三代核電廠設(shè)備閘門(mén)的關(guān)鍵制造工藝分析

劉 輝,張 躍,劉家欣

(1.國(guó)核工程有限公司,上海 200233;2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心,北京 100082)

1 設(shè)備的功能及結(jié)構(gòu)

某三代核電站設(shè)備閘門(mén)屬于安全殼系統(tǒng)，是大設(shè)備進(jìn)出安全殼的通道。作為安全殼壓力邊界的組成部分，在反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況、異常運(yùn)行工況和事故工況期間，應(yīng)能確保安全殼壓力邊界該部位的完整性和密封性。設(shè)備閘門(mén)總共有兩個(gè)，一個(gè)在安全殼標(biāo)高135′-3″(即135.3 ft)位置，一個(gè)在安全殼標(biāo)高107′-2″位置。最高工作頻率為電站開(kāi)始運(yùn)行后一年開(kāi)啟一次，設(shè)備閘門(mén)的開(kāi)啟由設(shè)備閘門(mén)吊車(chē)專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)。設(shè)備閘門(mén)的結(jié)構(gòu)主要有:封頭和法蘭組件，貫穿筒和插板組件，活節(jié)螺栓和支座，雙重密封圈，導(dǎo)軌和其他附件[1]。

設(shè)備閘門(mén)各部件的材料應(yīng)滿(mǎn)足ASME第Ⅱ卷中牌號(hào)的要求，主體材料為SA738 Gr.B，活節(jié)螺栓材料為SA193 Gr.B7，螺母材料采用SA194 Gr.7，雙道O型密封圈的材料為三元乙丙橡膠且應(yīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的EQ試驗(yàn)驗(yàn)證[2]。該設(shè)備按照ASME第Ⅲ卷NE分卷的要求進(jìn)行制造、檢驗(yàn)和試驗(yàn)[3]。

該三代核電設(shè)備閘門(mén)體積大，制造工藝復(fù)雜，其插板外徑尺寸達(dá)到7010 mm，貫穿筒體內(nèi)徑為4877 mm;設(shè)備安全等級(jí)高，質(zhì)量控制嚴(yán)格，屬于核安全2級(jí)、抗震Ⅰ級(jí)設(shè)備，規(guī)范等級(jí)為ASME MC級(jí)。該設(shè)備閘門(mén)由國(guó)內(nèi)制造廠首次制造，對(duì)制造廠的制造能力和質(zhì)量管理水平有很高的要求。

2 關(guān)鍵制造工藝

設(shè)備閘門(mén)的制造流程如圖1所示。設(shè)備閘門(mén)制造的關(guān)鍵工藝包括鋼板的壓形、部件的焊接及防變形控制、密封面及插板外坡口的加工、泄漏率試驗(yàn)等。

圖1 設(shè)備閘門(mén)的制造流程圖Fig.1 The flow chart for equipment hatch manufacturing

2.1 鋼板的成形

設(shè)備閘門(mén)的封頭由兩瓣拼接而成，中間有一道縱向焊縫，在焊接前應(yīng)對(duì)封頭的兩瓣壓制成形;插板由四塊板拼接而成，在拼接前分別對(duì)四塊板壓形;貫穿筒體和法蘭先由兩塊板分別在卷板機(jī)上卷成半圓，然后由兩道縱縫拼接而成。因此封頭、插板、貫穿筒體和法蘭均需壓制成形后才能焊接。當(dāng)成形應(yīng)變超過(guò)一定限度時(shí)會(huì)造成材料韌性的明顯損失。根據(jù)ASME NE4213的要求，材料的應(yīng)變大于0.5%時(shí)應(yīng)進(jìn)行成形工藝評(píng)定試驗(yàn)。對(duì)于貫穿筒體和法蘭的應(yīng)變率按照公式計(jì)算，對(duì)于插板和封頭的應(yīng)變率按照公式計(jì)算，公式中T為鋼板名義厚度，Rf為到殼體中心線的最終半徑，R 0為初始半徑 (對(duì)于平板狀零件為無(wú)窮大)。經(jīng)過(guò)計(jì)算貫穿筒體和法蘭、下部閘門(mén)與安全殼封頭連接位置的插板成形后的應(yīng)變率大于0.5%，需對(duì)用于此部件的鋼板進(jìn)行成形工藝評(píng)定。用于成形評(píng)定的材料應(yīng)與產(chǎn)品經(jīng)受相同的成形工藝及熱處理制度。制造廠按照ASME NE4213.1(f)和NE2300的要求對(duì)每個(gè)爐批號(hào)的成形后的材料進(jìn)行沖擊性能試驗(yàn) (包括AKv沖擊試驗(yàn)和落錘試驗(yàn))，試驗(yàn)的結(jié)果不低于原鋼板的性能指標(biāo)。

