自動(dòng)切割及焊接技術(shù)在放射性閥門更換上的開發(fā)及應(yīng)用

郭召生　李杰　劉瑜

摘要：綜合介紹了放射性環(huán)境下實(shí)施一回路閥門整體自動(dòng)切割和焊接更換技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，以及項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的輻射防護(hù)手段和放射性粉塵處理方法。該套整體更換技術(shù)的成功研制和實(shí)施，為一回路重要設(shè)備采取保守維護(hù)策略提供了重要支持，同時(shí)也開拓了核電機(jī)組重要設(shè)備的維修及更換方法。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)焊接;自動(dòng)切割;輻射防護(hù);放射性閥門更換

中圖分類號(hào)：TG457.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）05-0077-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.16

0 前言

壓水堆核電站一回路管道及閥門等設(shè)備是包容反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的放射性介質(zhì)的一道屏障。機(jī)組進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行后，核電站重要檢修活動(dòng)將按照壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備在役檢查規(guī)則（RSE-M）的相關(guān)要求執(zhí)行，一回路重要閥門檢修活動(dòng)被完全包含在核安全法及相關(guān)規(guī)范的要求中[1]。

當(dāng)前針對(duì)放射性環(huán)境下的放射性閥門更換及維護(hù)一般采用人工?；诠ぷ鲿r(shí)間、工作質(zhì)量穩(wěn)定性以及維修后相關(guān)檢查手段優(yōu)化等方面考慮，迫切需要更加優(yōu)質(zhì)、高效的維修策略和方法。文中從一回路閥門更換的實(shí)際需求出發(fā)，開發(fā)相關(guān)切割、焊接工藝及配套方法，達(dá)到縮短維修時(shí)間、提高維修質(zhì)量、優(yōu)化檢測(cè)工藝等目的，為核電機(jī)組長(zhǎng)期的可靠穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

1 閥門簡(jiǎn)介

1.1 閥門工作環(huán)境

閥門位于反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)部，是核島一回路冷卻劑系統(tǒng)上的逆止閥，介質(zhì)為含硼水。該閥門在系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)的具體位置如圖1所示。

1.2 閥門功能

旋啟式止回閥，設(shè)計(jì)等級(jí)為RCC-P 1級(jí)，制造等級(jí)為RCC-M 1級(jí)，質(zhì)量等級(jí)為C1。閥門備件制造過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制尺寸等具體要求并出具最終的EOMR（制造完工報(bào)告）。該類閥門的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該類閥門泄漏主要分為外漏和內(nèi)漏兩種形式。一回路逆止閥與系統(tǒng)管道的連接均為焊接方式，因此外漏主要來(lái)自閥門閥蓋處，內(nèi)漏則來(lái)自閥門閥瓣密封處。由于內(nèi)漏缺陷不易被提前識(shí)別且糾正性維修的難度大，加上機(jī)組在長(zhǎng)達(dá)幾十年的商運(yùn)期間，每次大修完成后都需針對(duì)該閥門的密封性進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，使得該類閥門功能的可靠性要求處于核電機(jī)組所有設(shè)備的頂端。

2 焊接工藝開發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)介

2.1 焊接設(shè)備

焊接設(shè)備采用加拿大利寶迪公司生產(chǎn)的GT-Ⅵ自動(dòng)管焊機(jī)，主要由電源供應(yīng)器、監(jiān)控控制臺(tái)、輔助編輯控制器以及焊接機(jī)頭及其相關(guān)配套軌道等部分組成。該套焊接設(shè)備具有操作簡(jiǎn)便、焊接參數(shù)輸出及焊接過(guò)程控制穩(wěn)定等有優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)管焊機(jī)如圖3所示。

2.2 試驗(yàn)材料及方法

根據(jù)RCC-M（2000+2002 補(bǔ)遺）壓水堆核電站核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與監(jiān)造法則規(guī)定中關(guān)于RCC-M 1級(jí)部件的相關(guān)要求[2]，試驗(yàn)材料選擇與更換閥門材質(zhì)相同（Z2CND1812N）、直徑φ323.8 mm×28.58 mm的不銹鋼管道。

試驗(yàn)方法：使用自動(dòng)焊機(jī)，采用TIG脈沖焊[3]對(duì)兩組對(duì)接試件進(jìn)行焊接，焊后宏觀金相如圖4所示。

2.3 焊接坡口確定

經(jīng)查閱焊接手冊(cè)第三卷焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)篇[4]，坡口的幾何設(shè)計(jì)原則是：坡口的形式和尺寸主要根據(jù)焊接方法和板材厚度來(lái)選擇設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)考慮以下原則：（1）保證焊接質(zhì)量。滿足焊接質(zhì)量要求是首先考慮的原則，也是選擇設(shè)計(jì)坡口的最基本要求;（2）便于焊接施工;（3）坡口加工簡(jiǎn)單;（4）便于控制焊接變形。

