高壓冷卻器制造的幾個(gè)關(guān)鍵工藝

范海平* 涂 強(qiáng)

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司）

0 前言

核電站主泵是一回路RCS（Reactor Coolant System）的重要組成部分，為整個(gè)一回路的冷卻劑循環(huán)提供動(dòng)力。高壓冷卻器位于主泵旁，從主泵電機(jī)側(cè)熱屏出來(lái)的一次側(cè)冷卻劑經(jīng)高壓冷卻器入口接管進(jìn)入換熱管，與流經(jīng)殼側(cè)的設(shè)備冷卻水進(jìn)行熱交換，降低了溫度，然后經(jīng)出口接管進(jìn)入主泵電機(jī)殼，為電機(jī)提供冷卻介質(zhì)（如圖1 所示）。高壓冷卻器管側(cè)內(nèi)的介質(zhì)是一回路冷卻劑，具有高溫、高壓、高放射性。因此，高壓冷卻器的管側(cè)核安全分級(jí)是SC-1，屬于核電站一回路承壓邊界，是核電站第二道放射性防護(hù)的屏障[1]。高壓冷卻器殼側(cè)內(nèi)的介質(zhì)是設(shè)備冷卻水，其主要作用是帶走換熱管內(nèi)一次側(cè)冷卻劑的熱量。每臺(tái)濕繞組主泵配有一臺(tái)高壓冷卻器，其屬于固定管板式換熱器。

圖1 高壓冷卻器的結(jié)構(gòu)示意圖

1 高壓冷卻器的結(jié)構(gòu)和主要部件的材料

高壓冷卻器主要由三大組件組成：管箱封頭組件，管束組件及下封頭組件。其中管束組件是進(jìn)行熱交換的主要場(chǎng)所，結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，制造難度也最大，是其核心部件。

管箱封頭組件包括：管箱封頭、管箱法蘭、管側(cè)入口接管及法蘭、管側(cè)排氣接管及法蘭。主要的制造內(nèi)容包括：管箱封頭與管箱法蘭的對(duì)接焊、管箱封頭與進(jìn)口接管的對(duì)接焊、管箱封頭與管側(cè)排氣接管的對(duì)接焊、進(jìn)口接管與法蘭的對(duì)接焊、排氣接管與法蘭的對(duì)接焊及管箱封頭組件的內(nèi)壁堆焊。

管束組件包括：上下管板、換熱管、定距管、折流板、拉桿、緩沖擋板、筒體、殼側(cè)進(jìn)口接管及法蘭、殼側(cè)出口接管及法蘭、殼側(cè)排氣接管及法蘭、殼側(cè)疏水接管及法蘭。其中，殼側(cè)排氣、疏水接管采用鎳基焊材堆焊，加工到設(shè)計(jì)要求的尺寸，然后與法蘭對(duì)接焊。管束組件的主要制造工序包括：上下管板一二次側(cè)的堆焊，深孔鉆、上管板裝折流板、拉桿、定距管的裝焊，穿管、定位脹、封口焊、氦檢漏、液壓脹、筒體卷制、筒體裝焊進(jìn)出口接管及法蘭、筒體與上管板套裝，筒體與上下管板焊接。

下封頭組件包括：下封頭、管箱法蘭、管側(cè)出口接管及法蘭。下封頭組件除了沒(méi)有排氣接管及法蘭的裝焊外，其余制造過(guò)程與上封頭組件類(lèi)似。

三大組件分別制造完成后，上下管板與管箱法蘭通過(guò)雙頭螺柱、螺母、墊片連接密封。

管箱封頭組件、管束組件、下封頭組件的主要部件的材質(zhì)可見(jiàn)表1。

表1 管箱封頭組件、管束組件、下封頭組件的主要部件的材質(zhì)

