CPR1000 堆型CRDM 耐壓殼更換工藝研究

朱志強(qiáng)，章日俊，王 東，王了一

（中核檢修有限公司，上海 201100）

0 引言

CRDM（Control Rod Drive Mechanism，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）安裝于安全殼內(nèi)的反應(yīng)堆壓力容器頂蓋上，是一種豎直方向步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的磁力提升機(jī)構(gòu)。它按照指令帶動(dòng)控制棒組件在堆芯內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，完成反應(yīng)堆的啟動(dòng)、調(diào)節(jié)功率、保持功率、正常停堆和事故停堆等功能，是核電廠重要安全設(shè)備之一。CRDM 耐壓殼通過“螺紋連接+焊接”固定在壓力容器頂蓋上，是核電廠一回路壓力邊界設(shè)備，直接影響反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。

在核電廠運(yùn)行一段時(shí)間后，受復(fù)雜工況的影響，可能出現(xiàn)CRDM 耐壓殼需要更換的情況。目前CRDM 耐壓殼更換技術(shù)主要掌握在國(guó)外廠家手中，國(guó)內(nèi)還未完全掌握全套技術(shù)。下面結(jié)合某核電廠CRDM 耐壓殼的更換經(jīng)驗(yàn)，對(duì)CRDM 耐壓殼更換工藝總結(jié)，完成關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)分析與應(yīng)對(duì)（圖1）。

1 CRDM 耐壓殼更換整體技術(shù)路線

根據(jù)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，耐壓殼是通過螺紋連接在壓力容器頂蓋頂部貫穿件上，并通過密封焊形成一回路物理邊界。更換耐壓殼必須完成耐壓殼的切割、拆除、接管座坡口加工、重新安裝及過程檢查，經(jīng)分析形成CRDM 耐壓殼更換工藝：耐壓殼切割前的檢查→耐壓殼切割前的準(zhǔn)備→切割耐壓殼→拆除耐壓殼→拆除隔熱套管→耐壓殼切割后的檢查→接管座加工坡口→耐壓殼安裝前的檢查→安裝隔熱套管和耐壓殼→焊接耐壓殼→耐壓殼焊接后的檢查。

（1）耐壓殼切割前的檢查。對(duì)隔熱套管相對(duì)于正常狀態(tài)的整體變形情況進(jìn)行檢查，包括變形量、變形方位、影像記錄。在管座上標(biāo)記出原耐壓殼Canopy 焊縫起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn)的位置。

（2）耐壓殼切割前的準(zhǔn)備。在待切割耐壓殼底部敷設(shè)防火布，周邊用聚乙烯薄膜、防火布保護(hù)。

（3）切割耐壓殼。通過計(jì)算確認(rèn)并標(biāo)記耐壓殼的切割位置線，使用專用工具進(jìn)行耐壓殼的切割。本項(xiàng)工作難點(diǎn)在切割線確認(rèn)和切割工藝，詳見第下文。

（4）拆除耐壓殼。清理耐壓殼切割位置毛刺，清潔切割位置。連接吊車、倒鏈、彈簧秤、吊帶，完成耐壓殼的拆除，目視檢查接管座螺紋表面情況，并用專用螺紋通止規(guī)檢查，必要時(shí)進(jìn)行處理。由于耐壓殼與接管座材質(zhì)為不銹鋼，耐壓殼拆除咬死風(fēng)險(xiǎn)極大（拆除工藝詳見下文）。

圖1 CRDM 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意

（5）拆除隔熱套管。耐壓殼拆除后，需要取出發(fā)生變形的隔熱套管，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本項(xiàng)目隔熱套管需要進(jìn)行切割，才能順利拆除。通過頂升隔熱套管，在套管與接管座之間塞木塊或膠皮，使用電動(dòng)切割機(jī)切割隔熱套管，防止切割振動(dòng)造成的二次傷害，具體工藝本文中不做詳細(xì)論述（圖2）。

圖2 隔熱套管切割保護(hù)示意

（6）耐壓殼切割后的檢查。在耐壓殼拆除后，對(duì)CRDM 接管座切割位置毛刺清理，檢查切割后接管座代加工坡口位置的外形尺寸、厚度。

（7）接管座的坡口加工。通過計(jì)算、論證，結(jié)合CRDM 接管座圖紙尺寸要求，確定現(xiàn)場(chǎng)坡口加工需求，使用專用坡口加工設(shè)備完成接管座坡口加工。坡口加工工藝和設(shè)備是核心，其工藝分析詳見第2.3 節(jié)。

