“華龍一號”核電機(jī)組堆腔密封環(huán)安裝焊接技術(shù)

張志剛 蔡昌

【摘? 要】本文主要介紹如何控制堆腔密封環(huán)組裝焊縫焊接變形來解決“華龍一號”核電機(jī)組堆腔密封環(huán)安裝標(biāo)高精度高（±1mm）的難題，為后續(xù)類似工程的施工提供借鑒和參考價(jià)值作用。

【關(guān)鍵詞】“華龍一號”核電機(jī)組;堆腔密封環(huán);安裝標(biāo)高;焊接變形控制

引言

“華龍一號”是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三代先進(jìn)核電機(jī)組，是國家“一帶一路”政策下中核五公司承擔(dān)的重大項(xiàng)目，是中國核電技術(shù)“走出去”偉大戰(zhàn)略的標(biāo)志性工程，是“中國造”走向世界的又一張明信片。其充分吸收了國家引進(jìn)三代核電技術(shù)（AP1000堆型）的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，汲取三哩島、切爾諾貝利和福島核事故經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，采用多重冗余的安全系統(tǒng)，能動與非能動結(jié)合的安全措施，并進(jìn)行了抗大型商用飛機(jī)撞擊設(shè)計(jì)等，全面平衡貫徹“縱深防御”的設(shè)計(jì)原則，在不斷優(yōu)化改進(jìn)的同時(shí)更是將核電質(zhì)量和安全提升到了一個新的高度。

新堆型、新技術(shù)的“華龍一號”核電項(xiàng)目，對現(xiàn)場的每臺設(shè)備安裝提出了新的技術(shù)要求，“華龍一號”堆腔密封環(huán)也不例外。相比其他核電站，“華龍一號”核電站堆腔密封環(huán)具有安裝標(biāo)高精度要求高（±1mm），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，母材厚度薄、組裝焊縫多、焊接變形難控制等特點(diǎn)。尚屬先例，無經(jīng)驗(yàn)可循。受密封環(huán)組裝焊縫變形的影響，密封環(huán)安裝標(biāo)高一次性合格率低，給現(xiàn)場施工帶來很大的挑戰(zhàn)。本文通過總結(jié)“華龍一號”核電機(jī)組堆腔密封環(huán)現(xiàn)場的成功安裝經(jīng)驗(yàn)，得出“華龍一號”堆腔密封環(huán)組裝焊縫焊接變形控制方法。

1 工程概況

“華龍一號”核電每臺機(jī)組擁有1套堆腔密封環(huán)，凈重約1000kg，整圈∟型結(jié)構(gòu)，整圈水平端座落于支撐組件水平面上，豎直端緊貼壓力容器換料密封環(huán)支撐臺側(cè)面（如圖1所示）。

圖1 堆腔密封環(huán)安裝截面圖

整圈密封環(huán)由6段L型密封環(huán)（其中一段為調(diào)整段）和6段密封環(huán)板（其中一段為調(diào)整段）組裝焊接而成。總共包括6條L型密封環(huán)與L型密封環(huán)對接焊縫，1條L型密封環(huán)與密封環(huán)板環(huán)形對接焊縫，6條密封環(huán)板與密封環(huán)板對接焊縫（如圖2所示）。所有焊縫要求采用全手工氬弧焊焊接，焊接過程中需進(jìn)行背面充氬保護(hù)，受現(xiàn)場結(jié)構(gòu)環(huán)境影響，密封環(huán)上述13條焊縫無法進(jìn)行整圈組裝安裝后再整體進(jìn)行背保焊接。需先將13條組裝焊縫焊接完成再將整圈密封環(huán)進(jìn)行就位安裝。密封環(huán)豎直高度到貨尺寸與理論安裝尺寸值一樣，而且密封環(huán)組裝完成后為整圈∟型結(jié)構(gòu)，無法通過矯形進(jìn)行高度調(diào)整，只能破壞重新組裝或開啟不符合項(xiàng)切割調(diào)整高度。因此，前13條組裝焊縫焊接變形控制的好壞直接關(guān)系到密封環(huán)最終安裝標(biāo)高能否一次成功。