相比U型坡口等比較復(fù)雜的加工工藝，在放射性工作環(huán)境中，加工工藝簡(jiǎn)單的坡口更有利于控制現(xiàn)場(chǎng)的工作質(zhì)量?；诂F(xiàn)有自動(dòng)焊機(jī)機(jī)頭的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)參考以往類似成熟工藝評(píng)定經(jīng)驗(yàn)，確定采用雙V型坡口進(jìn)行機(jī)械加工。待焊部位的坡口型式如圖5所示。

2.4 焊接方式及參數(shù)的確定

按照以往成熟的焊接經(jīng)驗(yàn)生成預(yù)工藝數(shù)據(jù)單（PWDS），作為焊接工藝評(píng)定的指導(dǎo)文件。主要對(duì)坡口形式、組對(duì)方式、填充材料、焊接方法以及焊接電流、焊接電壓、焊接速度的范圍等參數(shù)進(jìn)行規(guī)定和明確[4]。

2.5 焊后檢查方法及結(jié)論

結(jié)合規(guī)范RCC-M（2000+2002 補(bǔ)遺）中的要求，對(duì)焊后試件的不同部位進(jìn)行取樣[2]并進(jìn)行熔覆金屬縱向試驗(yàn)、接頭全厚度橫向拉伸試驗(yàn)、彎曲、沖擊及化學(xué)分析等各項(xiàng)試驗(yàn)，焊接試樣截取示意如圖6所示。

所有相關(guān)檢查和檢驗(yàn)結(jié)果均無(wú)異常，滿足規(guī)范要求[2]，用于閥門更換用焊接工藝評(píng)定結(jié)果為合格，焊縫微觀金相如圖7所示。

2.6 焊接工藝規(guī)程的生效

按照已完成的試驗(yàn)件相關(guān)工作，生成閥門更換產(chǎn)品焊縫完成的工藝評(píng)定報(bào)告。報(bào)告主要對(duì)工藝評(píng)定的各個(gè)方面尤其是檢測(cè)部分給出結(jié)論，主要附件有工作實(shí)施過(guò)程中使用的焊接質(zhì)量計(jì)劃、焊接記錄單、焊縫無(wú)損檢驗(yàn)報(bào)告、試件外送檢驗(yàn)報(bào)告、母材材質(zhì)證明、焊材材質(zhì)證明、保護(hù)氣體成分說(shuō)明以及工機(jī)具校驗(yàn)單等。焊接工藝評(píng)定報(bào)告目錄如圖8所示。

據(jù)此，現(xiàn)場(chǎng)更換閥門的先決條件均已滿足，具備開工條件。

3 切割實(shí)施

3.1 固定方案

從現(xiàn)場(chǎng)管道走向來(lái)看，管道成“Z”字形走向，臨時(shí)支架將在垂直管道方向安裝“門”型支撐來(lái)防止管道擺動(dòng)和竄動(dòng)。管道支架固定方式模擬如圖9所示。

3.2 切割方案

從前期現(xiàn)場(chǎng)踩點(diǎn)及對(duì)待更換備件尺寸進(jìn)行測(cè)量等方面出發(fā)，利用3D測(cè)量技術(shù)[5]，提前預(yù)制相關(guān)附件和管線，成功預(yù)見并解決了閥門切割后管道長(zhǎng)度不足的差異。通過(guò)技術(shù)手段和流程來(lái)確保更換現(xiàn)場(chǎng)待焊部位的尺寸滿足要求，制定閥門整體切割更換方案，閥門更換項(xiàng)目簡(jiǎn)要流程如圖10所示。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)，通過(guò)自動(dòng)切割設(shè)備對(duì)待焊部位進(jìn)行切割，自動(dòng)切割作業(yè)如圖11所示。在完成第一次切割后，使用自行研發(fā)的測(cè)量技術(shù)獲取精準(zhǔn)尺寸數(shù)據(jù)，指導(dǎo)二次加工，并最終滿足自動(dòng)焊接的需求。通過(guò)該方法，成功解決了運(yùn)行階段機(jī)組重要設(shè)備需整體切割更換時(shí)的尺寸偏差。傳統(tǒng)測(cè)量與3D模擬測(cè)量對(duì)比分析如表1所示。

4 輻射防護(hù)實(shí)施

4.1 環(huán)境輻射防護(hù)

沉積源項(xiàng)造成的輻射熱點(diǎn)是核電廠停堆檢修期間集體劑量的主要來(lái)源之一[6]。對(duì)于管道及閥門內(nèi)部出現(xiàn)的放射性熱粒子，充分利用機(jī)組下行階段各設(shè)備及相關(guān)系統(tǒng)的條件進(jìn)行加壓沖洗，消除其存在。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)打磨，切割作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的熱粒子可能沉積在鉛皮表面[6]。在拆除屏蔽前使用長(zhǎng)桿測(cè)量所有鉛皮表面劑量率是否正常。若發(fā)現(xiàn)異常則根據(jù)熱點(diǎn)實(shí)際劑量制定去除方案。若劑量水平較低，可直接用去污布擦除，如劑量水平較高，則通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有粒子收集裝置，及時(shí)消除現(xiàn)場(chǎng)切割、打磨產(chǎn)生的放射性粒子和粉塵，降低環(huán)境劑量率。放射性粉塵收集原理如圖12所示。

