華龍一號(hào)HL-T67型蒸汽發(fā)生器內(nèi)件安裝關(guān)鍵技術(shù)

王佐森，路 揚(yáng)

(哈電集團(tuán)(秦皇島)重型裝備有限公司，河北秦皇島 066206)

0 引言

蒸汽發(fā)生器(簡稱SG)是壓水堆核電廠反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，是壓水堆核電廠一、二回路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-3]。華龍一號(hào)蒸汽發(fā)生器是我國自主研發(fā)的第三代壓水堆核電站核反應(yīng)核心換熱設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 華龍一號(hào)核電機(jī)組HL-T67型蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of HL-T67 steam generator ofHualong One nuclear power unit

SG在核島安全殼內(nèi)立式安裝運(yùn)行，二回路冷卻水從給水環(huán)進(jìn)入殼體，通過套筒組件與下殼體間空隙流向管板二次側(cè)，并與U形換熱管組充分接觸傳熱,形成高溫高壓的蒸汽后迅速上升，通過旋風(fēng)筒進(jìn)入分離器進(jìn)行一級(jí)汽水分離以及干燥器波形板進(jìn)行二級(jí)分離后,從頂部封頭連接管道進(jìn)入汽輪機(jī)做功發(fā)電。蒸汽發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)件設(shè)計(jì)縝密，設(shè)備運(yùn)行時(shí)內(nèi)部構(gòu)件在高溫下受熱膨脹產(chǎn)生相對(duì)滑移，在設(shè)計(jì)上內(nèi)件大多為軸向焊接固定連接，徑向?yàn)闄C(jī)械滑動(dòng)連接，這對(duì)于內(nèi)件安裝精度和焊接質(zhì)量要求較高，增加了制造難度。

在蒸汽發(fā)生器研制技術(shù)方面，李華綱等[4]介紹了兩種蒸汽發(fā)生器的主要材料、關(guān)鍵裝配、加工和焊接技術(shù)。為提高華龍一號(hào)核電機(jī)組ZH-65型蒸汽發(fā)生器抗震性能，湯臣杭等[5-6]提出了對(duì)蒸汽發(fā)生器上部支承提釆用連接拉桿與液壓阻尼器結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，并針對(duì)總體設(shè)計(jì)方案和連接拉桿的熱膨脹相容性進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，并在上水平支承采用了銷軸結(jié)構(gòu)的“零間隙”支承。張富源等[7]研發(fā)了華龍一號(hào)ZH-65 型蒸汽發(fā)生器。為了保證ZH-65型蒸汽發(fā)生器整體性能和關(guān)鍵零部件性能，何戈寧等[8]開展了一系列大規(guī)模的熱工水力驗(yàn)證試驗(yàn)，提供了重要試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)。文博等[9]開展了蒸汽發(fā)生器管子支承板水力特性試驗(yàn)研究，得到了重要的試驗(yàn)結(jié)果。吳義黨等[10]分析了焊接材料對(duì)接頭熱影響區(qū)力學(xué)性能和組織的影響。盧喜豐等[11]對(duì)華龍一號(hào)蒸汽發(fā)生器傳熱管失水事故應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行了時(shí)域和頻域分析，得出了不同彎曲半徑蒸汽發(fā)生器傳熱的水力載荷值。劉浩等[12]建立了U形管倒流特性的理論分析模型。這些研究工作從不同角度為制定蒸汽發(fā)生器內(nèi)件的安裝尺寸控制和焊接工藝提供技術(shù)支撐。針對(duì)某公司在華龍一號(hào)HL-T67型蒸汽發(fā)生器在內(nèi)件制造過程中遇到的諸多關(guān)鍵難題，研究制定可靠的控制方法和工藝方案。

1 SG下部組件內(nèi)部套筒與下殼體的同軸安裝及焊接防變形控制

套筒組件是下部組件中支撐U形換熱管的重要內(nèi)部構(gòu)件，其直徑大、長度長、厚度薄，環(huán)向通過8圈共192件抗震塊螺栓與下殼體同軸支撐來實(shí)現(xiàn)徑向固定，每圈抗震塊位置均為管束支撐板安裝位置，所以套筒與管板垂直度、同軸度等形位公差尺寸要求十分嚴(yán)格。套筒端部加工有16處均布的豁口，通過與下殼體管板端16件套筒支承板焊接來實(shí)現(xiàn)軸向固定，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 套筒組件與下殼體安裝結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural diagram for installation of sleeve assemblyand lower shell