若坡口尺寸不在焊接工藝評(píng)定范圍，需要坡口實(shí)際狀態(tài)制定模擬焊接試驗(yàn)程序和產(chǎn)品焊接程序，并提交設(shè)計(jì)方審查。由于耐壓殼焊接使用填充環(huán)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，工藝評(píng)定件焊接后尺寸，焊接位置厚度大于焊接前，不需要重新制定工藝評(píng)定。

（8）耐壓殼安裝前的檢查。對(duì)CRDM 接管座坡口進(jìn)行液體滲透檢查；使用專用螺紋通止規(guī)對(duì)CRDM 接管座螺紋進(jìn)行檢查；清潔CRDM 接管座，包括內(nèi)部、螺紋和坡口位置。

（9）安裝隔熱套管和耐壓殼。安裝隔熱套管；檢查填充環(huán)與耐壓殼之間的焊點(diǎn)寬度尺寸，焊點(diǎn)寬度≤3mm；檢查填充環(huán)與耐壓殼之間的間隙，間隙值應(yīng)＜0.04 mm；檢查填充環(huán)兩個(gè)端頭相接處的間隙，間隙值應(yīng)＜0.6 mm；檢查耐壓殼上部的吊環(huán)已經(jīng)緊固，緊固力矩為250 N·m，連接環(huán)吊將耐壓殼翻轉(zhuǎn)到垂直位置。連接吊車、氣動(dòng)平衡裝置吊裝耐壓殼，在距離接管座50～100 mm 處停止，使用氣動(dòng)平衡裝置緩慢將耐壓殼落在接管座上，用專用夾緊工具緩慢將耐壓殼沿螺紋擰在接管座上；在距離耐壓殼最終位置約10 mm 時(shí)，檢查同心度，保證耐壓殼與接管座偏移量不大于0.1 mm。螺紋完全嚙合后將耐壓殼擰松1/4 圈，再用力矩扳手緊固至420 N·m，檢查填充環(huán)與管座之間的間隙，在0.04～0.25 mm。

（10）焊接耐壓殼。按照焊接程序要求，使用CRDM 自動(dòng)焊機(jī)完成耐壓殼焊接（圖3）。

圖3 CRDM 耐壓殼焊接位置

（11）耐壓殼焊接后的檢查。對(duì)耐壓殼焊縫進(jìn)行目視、液體滲透檢查，并完成水壓試驗(yàn)驗(yàn)證，完成耐壓殼的更換。

2 技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

2.1 CRDM 耐壓殼切割線及工藝

2.1.1 耐壓殼切割位置線確認(rèn)

根據(jù)CRDM 耐壓殼安裝圖，耐壓殼坡口出距耐壓殼大徑下表面距離12.5±0.1 mm，Y 形填充環(huán)厚度1.4～1.6 mm。

從價(jià)值最大化考慮，耐壓殼切割應(yīng)不對(duì)耐壓殼與接管座造成不可修復(fù)性傷害，優(yōu)先保證接管座的坡口形狀和尺寸，并預(yù)留一定加工余量。切割片厚度應(yīng)＜1.4 mm，結(jié)合調(diào)研情況，優(yōu)先選用1 mm 厚切割片（圖4）。在完成待更換耐壓殼關(guān)鍵尺寸復(fù)查后，現(xiàn)場(chǎng)切割位置線為切割片上表面距耐壓殼大徑下表面距離12.5 mm。

圖4 CRDM 耐壓殼切割示意

2.1.2 耐壓殼切割設(shè)備簡(jiǎn)介

壓力容器頂蓋上耐壓殼布置緊密，最近距離304 mm，結(jié)合接管座待切割位置直徑164 mm，切割設(shè)備最大運(yùn)行軌跡應(yīng)在Φ444 mm 內(nèi)，加工精度0.05 mm，振動(dòng)可控、切割穩(wěn)定。本次處理耐壓殼切割設(shè)備包括夾持結(jié)構(gòu)、手動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架、手動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)切割機(jī)，通過手動(dòng)調(diào)整進(jìn)給量，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)切割機(jī)，完成密封面焊縫的切割。切割片選擇Φ80×25.4×1 mm。

