 筒體橢圓度對質(zhì)量的影響與控制

2.1 筒體橢圓度對核島換熱器質(zhì)量的影響

對于核島換熱器來說，一般為內(nèi)承壓容器，制造完工后的筒體應(yīng)是真正的圓形，筒體由于存在橢圓度(Dmax-Dmin)，在內(nèi)壓作用下會引起周向的附加彎曲應(yīng)力[4]；同時，筒體存在橢圓度，也影響內(nèi)件的裝配(如管束不能順利穿入)；因此，筒體作為換熱器殼程的關(guān)鍵零部件，其制造質(zhì)量是影響核島換熱器質(zhì)量不可忽視的重要因素。

2.2 筒體橢圓度的控制

由于引起筒體橢圓度的因素主要由筒體卷制成型和筒體縱、環(huán)焊縫的焊接過程造成，因此，在筒體卷制成型過程中，應(yīng)盡可能地選取合理的卷制工藝，細化工藝要點，嚴格控制曲率偏差，提高卷制操作工的技能，避免因卷制變形而引起的橢圓度。在筒體的焊接過程中，應(yīng)根據(jù)工藝評定，細化焊接操作工藝規(guī)程，做好防變形措施，合理預(yù)留焊接變形量。在焊前、焊中和焊后，應(yīng)嚴格控制焊接實施全過程，控制焊接坡口錯邊量及間隙，盡量減小和避免因筒體縱、環(huán)焊縫在焊接過程中引起的焊接變形而造成筒體出現(xiàn)超差的橢圓度。

3 筒體橢圓度測量

3.1 筒體橢圓度標準規(guī)定

GB/T 151—2014第8.2條規(guī)定，對于板材卷制的筒體，內(nèi)直徑允許偏差可通過外圓周長加以控制，其外圓周長允許上偏差為10 mm，下偏差為零。圓筒同一斷面上最大直徑Dmax與最小直徑Dmin的差值e≤0.5%DN。并當(dāng)筒體直徑≤1 200 mm時，e≤5 mm；筒體直徑>1 200～2 000 mm時，e≤7 mm。對于核島換熱器而言，遵循的核電站建造規(guī)范RCC-M，其中RCC-M的F4200對于內(nèi)壓容器圓筒體的幾何允許偏差也有類似規(guī)定。

3.2 換熱器殼程筒體橢圓度的檢測

工廠實際生產(chǎn)檢驗過程中，對于橢圓度的測量，通常采用在水平位置選取有代表性的典型斷面，多次測量(縱焊縫位置處必須測量)即可得出同一橫截面上最大內(nèi)徑與最小內(nèi)徑的差值e。

筒體直徑可在內(nèi)表面或外表面測量。在外表面測量時，應(yīng)按所取截面的壁厚進行修正。對于直徑>600 mm的換熱器殼程筒體，檢測人員能進入筒體內(nèi)部進行檢測操作，采用的方法是利用卷尺測量內(nèi)徑，這種方法檢測人員的經(jīng)驗很重要，測量誤差較大，為了減小測量誤差，通常對選取的典型截面采用米字形多點測量，需要多次測量，以盡量反映筒體的實際橢圓度。對于直徑<600 mm的換熱器殼程筒體，檢測人員不能進入筒體內(nèi)部進行檢測操作，檢測人員在筒體外表面選取典型截面，采用米字形多點測量、多次測量，得出的最大e值即為橢圓度。

通常檢測人員選取典型截面選點測量計算的e值，雖然是定量檢測，但是受制于檢測人員的經(jīng)驗等人的影響因素較大。對于細長小直徑筒體，例如典型的核島換熱器中再生熱交換器(APG002RF)，外形尺寸如圖1所示，殼程上下重疊2個筒體，筒體內(nèi)徑為500 mm，單個筒體總長近8 000 mm，筒體分3段卷制后進行縱縫環(huán)縫焊接，不同的檢測人員測量細長筒體橢圓度的結(jié)果有所差異，可能造成最大變形位置遺漏檢測。為了減小測量誤差，少數(shù)制造廠通過試驗研究，改進了測量技術(shù)，逐步采用模擬組件的檢測方法。采用此測量方法已成功解決了核島換熱器細長筒體橢圓度和直線度的測量問題。

圖1 再生熱交換器外形尺寸圖

模擬組件即為制作的立體樣板，用以進行模擬穿筒檢測。模擬組件應(yīng)和折流板的外圓尺寸一致，既能實現(xiàn)對細長小直徑筒體橢圓度的檢測，也能檢測細長筒體的直線度和環(huán)縫位置處的棱角度；同時，在管束組件裝配前進行了預(yù)組裝，可以起到早發(fā)現(xiàn)問題早處理的效果，避免了實際裝配時才發(fā)現(xiàn)問題的質(zhì)量風(fēng)險。模擬組件和模擬穿筒檢測分別如圖2和圖3所示。

圖2 模擬組件

圖3 模擬穿筒檢測

立體檢測樣板的直徑D介于筒體和折流板的直徑之間，一般以稍大于折流板的直徑d0為宜。通過多次試驗，取D=d0+(2～3)。對于總長度>6 m的筒體，通常由多個筒節(jié)組焊而成，考慮到環(huán)縫焊接變形影響直線度，應(yīng)適當(dāng)加長立體檢測樣板的長度，但不能過大，否則會影響操作。

4 結(jié)語

筒體作為核島換熱器殼程的重要零部件，其制造質(zhì)量，尤其是橢圓度，對核島換熱器整體裝配質(zhì)量和后續(xù)在核電站的使用功能及壽命有著重要的影響。本文通過對核島換熱器筒體橢圓度形成因素分析，簡述了控制及測量方法，使得核島換熱器筒體橢圓度符合設(shè)計圖樣要求，達到了筒體過程制造質(zhì)量的控制，從而保證了核島換熱器的殼程制造質(zhì)量。