套筒組件通過吊梁沿下殼體錐口端緩慢引入，套筒端部到管板內(nèi)表面有嚴(yán)格尺寸要求。套筒組件與下殼體同軸度要求≤6 mm，每圈抗震塊位置的調(diào)整需采用激光跟蹤儀輔助測(cè)量。首先確定下殼體軸線，將其作為測(cè)量基準(zhǔn)，在管板上均勻取點(diǎn)確定殼體軸線；然后在套筒組件上第一圈和最后一圈抗震塊位置測(cè)量確定調(diào)整前套筒與下殼體軸線偏差，借助液壓千斤頂在套筒與下殼體錐口端間隙內(nèi)進(jìn)行支撐，調(diào)節(jié)同軸度；接著旋入下半圈抗震塊螺栓進(jìn)行固定。激光跟蹤儀配合復(fù)測(cè)調(diào)整后的同軸度至合格后，由內(nèi)向外逐圈旋入抗震塊螺栓，每圈均要進(jìn)行同軸度檢查，以上測(cè)量尺寸均滿足同軸度要求后，方能確認(rèn)套筒安裝合格。經(jīng)測(cè)量調(diào)整后套筒組件與下殼體同軸度可控制在4 mm以內(nèi)。

套筒端部16處豁口與支承塊焊接是內(nèi)件焊接的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。由于端部套筒支承塊數(shù)量多，焊縫較密集，環(huán)向焊接收縮趨勢(shì)較明顯，所以套筒豁口與支承塊兩側(cè)間隙應(yīng)均勻且不宜過大，否則會(huì)增大焊接填充量，導(dǎo)致焊后套筒收縮變形，影響第一道管束支撐板的安裝和徑向調(diào)節(jié)。但支承塊與殼體焊接以及套筒端部圓度均會(huì)存在一定的制造誤差，很難確保套筒豁口與支承塊兩側(cè)間隙的均勻，需要進(jìn)行修磨套筒豁口來確保其順利插入，這樣就造成單側(cè)焊接間隙變大的不利情況。

為了防止套筒組件與支承塊焊接變形，采用了套筒組件與支承塊焊接防變形支撐方法，如圖3所示。

(b)圖3 套筒組件與支承塊焊接防變形支撐結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of anti-deformation supportstructure for welding sleeve assembly and support block

通過以下兩個(gè)方面對(duì)套筒焊后尺寸進(jìn)行控制：

(1)在套筒與支承板焊接前，可進(jìn)行一次套筒組件的試裝來配劃豁口位置線，降低豁口與支承板位置的誤差，焊接間隙應(yīng)控制在3～5 mm，以進(jìn)一步降低焊接間隙；

(2)套筒與支承塊焊接前，可在套筒內(nèi)側(cè)端部進(jìn)行支撐，采用多點(diǎn)支撐形式工裝，在每兩個(gè)支承塊中間位置進(jìn)行撐頂，工裝每根要求有一定強(qiáng)度的支撐力和行程，在焊接前按套筒卷曲直徑安裝在其端部并進(jìn)行撐圓，并在首層焊縫焊接后每個(gè)支撐點(diǎn)向外側(cè)強(qiáng)力支撐2～3 mm進(jìn)行反變形控制，在16處焊縫全部焊接完畢并且冷卻后，再進(jìn)行松脫和拆除。

