新型百萬千瓦核電機組汽水分離再熱器制造關(guān)鍵技術(shù)探討

路 揚

(哈電集團(秦皇島)重型裝備有限公司，河北秦皇島 066206)

0 引言

汽水分離再熱器為核電站常規(guī)島的重要熱力設(shè)備。由于核電廠使用的汽輪機組為飽和蒸汽機組，蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的飽和蒸汽被送到高壓缸作功，高壓缸末級的排汽濕度僅能達到14.2%，如果此種蒸汽仍被送往低壓缸，將對低壓缸產(chǎn)生汽蝕、水錘，大大縮短汽輪機組的使用壽命。為避免出現(xiàn)這種情況，專門設(shè)計了汽水分離再熱器系統(tǒng)。這樣，高壓缸的蒸汽作完功后，被送入到汽水分離再熱器(Moisture Separator Reheater，MSR)。在MSR 中進行分離和再熱，使進入低壓缸的蒸汽為過熱蒸汽，減低了對低壓缸葉片的沖蝕。同時，汽水分離再熱系統(tǒng)還起到了合理分配低壓缸負荷、減輕高壓缸負載的功能。因此，研制新型汽水分離再熱器對提高核電機組性能意義重大[1-5]。在汽水分離再熱器方面，相關(guān)研究包括新型百萬千瓦核電站汽水分離再熱器的研制主要過程[6]、AP1000汽水分離再熱器焊接變形控制方法[7]、1 000 MW核電汽水分離再熱器的分離功能分析[8]、汽水分離再熱器殼體設(shè)計方法[9]以及“華龍一號”核電站汽水分離再熱器管子管板封口焊工藝、不銹鋼換熱管與管板堆焊層的焊接特點和工藝試驗過程[10]、汽水分離再熱器的無損檢測[11]和不同類型接管安全端焊接接頭常溫斷裂韌性對比[12]等。這些研究工作從不同角度上為制定新型汽水分離再熱器的結(jié)構(gòu)與殼體組件焊接制造工藝提供技術(shù)支撐。針對在新型百萬千瓦核電機組汽水分離再熱器制造過程中遇到的諸多關(guān)鍵難題，本文介紹為解決這些難題制定的焊接制造工藝方法，為重型汽水分離再熱器的制造提供可行焊接制造工藝方案。

1 新型汽水分離再熱器結(jié)構(gòu)特性與殼體組件制造工藝

2014～2016年，某公司利用美國TEI技術(shù)，為我國VVER型百萬千瓦核電機組研制了一臺新型汽水分離再熱器，并用于我國某核電站3#，4#機組。每個機組使用兩套MSR裝備。每套MSR裝備的長度24.2 m,殼體壁厚32 mm,內(nèi)徑4.2 m,本體總重263 t。該裝備主要由殼體組件、高低壓封頭組件、殼體內(nèi)件、分離葉片、一級、二級再熱器組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 VVER型百萬千瓦核電機組汽水分離器的三維結(jié)構(gòu)示意

針對本次新型MSR的制造，將其與AP1000型MSR的結(jié)構(gòu)進行詳盡的對比，找出制造難點，制定了合理的解決方案和詳細的制造工藝。

本設(shè)備的殼體組件是由7段筒體組成，屬于薄壁大直徑筒體，其殼體壁厚32 mm，材料為SA-516-70，如圖2所示。

圖2 MSR殼體組件及回轉(zhuǎn)夾具

由于殼體組件的整個筒體上接管數(shù)量多，接管布局分散，在滾輪架上滾動時與滾輪間距最近距離僅有0.2 m，所以筒體轉(zhuǎn)動時會發(fā)生軸向輕微竄動，存在碰撞風險；并且隨著后續(xù)裝焊殼體內(nèi)部組件的增加，回轉(zhuǎn)次數(shù)會進一步增大，且設(shè)備重量逐漸增加，導致殼體外壁出現(xiàn)碰撞和碾壓壓痕，破壞了接管和筒體。故接管和筒體的防護是該制造工藝的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計了一種筒體回轉(zhuǎn)承載夾具(見圖2)，其為圓環(huán)形構(gòu)件并帶有限位板。將該夾具固定在筒體兩端合適位置，并安放在滾輪架上進行安全滾動作業(yè)。這樣既能控制筒體轉(zhuǎn)動的軸向位移，又能避免筒體外壁受到碾壓，有效提高了大型殼體組件裝焊精度和效率。