封頭的設(shè)計(jì)內(nèi)直徑為4.8 m，鋼板的名義厚度為30 mm，考慮到壓制過(guò)程的減薄量，選用鋼板厚度為32 mm。封頭的單瓣在壓制前應(yīng)提前準(zhǔn)備好模具、樣板，并將鋼板表面的有害雜質(zhì)清除干凈。封頭壓制過(guò)程中要隨時(shí)用樣板對(duì)封頭曲面進(jìn)行測(cè)量。成形后對(duì)封頭的厚度進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)不小于30 mm。采用樣板對(duì)球形內(nèi)徑進(jìn)行檢查，要求其最大間隙≤24 mm。

貫穿筒體和法蘭應(yīng)一體制作，待設(shè)備焊接成形后再進(jìn)行切割、分離。鋼板的名義厚度為102 mm，選用的鋼板為103 mm。由于鋼板厚度大且SA738 Gr.B強(qiáng)度較高，因此要求卷板機(jī)應(yīng)具有一定的卷制能力。工藝人員應(yīng)事先考慮鋼板的性能參數(shù)、伸長(zhǎng)量及預(yù)彎直邊段等各項(xiàng)因素，確保卷制后筒體的內(nèi)徑尺寸滿(mǎn)足圖紙的要求[4]。

2.2 部件的焊接及防變形控制

設(shè)備閘門(mén)焊縫數(shù)量多，而且插板、貫穿筒體焊縫厚度大，焊接的工作量大，控制不好容易產(chǎn)生焊接缺陷，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)產(chǎn)品的焊接過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格的過(guò)程控制。產(chǎn)品在焊接之前應(yīng)按照ASME第Ⅸ卷進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。焊工應(yīng)按照HAF603的要求取得焊工資格證。焊接材料選用ER90S-G焊絲，規(guī)格為φ1.2 mm。焊接方法主要為熔化極氣體保護(hù)焊 (GMAW)。保護(hù)氣體主要成分為80%Ar+20%CO2，氣體流量為15～25 L/min。施焊前應(yīng)對(duì)坡口表面進(jìn)行100%MT檢測(cè)，并進(jìn)行預(yù)熱。焊接過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照工藝規(guī)定的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，并控制好預(yù)熱、層 (道)間溫度。焊接完成后應(yīng)將封頭與法蘭組件、貫穿筒體與插板組件整體進(jìn)爐熱處理，熱處理的保溫溫度控制在(610±10)℃，保溫時(shí)間為2.6 h。熱處理后應(yīng)對(duì)所有焊縫表面進(jìn)行100%MT檢測(cè)，對(duì)插板拼接縱縫、封頭拼接縱縫、貫穿筒體和法蘭的縱縫進(jìn)行100%RT檢測(cè)，對(duì)封頭與法蘭、貫穿筒體與插板組焊的角接焊縫進(jìn)行100%UT探傷。

制造廠通過(guò)調(diào)整產(chǎn)品制造工序、設(shè)置防變形工裝等措施嚴(yán)格控制部件焊接過(guò)程中變形。由于上部、下部設(shè)備閘門(mén)主體結(jié)構(gòu)和尺寸相同，把上部、下部閘門(mén)的貫穿筒體和法蘭設(shè)置在一個(gè)筒體上同時(shí)制造，然后將上部插板、下部插板分別裝焊在這一筒體上。焊接完成過(guò)后再分別將上部、下部設(shè)備閘門(mén)的法蘭、貫穿筒體與插板組件切割開(kāi)。這樣合理的工序安排既增加了設(shè)備整體的剛性固定，避免焊接變形，可以有效保證法蘭密封面和貫穿筒體密封面的配合，又縮短了設(shè)備的制造周期，節(jié)約了人力和物力成本。此外在焊接前應(yīng)在部件上焊接防變形工裝來(lái)保證部件的焊接變形，如圖2所示。應(yīng)確保焊接加強(qiáng)筋的母材位置在后續(xù)制造中能夠加工去除。

圖2 貫穿筒體和插板的組焊Fig.2 The assembly welding for the penetration shell and insert plate

每個(gè)設(shè)備閘門(mén)有2個(gè)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌長(zhǎng)7 m，由4塊20 mm厚的SA738 Gr.B鋼板拼焊的方形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌的尺寸要求嚴(yán)格，槽寬要求控制在 (105±2)mm，直線度要求≤3 mm。由于導(dǎo)軌狹長(zhǎng)，在焊接過(guò)程中很容易變形。在焊接時(shí)將4個(gè)導(dǎo)軌采用工裝剛性固定在一起，如圖3所示，同時(shí)由多人對(duì)稱(chēng)施焊，可以有效控制導(dǎo)軌的焊接變形。

圖3 設(shè)備閘門(mén)導(dǎo)軌的組焊Fig.3 The welding assembly for the guide rail of the equipment hatch

