PRS換熱器的制造難點(diǎn)及原因分析

袁宏 談國(guó)偉 何戈寧 李磊 李冬慧

摘 要非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)是第三代先進(jìn)壓水反應(yīng)堆核電廠的特征之一，其作用是利用系統(tǒng)工質(zhì)的自然循環(huán)特性，在不施加外部動(dòng)力的情況下，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)直接或間接地對(duì)反應(yīng)堆堆芯進(jìn)行冷卻，以保證反應(yīng)堆的安全。非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)換熱器（PRS換熱器）是自主三代核電 “華龍一號(hào)”機(jī)組非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備，其工作性能及制造質(zhì)量對(duì)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著重要的影響。本文對(duì)華龍一號(hào)示范工程PRS換熱器制造中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了歸納總結(jié)，結(jié)合原因分析了PRS換熱器在制造過(guò)程中需關(guān)注的方向，為華龍一號(hào)后續(xù)機(jī)組PRS換熱器的制造及設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞PRS換熱器;制造難點(diǎn)

0 引言

非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)是為了確保核電安全而特別設(shè)置的先進(jìn)系統(tǒng)，其作用是利用系統(tǒng)工質(zhì)的自然循環(huán)特性，在不施加外部動(dòng)力的情況下，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)直接或間接地對(duì)反應(yīng)堆堆芯進(jìn)行冷卻，以保證反應(yīng)堆的安全。在目前的先進(jìn)反應(yīng)堆中，各國(guó)都非常強(qiáng)調(diào)非能動(dòng)安全概念，絕大部分先進(jìn)壓水堆都采用了非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)，以期提高反應(yīng)堆的固有安全性[1-2]。非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)成為第三代先進(jìn)壓水反應(yīng)堆核電廠的主要特征之一。非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)換熱器（PRS換熱器）是自主三代核電“華龍一號(hào)”機(jī)組非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備，其工作性能及制造質(zhì)量對(duì)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著重要的影響。本文針對(duì)制造廠反饋的制造難點(diǎn)進(jìn)行整合，結(jié)合原因分析了PRS換熱器在制造過(guò)程中需關(guān)注的方向，為后期PRS換熱器的制造及設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

1 PRS換熱器簡(jiǎn)介

1.1 功能

PRS換熱器的主要功能是在全廠斷電事故疊加輔助給水系統(tǒng)汽動(dòng)給水泵啟動(dòng)失效的情況下，以一定的冷卻速率導(dǎo)出堆芯余熱及反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)各設(shè)備的顯熱[3]。同時(shí)，PRS換熱器也構(gòu)成二回路壓力邊界的一部分。當(dāng)系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，PRS換熱器管程冷凝水在重力作用下注入蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，并在其中吸收堆芯余熱后變成蒸汽。蒸汽進(jìn)入PRS換熱器管程，與事故冷卻水箱里的冷卻水進(jìn)行熱量交換，蒸汽將熱量傳遞給冷卻水后被冷凝為水。冷凝水依靠PRS換熱器與蒸汽發(fā)生器水位差，在重力的作用下返回蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，從而完成蒸汽─冷凝水回路的自然循環(huán)。

PRS換熱器為C形管熱交換器，管程進(jìn)口接管連接蒸汽管道，管程出口接管連接凝水管，C形管外是事故冷卻水箱里的水。設(shè)備主體材料為低合金鋼和不銹鋼，管板管程布管區(qū)以及與事故冷卻水箱里水接觸的表面堆焊奧氏體不銹鋼。

1.2 結(jié)構(gòu)

PRS換熱器主要由上封頭組件、下封頭組件、管板組件、C形傳熱管束、框架及管束支承組件、上部支承組件、下部支承組件、地腳錨固組件組成，見(jiàn)圖1。

2 制造難點(diǎn)及原因分析

2.1 制造難點(diǎn)

2.1.1 框架及管束支承組件

框架及管束支承組件主要由H型鋼、支承梁方管、焊接板、定位板、圓齒支承棒等零部件組成。該組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件較多，主要對(duì)管束起支承作用。

制造過(guò)程中，框架及管束支承組件出現(xiàn)過(guò)以下問(wèn)題：（1）兩個(gè)支承釘端部之間的間距尺寸超差;（2）兩個(gè)限上約束塊端部之間的間距尺寸超差;（3）H型鋼框架前端16個(gè)螺栓連接嵌入塊凸臺(tái)面至框架后端H型鋼表面尺寸超差;（4）框架內(nèi)部管束垂直支承兩板面之間距離超差;（5）支承板上通孔與螺紋支承板的螺紋孔存在錯(cuò)位;（6）背部框架組件與管束組件框架距離超差。

2.1.2 支承組件

上部支承組件主要由1個(gè)上部錨固架、水平限位臂等零部件組成。下部支承組件主要由1個(gè)橫梁，2個(gè)下部支座、垂直限位臂、滑動(dòng)支承塊、末端擋板等零部件組成。

制造過(guò)程中，支承組件出現(xiàn)過(guò)以下問(wèn)題：（1）上、下部?jī)蓚€(gè)滑動(dòng)支承塊中心距尺寸超差;（2）下部?jī)蓚€(gè)底板中心間距尺寸超差;（3）筋板1與筋板1之間的間距尺寸存在超差。