殼體組件制造主要過程為：(1)卷制單段筒體；(2)焊接單段筒體的縱縫；(3)對齊多段筒體，焊接多段筒體組的環(huán)縫；(4)筒體開孔并裝焊接管；(5)在筒體端部及筒體蒸汽出、入口開孔兩側(cè)安裝防變形環(huán)；(6)內(nèi)部開孔位置安裝X形支撐架，防止接管焊后筒體變形；(7)待熱處理、噴砂、防銹處理后拆除內(nèi)部工裝。

2 殼體內(nèi)部組件裝焊制造工藝

新型MSR內(nèi)部組件的裝配和焊接是本設(shè)備的制造難點。由于不銹鋼內(nèi)部組件數(shù)量多、焊接坡口角度大，與殼體焊接容易產(chǎn)生焊縫收縮，導致殼體圓度不合格，影響葉片和再熱器的安裝尺寸以及封頭與殼體的對接[2-3]。

以往TEI公司設(shè)計的MSR制造工藝的控制筒體變形采用以下方法：在裝焊內(nèi)件前先將端部隔板與筒體進行裝焊，在端部隔板上開運輸口，內(nèi)部組件從端部隔板兩側(cè)開口處運至筒內(nèi)裝焊，如圖3(a)所示。這樣既能夠確保封頭的安裝尺寸，又起到筒體防變形的控制。對比可知，VVER新型MSR端部隔板未設(shè)計可運輸內(nèi)件的通道(見圖3(b))。由于大部分內(nèi)件需用吊梁運至筒內(nèi)，因此無法提前裝焊端部隔板，在沒有端部隔板支撐的情況下，筒體端部的圓度會受到內(nèi)件焊接的影響，易產(chǎn)生焊接變形導致超差。所以內(nèi)部組件的裝焊順序是保證該設(shè)備質(zhì)量的關(guān)鍵。

(a)已有TEI設(shè)計MSR端部隔板

(b)VVER新型MSR端部隔板

2.1 不銹鋼內(nèi)襯板的焊接制造工藝

為了防止銹蝕，本設(shè)備要求飽和蒸汽進入MSR蒸汽分布板之前接觸的筒體及內(nèi)件表面為不銹鋼材質(zhì)，殼體內(nèi)壁設(shè)計有3 mm不銹鋼內(nèi)襯板，如圖4所示。內(nèi)襯板由多塊拼接，卷制后貼合在殼體內(nèi)壁蒸汽接觸區(qū)域。內(nèi)襯板上設(shè)有成組塞焊孔，需要進行不銹鋼塞焊填充，并且與其余內(nèi)部組件之間暴露碳鋼表面的位置均需要用不銹鋼堆焊，部分焊縫斷續(xù)焊預(yù)留排氣孔。在制造時，每張內(nèi)襯板在殼體內(nèi)壁組對好以后，首先焊接塞焊孔，再進行拼接位置以及碳鋼區(qū)域的堆焊，旨在防止因內(nèi)襯板邊緣焊后收縮導致其與殼體貼合不嚴，無法進行塞焊。

圖4 MSR不銹鋼內(nèi)襯板的鋪設(shè)和塞焊

2.2 支撐隔板組件定位控制

支撐隔板和U形防沖擊板為復合鋼板，是內(nèi)件裝焊的主框架，支撐隔板的裝焊尺寸要求嚴格,裝配時支撐隔板與筒身單側(cè)有15 mm間隙，通過環(huán)形肋板與筒體相連，見圖5。

圖5 支撐隔板與U形防沖擊板焊接防變形工裝

焊接時，蒸汽入口一側(cè)為不銹鋼復合層，支撐隔板與殼體內(nèi)側(cè)以及U形防沖擊板不銹鋼堆焊量大，易發(fā)生焊接變形，影響筒體圓度。焊接前需要對支撐隔板以及殼體做好各種防變形措施，隔板沿殼體徑向和軸向利用輔助型鋼進行剛性固定[3-4]，在殼體外側(cè)對應(yīng)支撐隔板位置安裝防變形環(huán)，待后續(xù)內(nèi)件裝配形成剛性固定后再拆除防變形支撐。