2 制造的關(guān)鍵工藝

2.1 管板堆焊

高壓冷卻器的上、下管板結(jié)構(gòu)相似，上管板中心厚度為195 mm，下管板中心厚度為215 mm。由于上、下管板兩側(cè)表面均與冷卻劑接觸，為增強(qiáng)設(shè)備的耐蝕性，上、下管板兩側(cè)均應(yīng)進(jìn)行不銹鋼堆焊。管板采用組合堆焊，即第一層堆焊309L 不銹鋼，后續(xù)堆焊層采用308L 焊材進(jìn)行堆焊，保證堆焊層的總厚度為4～7 mm。這是因?yàn)槎押傅谝粚硬讳P鋼時(shí)，熔化的低合金母材進(jìn)入熔池，對(duì)不銹鋼中的合金元素有一定的稀釋作用，因此，第一層采用Cr、Ni 等合金元素含量較高的309L 焊材。為了減小管板的變形程度，并降低堆焊層氣孔夾雜等缺陷出現(xiàn)的概率，宜采用熱輸入量較小的熱絲TIG 焊，并采用高純度的Ar 氣作為保護(hù)氣體，而且為保護(hù)好處于高溫的堆焊層金屬，還應(yīng)采用高純度的氬氣作為尾部保護(hù)氣。堆焊時(shí)，應(yīng)監(jiān)控管板的翹曲變形，一旦發(fā)現(xiàn)管板變形過(guò)大，則應(yīng)及時(shí)將其翻轉(zhuǎn)，在管板的另一面進(jìn)行堆焊，在管板的一次側(cè)和二次側(cè)交替進(jìn)行堆焊，可控制管板的變形在要求的范圍內(nèi)（管板的堆焊情況如圖2 所示）。

圖2 高壓冷卻器管板堆焊

2.2 管板深孔鉆

管板上共有359 個(gè)尺寸為 14.25 mm 的管孔，管板鉆孔完成后，終鉆端超過(guò)96%的孔橋?qū)挾缺仨毚笥?.634 mm, 允許最小孔橋?qū)挾葹?.2 mm。為了保證管孔的精度，管板必須牢固固定在工位上，并在合適位置布置百分表來(lái)監(jiān)控工位的變動(dòng)情況。在正式鉆孔前，由于母材和不銹鋼堆焊層的硬度不同，應(yīng)分別在不帶堆焊層且材質(zhì)與母材一致的試板和帶堆焊層且材質(zhì)與母材一致的試板上試鉆，從而調(diào)整并確定各項(xiàng)鉆削參數(shù)（如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削油流量等），檢查并記錄深孔加工質(zhì)量及加工時(shí)的出屑情況，獲得設(shè)備在鉆母材和堆焊層時(shí)的各項(xiàng)報(bào)警參數(shù)和鉆頭壽命。另外，為了驗(yàn)證數(shù)控機(jī)床程序的正確性，第一塊管板深孔鉆時(shí)，應(yīng)采用油漆筆代替鉆頭，讓機(jī)床按照內(nèi)置程序在管板表面上打點(diǎn)，并測(cè)量這些點(diǎn)的位置，確保程序的準(zhǔn)確性（管板深孔鉆如圖3 所示）。值得注意的是，為了保證11 塊折流板的同心度，以便后續(xù)順利穿管，應(yīng)將11 塊折流板疊在一起進(jìn)行鉆孔。