這種防變形控制方法可將端部直徑偏差控制在5 mm以內(nèi)，滿足第一道管束支撐板的安裝要求。

2 SG上部組件內(nèi)部干燥器與支撐筒的安裝和焊接質(zhì)量控制

干燥器為安裝在蒸發(fā)器內(nèi)部頂端的圓形構(gòu)件，其內(nèi)部安裝有7組干燥單元共1 268片波形板，整體質(zhì)量約18 t，與上封頭內(nèi)側(cè)支撐筒為焊接連接。支承筒的厚度為15 mm，為保證干燥器的焊接強(qiáng)度，設(shè)計(jì)上對(duì)該焊縫要求為焊透焊縫。SG上部組件內(nèi)件安裝時(shí)，上殼體為倒立狀態(tài)，干燥器從殼體端部緩慢落入，在調(diào)整好同軸度和安裝象限后，落在支撐筒上焊接。由于結(jié)構(gòu)的限制，焊縫背側(cè)為不可達(dá)位置，僅能在內(nèi)側(cè)采用單面焊雙面成形的焊接方法進(jìn)行焊接，這就要求干燥器在安裝時(shí)與支撐筒之間要留有2～4 mm的焊透間隙。但是在實(shí)際操作中，這種立式單側(cè)對(duì)接零件調(diào)整間隙存在以下難點(diǎn)：

(1)干燥器屬于大規(guī)格內(nèi)件，調(diào)整間隙會(huì)使其處于懸浮狀態(tài)，而在這種狀態(tài)下難以保證其穩(wěn)定性，同時(shí)會(huì)造成同軸度和象限產(chǎn)生偏差；

(2)一般立式組對(duì)調(diào)整間隙可通過在對(duì)接位置塞等厚的墊板的方法墊出間隙，但由于干燥器質(zhì)量大，支撐筒厚度薄，并且支撐筒端部坡口鈍邊僅1～2 mm難以承壓，會(huì)造成其端面變形以及間隙不均勻的情況；

(3)在焊接時(shí)，由于間隙的存在，干燥器會(huì)向下收縮，造成間隙小的位置背側(cè)無法焊透，間隙大的位置背側(cè)產(chǎn)生大量焊瘤，無法滿足焊縫全焊透成形要求。

為解決以上安裝尺寸精度難題，設(shè)計(jì)了一種間隙臨時(shí)調(diào)整墊塊，選用與支撐筒同材質(zhì)、與其坡口角度相同的三角形墊塊環(huán)向均布多件臨時(shí)焊接在坡口上，確保其上表面高于支撐筒上端3～4 mm，如圖4所示。裝焊后墊塊上表面均處于同一高度，這樣將干燥器調(diào)整好位置度后放置在墊塊上整圈形成的間隙均滿足焊透要求。在焊接首層焊縫，每焊至一處墊塊時(shí)，便將其打磨去除并對(duì)去除位置進(jìn)行無損檢測(cè)，待合檢測(cè)格后，繼續(xù)進(jìn)行焊接，這種方法能夠保證后背側(cè)焊道成形良好，同時(shí)也降低了干燥器安裝難度。在首層焊接后，可通過內(nèi)窺鏡進(jìn)行焊縫背側(cè)外管檢查，滿足要求后，再對(duì)剩余焊縫進(jìn)行焊接。

圖4 干燥器與支撐筒間隙調(diào)整示意Fig.4 Schematic diagram of gap adjustment betweendryer and support cylinder

3 SG上部組件疏水管安裝和焊接工藝優(yōu)化

SG運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部水位位于分離器中間位置，過熱蒸汽通過干燥器波形板分離出大量水分,通過疏水管組引流至水位以下。疏水管一端與干燥器底端集液槽連接，另一端穿過分離器疏水管孔與其下部端板焊接固定，疏水管數(shù)量比較多，通常每組干燥器干燥單元連接兩根。以往的制造工藝將疏水管分為疏水直管和疏水連管，在分離器安裝到殼體內(nèi)后，再向殼體內(nèi)逐根插入疏水直管，并從殼體人孔送入疏水連管進(jìn)行組對(duì)焊接。對(duì)比AP1000型SG(美國西屋公司設(shè)計(jì))與華龍一號(hào)SG(中國設(shè)計(jì))可知，兩者的上部組件內(nèi)件結(jié)構(gòu)和疏水管安裝工藝大不相同，如圖5所示。

(a)AP1000型

(b)華龍一號(hào)圖5 AP1000型SG與華龍一號(hào)SG上部組件內(nèi)件結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.5 Comparison of internal structures between upperassembly of AP1000 SG and that of Hualong One SG