2.1.3 耐壓殼切割工藝

（1）準(zhǔn)備至少2 個(gè)焊接模擬件：一個(gè)用于切割練習(xí)，一個(gè)為見證件。

（2）將切割設(shè)備半環(huán)固定在接管座上，調(diào)整切割片上表面到耐壓殼大徑段下表面距離12.5 mm。手動(dòng)旋轉(zhuǎn)切割支架，在圓周上間隔45°均布8 個(gè)位置點(diǎn)使用12.5 mm 量塊復(fù)測(cè)驗(yàn)證，確保12.5 mm 的距離要求。

（3）每次進(jìn)給0.5 mm 旋轉(zhuǎn)一周切割焊縫，逐圈切割直至完成。切割過程中噴冷卻劑，防止切割過熱。

2.2 CRDM 耐壓殼拆除和檢查

耐壓殼拆除的難點(diǎn)如何防止旋出過程中不銹鋼螺紋咬死。結(jié)合耐壓殼安裝經(jīng)驗(yàn)，有3 個(gè)重大影響因素需要控制：①耐壓殼自重；②避免旋轉(zhuǎn)力矩受力不均；③拆除力矩過大。

（1）采用氣動(dòng)平衡裝置，消除重力影響。

（2）采用專用旋轉(zhuǎn)抱箍，避免受力不均。

（3）逐步增加旋松力矩，嚴(yán)格控制拆除力矩不超過1.2 倍緊固力矩。

連接吊車、倒鏈、彈簧秤、氣動(dòng)平衡裝置、吊帶。吊車緩慢提升至吊帶底部低于耐壓殼吊環(huán)約200 mm，對(duì)中吊車吊鉤和耐壓殼上部的吊環(huán)，保證吊鉤與耐壓殼在一條鉛垂線上，對(duì)中效果將直接影響耐壓殼能否順利拆除。拉動(dòng)倒鏈至彈簧秤示數(shù)約380 kg（耐壓殼理論重量380 kg），將耐壓殼力矩緊固抱箍固定在耐壓殼上，使用力矩扳手旋松耐壓殼，初始旋松力矩為420 N·m，如不能旋松，逐步增加旋松力矩（每次增加20 N·m），最大不超過500 N·m（擰緊力矩的1.2 倍）。后續(xù)通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)拆除耐壓殼，拆除過程中，通過拉動(dòng)倒鏈，使彈簧秤的示數(shù)控制在380±30 kg。

實(shí)際使用420 N·m 力矩旋松了耐壓殼，旋出過程中彈簧秤顯示重量為350～370 kg，旋出后重量為384.5 kg。彈簧秤控制在360 kg 左右是旋出較為順暢。拆除后接管座螺紋存在輕微毛刺、個(gè)點(diǎn)磕碰。

2.3 CRDM 接管座坡口加工

由于國(guó)內(nèi)不具備短期完成接管座坡口加工能力，本項(xiàng)目CRDM 接管座坡口加工由國(guó)外專業(yè)服務(wù)商實(shí)施完成。

2.3.1 坡口加工尺寸確定

坡口加工基本尺寸確定遵循以下原則：①加工后CRDM接管座與新耐壓殼的匹配性，新耐壓殼安裝后填充環(huán)與管座之間的間隙在0.04～0.25 mm；②CRDM 接管座與耐壓殼坡口組對(duì)及尺寸滿足焊接工藝要求；③CRDM 接管座加工圖僅作輔助參考及驗(yàn)證。坡口加工涉及的關(guān)鍵尺寸為Ca、Da和e（圖5）。其中，Da為接管座坡口位置的外徑，Du為耐壓殼坡口處的外徑，Ca為接管座上端面到坡口上端面的距離，Cu為耐壓殼與接管座配合面到耐壓殼坡口的距離。本項(xiàng)目根據(jù)國(guó)外專業(yè)服務(wù)商技術(shù)文件，要求加工后保證尺寸：①外徑Du-1≤Da≤Du；②坡口厚度1.4≤e≤2.3 mm（e 為焊縫去除毛刺后的厚度）；③高差1.4≤Ca-Cu≤1.8 mm。所有加工尺寸Da、Ca需要根據(jù)待安裝耐壓殼完工尺寸來確定。