2.3 密封面及插板外坡口的加工

設(shè)備完成熱處理后需要將法蘭下端面和貫穿筒體上端面加工成密封面，同時(shí)在筒體上端面密封面位置加工雙道燕尾形密封槽。由于設(shè)備閘門(mén)的密封性取決于上下密封面及密封圈的配合，因此對(duì)密封面及密封槽的尺寸和粗糙度有嚴(yán)格的要求，粗糙度應(yīng)達(dá)到3.2，密封面的平面度0.5。密封面及燕尾槽的加工可通過(guò)不小于8 m的立車(chē)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于燕尾槽的加工，首先開(kāi)出上下同寬的矩形槽，然后更換車(chē)刀，分部進(jìn)行根部寬槽的加工，加工應(yīng)控制進(jìn)刀深度，防止超差。加工結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。加工完成后檢查員應(yīng)對(duì)尺寸及粗糙度進(jìn)行仔細(xì)檢查，尤其注意密封槽的寬度、深度以及密封面的粗糙度和平面度。密封面加工后一定要進(jìn)行仔細(xì)防護(hù)，避免造成生銹、磕碰及劃傷。

插板的外坡口尺寸是設(shè)備閘門(mén)在安全殼上安裝的重要接口尺寸。由于插板外徑達(dá)到7 m，且需要考慮到坡口外圓不規(guī)則的尺寸變化，如果坡口加工失誤則很容易造成設(shè)備閘門(mén)與安全殼對(duì)接不上。嵌板外坡口采用數(shù)控鏜銑床進(jìn)行加工，加工時(shí)模擬出鈍邊中心點(diǎn)的理論曲線，并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)控編程，加工鈍邊、內(nèi)側(cè)坡口和外側(cè)坡口。加工前務(wù)必在數(shù)控機(jī)床上確認(rèn)好數(shù)控程序，加工過(guò)程中隨時(shí)觀察走刀情況，一旦發(fā)現(xiàn)有偏差應(yīng)及時(shí)糾正。加工后應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的尺寸檢查，確保其滿(mǎn)足圖紙要求。

圖4 燕尾形密封槽加工示意圖Fig.4 The sketch of dovetail seal groove machining

2.4 泄漏率試驗(yàn)

設(shè)備閘門(mén)各部件制造完成后應(yīng)進(jìn)行雙道O型圈部分的泄漏率試驗(yàn)。試驗(yàn)前應(yīng)準(zhǔn)備好壓力表、溫度計(jì)、氣壓計(jì)等測(cè)試儀器，其中壓力表在試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定。同時(shí)還應(yīng)準(zhǔn)備閥門(mén)、管路、加壓泵等輔助工具及設(shè)備。將O型圈涂抹真空硅脂后安裝在密封槽內(nèi)，然后將活節(jié)螺栓和螺母安裝到活節(jié)螺栓支座上，并對(duì)螺栓施加一定的擰緊力矩。泄漏率試驗(yàn)的示意圖如圖5所示。試驗(yàn)時(shí)對(duì)雙道密封圈中間位置施加壓力，使其達(dá)到設(shè)備閘門(mén)的設(shè)計(jì)壓力，并在此壓力下保壓至少30 min。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)、試驗(yàn)結(jié)束時(shí)應(yīng)分別記錄壓力表數(shù)值、大氣壓力值、溫度、保壓時(shí)間等數(shù)據(jù)，試驗(yàn)完成后依據(jù)泄漏率計(jì)算公式計(jì)算氣體的泄漏率，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足泄漏率不得超過(guò)0.1 L/min(0℃，latm)的要求。

圖5 泄漏率試驗(yàn)示意圖Fig.5 The sketch of air-sealing test

3 結(jié)束語(yǔ)

某三代核電站設(shè)備閘門(mén)是安全殼系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，國(guó)內(nèi)某制造廠通過(guò)對(duì)制造過(guò)程中試板成形、焊接過(guò)程、加工尺寸、泄漏率試驗(yàn)等關(guān)鍵工藝的控制，圓滿(mǎn)完成了此類(lèi)設(shè)備閘門(mén)的制造任務(wù)，并確保產(chǎn)品的制造質(zhì)量。在后續(xù)產(chǎn)品的制造過(guò)程中，制造廠應(yīng)不斷提高自身的工藝水平，完善制造工藝，建議在如下方面加以改進(jìn):

1)在主體焊縫焊接方面盡量采用自動(dòng)焊焊接方法，避免人為操作引成焊接缺陷;

2)對(duì)于精度要求較高的尺寸如插板外坡口，建議采用激光跟蹤儀等精密測(cè)量設(shè)備進(jìn)行檢查;

3)對(duì)于設(shè)備閘門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)安裝，建議等設(shè)備閘門(mén)到貨后根據(jù)安裝的實(shí)際情況再加工安全殼側(cè)坡口，便于設(shè)備閘門(mén)與安全殼的組對(duì)。