2.1.3 管板組件

PRS換熱器有上、下共2個(gè)管板組件。這兩個(gè)管板組件尺寸一致，在管板高、低位置上分別設(shè)有排氣接管、疏水接管。管板與水室封頭焊接構(gòu)成進(jìn)、出口水室;管板另一側(cè)整體鍛出的凸臺(tái)與外伸法蘭焊接，形成與管束支承框架連接的接口;管板周向凸臺(tái)與環(huán)形支承板焊接，環(huán)形支承板與支承筒、安裝環(huán)一起構(gòu)成支承殼組件，給換熱器的封頭端提供支承。

制造過(guò)程中，管板組件出現(xiàn)過(guò)以下問(wèn)題：（1）外伸法蘭-管板-環(huán)形支承板焊接機(jī)加后出現(xiàn)尺寸和平行度偏差;（2）事故冷卻水箱側(cè)堆焊層PT檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)三處顯示，平面邊緣局部區(qū)域（邊緣至向里6-12mm）平面度超差;（3）二次側(cè)鉆孔區(qū)域堆焊層尺寸超差。

2.1.4 封頭組件

PRS換熱器有兩個(gè)封頭組件，即上封頭組件和下封頭組件，這兩個(gè)封頭組件除進(jìn)、出口接管嘴尺寸不同以外，其零部件組成、材料、尺寸均相同。封頭組件組成的零部件包括：上封頭、進(jìn)口接管嘴安全端、人孔密封組件。

制造過(guò)程中，封頭組件出現(xiàn)過(guò)以下問(wèn)題：（1）封頭外表面母材割傷;（2）人孔蓋操作架座表面出現(xiàn)凹坑，吊架軸1局部表面存在多處碰傷。

2.2 原因分析

2.2.1 框架及管束支承組件

對(duì)于防控措施考慮不周造成焊接變形，以及加工累積誤差造成尺寸超差;個(gè)別孔位劃線定位精度不高，存在偏差。

設(shè)計(jì)時(shí)需盡量考慮焊接變形對(duì)設(shè)備總體尺寸的影響，保證能順利安裝換熱管;制造廠在焊接過(guò)程中需特別考慮焊縫收縮量的影響。

2.2.2 支承組件

由于焊接殘余應(yīng)力造成的變形導(dǎo)致配合面不平整，相關(guān)配合面未考慮焊后機(jī)加留量;筋板裝焊尺寸錯(cuò)誤。

設(shè)計(jì)時(shí)需盡量考慮焊接變形導(dǎo)致的后果，制造廠需保證制造過(guò)程中參數(shù)裕量充足，焊接時(shí)需特別考慮焊縫收縮量的影響。

2.2.3 管板組件

由于焊接過(guò)程中防變形措施不到位，導(dǎo)致環(huán)形支承板和外伸法蘭存在焊接變形;焊接過(guò)程中存在缺陷，打磨清理不徹底導(dǎo)致夾渣或氣孔;操作者車(chē)削堆焊面時(shí)采用返尺寸檢測(cè)堆焊厚度出現(xiàn)偏差;操作者加工經(jīng)驗(yàn)不足，未能正確應(yīng)用保證堆焊層厚度的檢測(cè)方法;因打磨過(guò)程操作細(xì)節(jié)管控不到位。

設(shè)計(jì)時(shí)需盡量考慮焊接變形導(dǎo)致的后果，考慮到國(guó)內(nèi)的制造加工能力，可適當(dāng)放寬部分設(shè)計(jì)參數(shù)，制造廠焊接時(shí)需要特別考慮焊縫收縮量的影響。

2.2.4 封頭組件

由于工件在起吊、轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中防護(hù)不當(dāng)，導(dǎo)致產(chǎn)生磕碰;吊架軸1轉(zhuǎn)運(yùn)或臨時(shí)存放過(guò)程保護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致表面碰傷。

設(shè)計(jì)時(shí)需盡量考慮安裝、運(yùn)輸?shù)仍斐傻挠绊懀煽紤]在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)一步優(yōu)化;制造廠在運(yùn)輸過(guò)程中需盡量減少對(duì)工件的磕碰損傷。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)華龍一號(hào)示范工程PRS換熱器在制造過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題的歸納總結(jié)，結(jié)合原因分析梳理出了PRS換熱器在制造過(guò)程中需關(guān)注的事項(xiàng)?？梢詾槿A龍一號(hào)后續(xù)機(jī)組批量建設(shè)中PRS換熱器的制造提供指，亦可為華龍一號(hào)后續(xù)機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)提供一定的思路及建議。

參考文獻(xiàn)

[1]周濤，李精精，琚忠云，黃彥平，肖澤軍.非能動(dòng)自然循環(huán)技術(shù)的發(fā)展與研究[J].核安全，2013，12（03）：32-36.

[2]周科，張丹，魏宗嵐，初曉，吳廣皓.壓水堆核電廠非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)對(duì)比研究[J].科技視界，2017（06）：336-337.

[3]李峰，劉昌文，吳清，冷貴君，張曉華，鮮麟，賴建永，湯華鵬.華龍一號(hào)二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)功能論證[J].核動(dòng)力工程，2019，40（S1）：28-31.