2 現(xiàn)場施工步驟及方法

2.1 前5段L型密封環(huán)（非調(diào)整段）與密封環(huán)板（非調(diào)整段）組裝點(diǎn)固

將前5段L型密封環(huán)圍繞RV換料密封環(huán)支撐臺從330°開始順時(shí)針依次進(jìn)行組裝點(diǎn)固，然后在支撐組件表面上從0°開始圍著L型密封環(huán)依次組裝點(diǎn)固前5段密封環(huán)板，為減少焊接變形，所有坡口組對間隙控制在1mm左右。

組對難點(diǎn)：因L型密封環(huán)短邊圓弧度制造偏差，加上L型密封環(huán)之間連接后，使得整圈L型密封環(huán)與密封環(huán)板圓弧度不是很匹配，組裝過程中存在間隙不均且難以進(jìn)行組對的情況。

圖2 密封環(huán)組裝結(jié)構(gòu)圖

解決方法：先將前5段L型密封環(huán)按對應(yīng)安裝角度圍著換料密封環(huán)支撐臺側(cè)面進(jìn)行組裝點(diǎn)固，組對間隙1mm，并采用捆扎帶進(jìn)行固定（如圖3所示），盡可能保證立面垂直，位置定位好后進(jìn)行點(diǎn)固。因接頭處存在很大的彈性，捆扎帶很難將其完全壓緊與換料密封環(huán)支撐臺側(cè)面緊貼著，中間需塞木板進(jìn)行壓實(shí)（如圖3所示）。

圖3 前5段L型密封環(huán)組裝后固定

圖4 密封環(huán)板與L型密封環(huán)之間焊縫組對方法

待前5段L型密封環(huán)組對完成并垂直固定后，將前5段密封環(huán)板按照安裝角度依次與之進(jìn)行組對點(diǎn)固（方法：用3個千斤頂分別從兩側(cè)和中間調(diào)整密封環(huán)板與L型密封環(huán)之間的間隙，并用直徑為2mm的不銹鋼焊絲控制整體間隙為2mm，采用手工氬弧焊均勻點(diǎn)固，先疏松點(diǎn)焊再加固點(diǎn)焊，最終兩點(diǎn)之間的距離控制在100-150mm之間，點(diǎn)焊過程中及時(shí)抽出2mm不銹鋼焊絲，待整體點(diǎn)焊完成以及2mm的不銹鋼焊絲抽走后，整體間隙剛好保持在1mm左右，如圖4所示）。

2.2 前5段L型密封環(huán)（非調(diào)整段）與密封環(huán)板（非調(diào)整段）組裝焊縫焊接

組裝焊縫包括4條L型密封與L型密封環(huán)對接焊縫、1條L型密封環(huán)與密封環(huán)板對接焊縫、4條密封環(huán)板與密封環(huán)板對接焊縫。為了便于焊接變形控制，現(xiàn)場焊接順序依次為：L型密封環(huán)與L型密封環(huán)對接焊縫——L型密封環(huán)與密封環(huán)板對接焊縫——密封環(huán)板與密封環(huán)板對接焊縫。為了方便背面充氬保護(hù)，焊接之前需將前5段密封環(huán)組件整體緩慢均勻抬起（抬起高度滿足焊接和背保要求即可），并在底下墊上同一高度的平木塊（如圖5所示）。

圖5 前5段密封環(huán)組件整體墊高抬起

根據(jù)現(xiàn)場組裝焊縫結(jié)構(gòu)型式評估，影響密封環(huán)安裝標(biāo)高的主要為L型密封環(huán)與密封環(huán)板之間的環(huán)形對接焊縫焊接變形，需加強(qiáng)控制其焊接變形，而密封環(huán)母材厚度薄（3mm），受焊接熱量的影響容易產(chǎn)生變形，焊接變形控制困難，僅通過焊接方法的控制很難滿足密封環(huán)最終安裝標(biāo)高要求，需結(jié)合防變形工裝來控制焊接變形。通過現(xiàn)場實(shí)地考察，對密封環(huán)組件結(jié)構(gòu)型式的研究，自主研發(fā)出一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的焊接防變形工裝輔助現(xiàn)場焊接變形控制（工裝結(jié)構(gòu)型式如圖6所示）。具體使用方法如圖7所示。

圖6 焊接防變形工裝結(jié)構(gòu)型式

圖7 焊接防變形工裝使用方法

整個焊接過程采用跳焊、小線能量的方法進(jìn)行焊接，控制道間溫度減少焊接變形，先整體完成小送絲打底層焊接，再整體完成蓋面層焊接。每焊完一小段（約50mm長）換溫度最低的地方焊接，直到所有焊縫焊完。焊接電流65-70A，電壓11-12V，焊接速度10-12cm/min。