圖3 高壓冷卻器管板深孔鉆

2.3 穿管、定位脹、封口焊、液壓脹

由于管束組件對(duì)清潔度要求較高，且穿管后內(nèi)部區(qū)域不可達(dá)，因此，穿管、定位脹、封口焊、氦檢漏、液壓脹等工作必須在清潔區(qū)進(jìn)行。管束、管板、拉桿以及折流板采用臥式明裝，上管板、拉桿、定距管以及折流板按照?qǐng)D紙尺寸要求依次安裝，然后穿入3至5 根換熱管，調(diào)整以上各零件使其中心一致后，由下往上穿入所有的換熱管，應(yīng)注意的是，換熱管應(yīng)伸出上管板一次側(cè)的長(zhǎng)度約為管板的2 倍，以便后續(xù)穿入下管板。把制造好的殼程組件套裝入管束組件，并調(diào)整上管板與殼程組件的垂直度、同心度后點(diǎn)焊固定管板與殼程組件。組裝下管板，并測(cè)量同心度、與上管板的平行度及間距，合格后穿入5～10 根換熱管，調(diào)整垂直度和同心度后，與殼程組件點(diǎn)焊固定，采用單面焊雙面成形的工藝焊妥上、下管板與殼程組件，最后從上管板一次側(cè)從下往上穿入所有的換熱管。應(yīng)保證所有的換熱管與上、下管板的一次側(cè)平齊，若有過(guò)長(zhǎng)或表面有毛刺的換熱管，應(yīng)進(jìn)行修磨，然后采用橡膠脹進(jìn)行定位脹。定位脹時(shí)，應(yīng)注意管子不能伸出管板孔，否則會(huì)造成管子過(guò)脹成喇叭口而開(kāi)裂。宜在旁邊的試板上進(jìn)行試脹，沒(méi)有問(wèn)題后，再開(kāi)始正式脹接。

管子-管板的封口焊焊縫應(yīng)采用不填絲25%氬（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）+75%氦的混合保護(hù)氣體自動(dòng)焊，焊接時(shí)傳熱管端口與管板一次側(cè)表面平齊，焊接接頭如圖4 所示。管道與管板接頭處為強(qiáng)度焊，焊縫有效高度需大于1.4 倍管道壁厚。焊接時(shí)鎢極尖端對(duì)準(zhǔn)管道和管壁的縫隙，略偏向管板，保證管道和堆焊層均勻吸收電弧熱量，使焊縫根部熔透，應(yīng)對(duì)每一焊縫表面進(jìn)行清理，去除黑色氧化物。

圖4 高壓冷卻器管子-管板封口焊

液壓脹為管板全深度脹，由于上下管板厚度不一致，因此需要根據(jù)管板厚度分別進(jìn)行評(píng)定，來(lái)確定脹接參數(shù)，從而使管道脹接均勻。另外，二次側(cè)末端的未脹區(qū)深度不得大于3 mm，脹接完成后，必須通過(guò)100%的渦流檢測(cè)以獲取管道的脹接外形和幾何尺寸，進(jìn)而測(cè)量每一根換熱管的內(nèi)徑和未脹接縫隙深度，來(lái)評(píng)定脹接質(zhì)量。

2.4 氦檢漏

為了證明管道-管板焊縫的密封性，在管道-管板封口焊完成后，焊縫液體滲透檢測(cè)和液壓脹之前，應(yīng)進(jìn)行氦氣檢漏試驗(yàn)。采用100%的氦氣作為示蹤氣體，確保每一處管道-管板焊縫都不應(yīng)有超過(guò)1.0×10-7Pa / （m3·s）的泄漏點(diǎn)存在。

氦檢漏之前，應(yīng)對(duì)管板表面進(jìn)行清潔和干燥，不允許有焊渣、水、油污及其他影響檢漏的雜質(zhì)存在。檢漏前，應(yīng)用干燥的空氣或氮?dú)獯祾吆缚p表面。

高壓冷卻器殼側(cè)保持密封，并用真空泵抽真空，直至殼側(cè)真空度達(dá)到絕對(duì)壓力1.7 kPa 以下，保持30 min，當(dāng)壓力上升不超過(guò)50 Pa 時(shí)，往殼側(cè)充入純凈的氦氣，直至相對(duì)壓力達(dá)到0.11 MPa,保持20 min。在管板一次側(cè)開(kāi)始用氦檢漏儀檢漏，并應(yīng)把專(zhuān)用檢漏罩罩在管道-管板焊縫上，專(zhuān)用檢漏罩與周?chē)墓馨灞砻姹３置芊?，通過(guò)抽氣軟管將密封區(qū)域內(nèi)的氣體抽送到檢漏儀中，如圖5 所示。注意檢漏的時(shí)間應(yīng)大于3 倍的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，并不小于1 min。泄漏率大于1.0×10-7Pa / （m3·s）時(shí)，焊縫為不合格，且應(yīng)做好記錄。