AP1000型SG內(nèi)部分離器和甲板組件為整體制造，疏水直管也在組件制造時(shí)提前與分離器焊接固定。由于分離器與下甲板組件在殼體內(nèi)的安裝位置高于上殼體與下殼體對(duì)接焊縫152 mm，所以在安裝分離器與下甲板組件時(shí)，會(huì)向干燥器一側(cè)多移動(dòng)約300 mm距離確保對(duì)接后焊縫內(nèi)側(cè)的焊接和探傷，待焊縫合格后再向下殼體側(cè)移回安裝位置，故疏水連管只能在分離器與下甲板組件復(fù)位后，從人孔引入殼體進(jìn)行對(duì)接焊接。復(fù)位后干燥器和分離器之間距離僅500 mm，疏水連管的安裝和焊接存在以下問題：

(1)疏水連管質(zhì)量約40 kg，引入、安裝僅能依靠人力，在狹窄的空間安裝存在一定的困難以及磕碰風(fēng)險(xiǎn)；

(2)分離器復(fù)位后，內(nèi)部的疏水直管到干燥器的距離與理論值可能存在偏差，而疏水連管組對(duì)尺寸要求嚴(yán)格，零件上需要考慮工藝余量進(jìn)行二次配加工；

(3)疏水連管與疏水直管對(duì)接一側(cè)焊縫離殼體內(nèi)壁僅50 mm，焊接視野差，施焊空間狹窄，對(duì)焊接質(zhì)量有一定的影響。

華龍一號(hào)SG的上部組的分離器與下甲板是分體制造的，這表明分離器可直接在上殼體內(nèi)安裝定位?；谶@種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，對(duì)疏水管的安裝和焊接工藝進(jìn)行了優(yōu)化：在疏水管組安裝前，將疏水直管與疏水連管焊接為整體，在分離器進(jìn)入殼體前，將全部疏水管插入分離器，并用卡箍臨時(shí)固定，隨后將分離器翻身與疏水管組一同吊入殼體進(jìn)行安裝，并實(shí)現(xiàn)疏水管與干燥器的提前焊接，如圖6所示。

HL-T67型SG與AP1000型SG疏水管制造工藝對(duì)比見表1。

表1 HL-T67型SG與AP1000型SG的疏水管制造工藝對(duì)比Tab.1 Comparison between drain pipe manufacturing process of HL-T67 SG and that of AP1000 SG

由表1可以看出，這種改進(jìn)的工藝有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)疏水管提前焊接成整體，減少了殼體內(nèi)部的大量焊接工作，降低了焊接難度和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)；

(2)疏水管與分離器通過卡環(huán)機(jī)械連接臨時(shí)固定，可在分離器安裝就位后松脫卡環(huán)，實(shí)現(xiàn)軸向和環(huán)向自由調(diào)整，省去了配加工去余量的步驟，降低了制造成本；

(3)不用再從人孔送入疏水連管，節(jié)約了大量人力，避免了零件磕碰風(fēng)險(xiǎn)；

(4)疏水管與干燥器的安裝和焊接時(shí)機(jī)從設(shè)備臥式變?yōu)榱⑹剑蟠笤黾恿藘?nèi)側(cè)的操作空間，并且在疏水管與干燥器焊接階段可以繼續(xù)向殼體內(nèi)安裝其余內(nèi)件，提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語

通過采用合理的內(nèi)件安裝工藝和焊接防變形措施，在蒸汽發(fā)生器筒組件與下殼體安裝精度、干燥器與封頭支撐筒的焊接質(zhì)量以及上部組件內(nèi)件的安裝效率等方面取得了良好的效果。目前該公司承制的多個(gè)項(xiàng)目華龍一號(hào)HL-T67型蒸汽發(fā)生器已順利制造完成，制造過程中對(duì)于內(nèi)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹窄、安裝精度高等難點(diǎn)分別制定了合理的解決方法和高效的工藝方案，在安裝精度、焊接質(zhì)量、清潔控制以及生產(chǎn)效率上都有很大的提升，為華龍一號(hào)HL-T67型蒸汽發(fā)生器的順利制造提供了技術(shù)保障，也為同類產(chǎn)品的制造積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。