2.3 葉片底部支撐槽及疏水通道組件焊接變形的預(yù)防

疏水通道組件作為分離葉片支撐部分，其與殼體焊后定位尺寸是本產(chǎn)品內(nèi)件焊接的重要控制點。其焊接存在以下難點。

(1)不銹鋼材質(zhì)，厚度薄、單側(cè)坡口且坡口角度大，易變形。

(2)焊縫多，裝焊順序嚴格，多處焊縫焊后背側(cè)無法清理，需要氣體保護焊接實現(xiàn)單面焊雙面成形，氬弧焊熱輸出量大，焊后易收縮。

(3)葉片安裝尺寸嚴格、公差小，空間狹小，校正困難。

與AP1000型MSR葉片底部支撐槽相對比，兩者成型方式(見圖6)和成型參數(shù)(見表1)均有所不同。

(a)AP1000型MSR葉片底部支撐及疏水通道組件 (b)VVER新型MSR葉片底部支撐及疏水通道組件

表1 AP1000型MSR葉片底部支撐槽對比

AP1000型MSR葉片底部支撐槽成型方式為折彎成型，材料為SA-516Gr70，下料后折彎成型，測量葉片安裝尺寸合格后，劃線氣割開排水孔；新型MSR為焊接成型，材料為SA-240-304，且單側(cè)坡口，坡口角度為45°。經(jīng)試驗證明，焊接后支撐板朝坡口側(cè)發(fā)生收縮變形。由于底部排水孔較大，支撐板剛性低，焊后校正難度大，易出現(xiàn)波浪式變形，影響葉片的安裝精度。為避免以上問題發(fā)生，先將各單件按尺寸進行裝配并點焊固定，并與筒身及其他內(nèi)件連接形成剛性固定，測量安裝尺寸無誤后，再進行二次多點點焊加固。沒有固定的內(nèi)件待后續(xù)與其余內(nèi)件點焊牢固后，再按照此方法施焊。焊接時控制焊道道間溫度，焊后產(chǎn)生應(yīng)力不會引起較大的超差變形。

2.4 蒸汽入口側(cè)分布板組件焊接工藝

經(jīng)與AP1000型MSR分布板組件對比，得出以下不同和制造難點。

(1)材質(zhì)方面：AP1000型MSR分布板為10 mm碳鋼材質(zhì)，新型MSR分布板為20 mm不銹鋼材質(zhì)，二者均與支撐隔板及筒體三面焊接，后者焊后變形趨勢大。

(2)結(jié)構(gòu)方面：前者分布板與隔板屬于搭接式焊接，安裝分布板時只需確保葉片安裝尺寸；后者分布板裝配尺寸影響著隔板與葉片的位置，需確保安裝后沿筒體軸向齊平，來確保隔板安裝在分布板上后沒有間隙,見圖7。

(a)AP1000型MSR分布板與隔板結(jié)構(gòu)

(b)VVER新型MSR分布板與隔板結(jié)構(gòu)

(3)分布板支撐形式方面：前者分布板下部與葉片上支撐槽之間焊有支撐板，可通過調(diào)節(jié)該支撐板來確保葉片安裝尺寸；而后者分布板下表面直接為葉片支撐面，若分布板焊后不平或筒體不圓都會影響葉片安裝尺寸。

為解決以上問題，將新型MSR分布板與筒體裝點后裝配與其連接并與筒體連接的其他內(nèi)件，形成剛性固定后再進行施焊，焊接時控制電流的熱輸出量，并且采用對稱式焊接控制分布板的變形量。

2.5 分離葉片組件裝配工藝

新型MSR葉片規(guī)格為：203 mm×1 524 mm，材料為SA-240-304，分為端部葉片和中間區(qū)域葉片兩種，如圖8所示。分離葉片對于MSR來說是一個相當重要的原件，分離效果的好壞將對熱效率產(chǎn)生影響[4]。安裝前需要對葉片的方向和數(shù)量進行詳細的確認。端部葉片16片，中間區(qū)域葉片1 208片，安裝在支撐隔板兩側(cè)8個區(qū)域。中間區(qū)域葉片帶有彈性墊片，厚度為19.8 mm，安裝時需對葉片進行壓縮且每片葉片最大壓縮載荷不能超過409 kg。葉片厚度從19.8 mm壓縮至19 mm后,方可將1 208片葉片全部放入。葉片數(shù)量的允許公差系數(shù)為3%，即不得少于1 172片。安裝時利用液壓千斤頂來調(diào)整葉片的壓縮，按組安裝葉片，并根據(jù)千斤頂?shù)囊?guī)格選擇每組葉片數(shù)量。

圖8 分離葉片剖面圖

3 結(jié)語

通過采用合理的內(nèi)件裝配順序和防變形措施，汽水分離再熱器中的葉片和再熱器安裝精度能夠得到良好的控制。目前，承制的某核電站3#，4#機組4臺汽水分離再熱器已順利制造完成，制造中殼體內(nèi)件通過相互剛性組對提高了強度，良好地控制了不銹鋼薄板的焊接變形，確保了葉片和再熱器在殼體內(nèi)精確的安裝尺寸。制定的焊接制造工藝和相關(guān)技術(shù)，為新型汽水分離再熱器中殼體組件順利制造提供了技術(shù)保障，也為同類產(chǎn)品的制造提供了寶貴的經(jīng)驗。