圖5 高壓冷卻器管子-管板氦檢漏

2.5 管箱封頭的內(nèi)壁堆焊及與接管的焊接

管箱封頭和管箱法蘭都采用低合金鋼材料，且與一回路冷卻劑直接接觸，因此都必須在內(nèi)壁堆焊不銹鋼。管箱封頭應(yīng)先與管箱法蘭進(jìn)行對(duì)接焊，檢查合格以后再進(jìn)行管箱封頭和法蘭的內(nèi)壁堆焊及管箱法蘭的環(huán)形區(qū)域的堆焊。其中管箱封頭和管箱法蘭的內(nèi)壁堆焊采用自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行橫堆焊，而管箱法蘭的環(huán)形區(qū)域的堆焊采用平堆焊的方式，其余工藝與管板的堆焊工藝相同，都是采用自動(dòng)鎢極氬弧焊進(jìn)行不銹鋼309L 與308L 的組合堆焊。

進(jìn)出口接管及管側(cè)排氣接管都采用不銹鋼材料，而管箱封頭和下封頭采用低合金鋼材料，在異種金屬對(duì)接焊之前，都應(yīng)在管箱封頭和下封頭上堆焊鎳基隔離層，鎳基隔離層厚度應(yīng)≥30 mm，然后再與相應(yīng)的接管焊接。

管箱封頭及下封頭鎳基隔離層與進(jìn)出口接管的馬鞍形焊縫結(jié)構(gòu)為安放式，坡口位于接管上，采用手工氬弧焊打底厚度需達(dá)10 mm 以上，再進(jìn)行手工焊條電弧焊填充的焊接工藝，焊接位置為兩側(cè)立向上。接管內(nèi)壁預(yù)留6 mm 的凸臺(tái)余量，焊后機(jī)加去除，以避開(kāi)馬鞍形焊縫根部缺陷風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。焊接時(shí)，要特別注意防止產(chǎn)生焊接變形，必要時(shí)應(yīng)布置防變形工裝。

管箱封頭鎳基隔離層與排氣接管的焊縫為插入式結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用雙面焊，雙V 形坡口，先在內(nèi)側(cè)采用手工焊焊滿(mǎn)，再在外側(cè)進(jìn)行清根，然后在外側(cè)采用手工焊焊滿(mǎn)，應(yīng)特別注意清根深度，將鈍邊及成形不良的焊縫清除即可，至少留8 mm 厚的焊縫，以免后續(xù)在外側(cè)焊接的時(shí)候燒穿焊縫。

3 結(jié)論

高壓冷卻器為換熱型設(shè)備，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。本文對(duì)高壓冷卻器的結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程中的幾個(gè)關(guān)鍵工藝如管板堆焊、管板深孔鉆、穿管、定位脹、封口焊、氦檢漏、液壓脹、管箱封頭與接管的焊接以及在開(kāi)展相關(guān)制造工序時(shí)的注意事項(xiàng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

（1）管板堆焊時(shí)，為了減小變形量，可以采用熱絲TIG 焊進(jìn)行一次側(cè)和二次側(cè)交替焊接。

（2）由于管板母材和不銹鋼堆焊層的硬度不同，深孔鉆時(shí)，應(yīng)分別在不帶堆焊層且材質(zhì)與母材一致的試板和帶堆焊層試板上試鉆，從而調(diào)整并確定各項(xiàng)鉆削參數(shù)。

（3）穿管時(shí)，應(yīng)先穿上管板，然后把制造好的殼程組件套裝入管束組件，并調(diào)整上管板與殼程組件的垂直度、同心度后點(diǎn)焊固定管板與殼程組件。

（4）氦檢漏時(shí)，要先將殼側(cè)抽真空，再充入氦氣，直至殼側(cè)和管側(cè)的相對(duì)壓力達(dá)到0.11 MPa。然后在管板一次側(cè)開(kāi)始用氦檢漏儀檢漏。