2.3 第6段L型密封環(huán)與密封環(huán)板長度調(diào)整劃線切割

前5段密封環(huán)組件組裝焊縫焊完后，與第6段L型密封環(huán)圍繞壓力容器換料密封環(huán)支撐臺進(jìn)行組裝劃線（實(shí)際需要長度線）。因第6段密封環(huán)組裝對接焊縫需進(jìn)行背面充氬保護(hù)焊接，需將密封環(huán)整體抬高背保焊接，考慮焊縫收縮量的影響，為確保第6段密封環(huán)組裝焊縫焊接完成后不僅能整體放下去而且與壓力容器換料密封環(huán)支撐臺側(cè)面間隙≤1mm，現(xiàn)場第6段L型密封環(huán)需預(yù)留一定的長度（預(yù)留長度=3.14×（壓力容器換料密封環(huán)支撐臺側(cè)面外徑+1mm）-3.14×壓力容器換料密封環(huán)支撐臺側(cè)面外徑），最后根據(jù)計(jì)算得出的預(yù)留長度劃線并進(jìn)行切割。

第6段L型密封環(huán)的長度確定后，圍繞壓力容器換料密封環(huán)支撐臺進(jìn)行試組裝確定第6段密封環(huán)板的長度，并進(jìn)行劃線切割。

2.4 第6段L型密封環(huán)與密封環(huán)板就位點(diǎn)固

將前5段密封環(huán)組件與第6段L型密封環(huán)和密封環(huán)板圍繞壓力容器換料密封環(huán)支撐臺進(jìn)行組裝點(diǎn)固。組對方法及要求與前5段密封環(huán)組對方法和要求一樣。組對點(diǎn)固完后整體緩慢均勻抬起一定高度（滿足焊接及背面保護(hù)要求即可）。

2.5 第6段L型密封環(huán)與密封環(huán)板組裝焊縫焊接

焊接方法及要求與前5段密封環(huán)組裝焊縫一樣。

2.6 整圈密封環(huán)組件安裝焊接

第6段密封環(huán)組裝焊縫焊接完成后，將整圈密封環(huán)組件緩慢均勻放下，先進(jìn)行密封環(huán)組件與壓力容器換料密封環(huán)支撐臺側(cè)面間的定位點(diǎn)固，按壓力容器換料密封環(huán)支撐臺側(cè)面上畫好的安裝標(biāo)高警戒線進(jìn)行定位點(diǎn)固（如圖8所示），定位點(diǎn)固后要求密封環(huán)整圈與壓力容器換料密封環(huán)支撐臺側(cè)面間隙≤1mm。再進(jìn)行密封環(huán)與支撐組件間的定位點(diǎn)固。最后進(jìn)行密封環(huán)組件與壓力容器換料密封環(huán)支撐臺之間的角焊縫（焊腳高3mm）和塞焊縫焊接，以及密封環(huán)組件和支撐組件之間的角焊縫（焊腳高3mm）和塞焊縫焊接（如圖9所示）。

圖8 密封環(huán)組件按標(biāo)高警戒線進(jìn)行定位點(diǎn)固

圖9 密封環(huán)組件安裝角焊縫和塞焊縫焊接完成

3 效果驗(yàn)證

通過焊接方法的良好控制以及防變形工裝的正確使用，成功解決了堆腔密封環(huán)母材薄焊接易變形的問題，最終將密封環(huán)組裝焊縫變形控制在1mm之內(nèi)，現(xiàn)場堆腔密封環(huán)安裝一次成功。給項(xiàng)目部創(chuàng)造出良好的工期環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

“華龍一號”核電機(jī)組堆腔密封環(huán)母材薄，組裝焊縫焊接容易產(chǎn)生變形，對密封環(huán)最終安裝標(biāo)高產(chǎn)生直接影響。為確保密封環(huán)安裝一次成功，需良好的控制密封環(huán)組裝焊縫焊接變形。本文通過對現(xiàn)場成功安裝案例進(jìn)行總結(jié)，得出“華龍一號”核電機(jī)組堆腔密封環(huán)組裝焊縫焊接變形控制方法，為后續(xù)類似工程的施工提供借鑒作用。

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（作者單位：中國核工業(yè)第五建設(shè)有限公司）