圖5 CRDM 接管座關(guān)鍵尺寸

CRDM 接管座關(guān)鍵加工尺寸分析：

（1）外徑Du-1≤Da≤Du，保證接管座與耐壓殼坡口組對(duì)錯(cuò)邊滿足焊接要求。

（2）坡口厚度e：1.9 mm≤e≤2.16 mm，滿足焊接工藝評(píng)定要求。CRDM 耐壓殼安裝階段焊接工藝評(píng)定的覆蓋范圍值1.9 mm≤e≤2.16 mm，如果e 值在安裝工藝評(píng)定范圍內(nèi)，按正常工藝評(píng)定進(jìn)行焊接。如果e 值不在工藝評(píng)定范圍，則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)厚度制作工藝評(píng)定件，重新進(jìn)行工藝評(píng)定合格后，再進(jìn)行焊接。

（3）高差1.4 mm≤Ca-Cu≤1.8 mm，保證新耐壓殼安裝后填充環(huán)與管座之間的間隙在0.04～0.25 mm。結(jié)合Y 形填充換理論厚度1.5 mm，實(shí)際加工過程中應(yīng)保證1.54 mm≤Ca-Cu≤1.75 mm。

2.3.2 坡口加工設(shè)備簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目坡口加工設(shè)備由國(guó)外專業(yè)服務(wù)商提供，具有特點(diǎn)：

（1）基本參數(shù)：電壓220 V（50 Hz），氣源0.5～0.7 MPa（5～7 bar），轉(zhuǎn)速60±20 r/min，加工精度0.01～0.05，加工外徑Φ162～165 mm，加工高度128～133 mm。

（2）定位基準(zhǔn)：CRDM 接管座上表面，即耐壓殼與接管座裝配面。

（3）裝配基準(zhǔn)：CRDM 接管座內(nèi)孔。

（4）成形刀具一次加工到位。

（5）設(shè)備外形尺寸小于Φ400 mm。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

本研究通過對(duì)CRDM 耐壓殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)條件分析，制定耐壓殼更換整體技術(shù)路線，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析CRDM 耐壓殼更換的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，成功完成CRDM 耐壓殼更換。針對(duì)CRDM 耐壓殼切割難點(diǎn)，分析切割線確認(rèn)原則、切割設(shè)備要求，制定專項(xiàng)工藝，保證切割質(zhì)量；針對(duì)CRDM 耐壓殼拆除咬死難點(diǎn)，采用重力平衡裝置、專用旋轉(zhuǎn)抱箍、力矩分層控制，順利完成拆除；針對(duì)CRDM 接管座坡口加工，分析關(guān)鍵加工控制尺寸，反向論證工藝數(shù)據(jù)。通過總結(jié)CRDM 耐壓殼更換過程中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，專項(xiàng)設(shè)備工藝特點(diǎn)及關(guān)鍵闡述，可進(jìn)一步研究擴(kuò)展運(yùn)用于核電運(yùn)行階段CRDM 耐壓殼更換，為CRDM 耐壓殼更換專用設(shè)備或類似設(shè)備更換專用設(shè)備研發(fā)打下知識(shí)基礎(chǔ)，為CRDM 耐壓殼焊接工藝進(jìn)步研究提供工藝、數(shù)據(jù)參考。

3.2 建議

（1）對(duì)CRDM 耐壓殼切割裝置進(jìn)一步研究，形成遠(yuǎn)程遙控自動(dòng)化切割設(shè)備，滿足強(qiáng)輻射環(huán)境下應(yīng)用。

（2）對(duì)CRDM 耐壓殼坡口加工關(guān)鍵數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究CRDM 耐壓殼焊接組對(duì)核心數(shù)據(jù)要求，進(jìn)一步研究CRDM 耐壓殼焊接工藝范圍，形成自有核心工藝數(shù)據(jù)。

（3）對(duì)CRDM 耐壓殼坡口加工設(shè)備進(jìn)行開發(fā)，自主開發(fā)并掌握CRDM 耐壓殼更換的全套設(shè)備和工藝。