4.2 實(shí)施人員輻射防護(hù)

按照放射性設(shè)備切割打磨基本防護(hù)要求，現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)負(fù)壓SAS，人員穿戴紙衣并佩戴氣面罩，調(diào)整輻射環(huán)境下人員工作時(shí)間來(lái)控制個(gè)人受照射劑量[7]。安排專人負(fù)責(zé)個(gè)人劑量的控制與登記，記錄結(jié)果交給輻射防護(hù)人員進(jìn)行獨(dú)立檢查和確認(rèn)。人員工作期間的防護(hù)措施如圖13所示。

5 焊接實(shí)施

5.1 法規(guī)要求

根據(jù)RSE-M（1997）壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備在役檢查規(guī)則B冊(cè)核安全1級(jí)部件維修分級(jí)章節(jié)（B8500）規(guī)定，本次擬采用的維修方案（涉及更換件對(duì)接焊接作業(yè)，Butt joint a replaced part by welding）屬于關(guān)注項(xiàng)[1]，按要求提前向國(guó)家核安全局進(jìn)行報(bào)備。A8541規(guī)定的設(shè)備維修作業(yè)的分級(jí)要求見圖14。

5.2 焊接操作

按照既定的焊接文件，通過(guò)自動(dòng)焊接方式進(jìn)行焊接作業(yè)。在焊接作業(yè)實(shí)施期間，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)視柜跟蹤現(xiàn)場(chǎng)焊接狀態(tài)，通過(guò)控制柜和輔助裝置調(diào)整焊接過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，以保證焊接質(zhì)量目的?，F(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)焊接操作如圖15所示。

5.3 焊后檢測(cè)

為實(shí)現(xiàn)閥門更換工期及質(zhì)量的最優(yōu)化，在滿足法規(guī)[1]要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合長(zhǎng)期類似的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)檢測(cè)方案進(jìn)行調(diào)整。

現(xiàn)場(chǎng)閥門更換過(guò)程中將對(duì)每條焊縫進(jìn)行兩次PT及RT檢查。焊接量為15%時(shí)進(jìn)行第1次PT及RT檢查，確認(rèn)焊接質(zhì)量合格后繼續(xù)進(jìn)行焊接。待焊接量為100%時(shí)進(jìn)行第2次PT及RT檢查，焊后兩次PT及RT檢查均合格，則視為現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)最終完成。

5.4 見證件焊接

根據(jù)向國(guó)家核安全局及華南監(jiān)督站呈送的《某電廠閥門維修處理方案（修改版）》中的要求，在現(xiàn)場(chǎng)更換工作完成后進(jìn)行見證件的相關(guān)焊接工作。

按照備件預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)更換時(shí)的焊接形式，將進(jìn)行2GT和5GT兩組見證件試件的預(yù)制及焊接。采用與產(chǎn)品相同的焊接工藝數(shù)據(jù)單，編寫專門的焊接質(zhì)量計(jì)劃并記錄相應(yīng)的焊接參數(shù)。

焊接前對(duì)試件坡口進(jìn)行相應(yīng)的PT、VT檢查，合格后開始執(zhí)行焊接作業(yè)，15%厚度后進(jìn)行PT、VT、RT檢查，確認(rèn)合格后再開始自動(dòng)焊焊接工作。厚度達(dá)到100%后再進(jìn)行PT、VT、RT檢查，最終確認(rèn)整個(gè)過(guò)程中所有無(wú)損檢查結(jié)果均一次性合格。

見證件焊接完成后送核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司檢測(cè)中心，按照RCC-M2000+2002補(bǔ)遺規(guī)范要求進(jìn)行相應(yīng)檢測(cè)及破壞性試驗(yàn)，檢測(cè)報(bào)告（BG（LH）2015-03-0093和BG（LH）2015-03-0094 ）顯示結(jié)果均滿足要求。

至此，自動(dòng)切割及焊接放射性閥門更換的相關(guān)流程全部完成。

6 結(jié)論

（1）將自動(dòng)切割和焊接技術(shù)應(yīng)用于在運(yùn)機(jī)組，無(wú)論從人力需求還是設(shè)備維修后效果來(lái)看，相比傳統(tǒng)檢查維護(hù)方法有大幅改進(jìn)，維修質(zhì)量和維修效率大幅提高，收益產(chǎn)出比明顯。

（2）與常規(guī)更換技術(shù)相比：自動(dòng)焊接技術(shù)結(jié)合一定的輔助方法，避免因設(shè)備更換而被動(dòng)進(jìn)行一回路水壓試驗(yàn)，時(shí)間節(jié)省效益明顯。

（3）與常規(guī)更換所需人員比較：自動(dòng)切割技術(shù)大幅減少了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)切割技術(shù)人員、手工焊接人員的依賴和需求，人員利用率效益明顯。

（4）與常規(guī)更換所需設(shè)備比較：通過(guò)采用3D測(cè)量及模擬技術(shù)，減小了人工測(cè)量技術(shù)的局限性及不穩(wěn)定性，測(cè)量質(zhì)量效果明顯。

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