AP1000核電機組低壓加熱器制造中存在問題及處理措施

孫小石,王玉喜

(黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030)

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AP1000核電機組低壓加熱器制造中存在問題及處理措施

孫小石,王玉喜

(黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030)

針對三門核電AP1000機組常規(guī)島低壓加熱器制造過程中存在的問題,筆者根據(jù)核電低壓加熱器制造圖紙及技術文件, 闡述了三門核電一期工程常規(guī)島單臺機組低壓加熱器結構形式,分析了低壓加熱器制造過程中管板堆焊成型差及變形、管板鉆孔超差、穿管同心度不一致和銹蝕產(chǎn)生的原因,提出了相應的處理措施。經(jīng)過檢測驗證,三門核電AP1000機組常規(guī)島低壓加熱器制造采用處理措施后,其制造的管板堆焊成型美觀、探傷合格、管板鉆孔合格、防銹、穿管中心一致,實現(xiàn)了良好的質量控制。

AP1000;常規(guī)島;低壓加熱器;處理措施;檢驗檢測

百萬等級核電常規(guī)島主要有西門子機組和阿爾斯通機組,為其配置的高壓加熱器、低壓加熱器的制造工藝相對成熟[1]。中國目前正處于AP1000的引進-消化-吸收階段[2],國內幾家大型制造廠輔機類產(chǎn)品的設計主要為高壓加熱器,而AP1000核電常規(guī)島的低壓加熱器目前正處于設計和轉化階段。本文針對AP1000核電常規(guī)島低壓加熱器制造過程中出現(xiàn)的管板堆焊成型差、變形及探傷缺陷、管板鉆孔超差、換熱管穿管同心度不一致、水壓試驗后銹蝕等現(xiàn)象進行了深入分析,提出了有針對性的處理措施,并依據(jù)圖紙及技術要求,采用VT目視檢查、無損檢測和其它有效檢驗、檢測方法進行驗證,最終達到了管板堆焊成型美觀、探傷合格、管板鉆孔合格、穿管中心一致和防銹目的。

1　低壓加熱器結構形式

三門核電一期工程常規(guī)島單臺機組分別設計兩列,即A列和B列[3]。單臺機組低壓加熱器(簡稱低加)共10臺,包含凝汽器喉部低加6臺和非喉部低加4臺。凝汽器喉部低加的6臺,包含喉部1號低加3臺和喉部2號低加3臺;非喉部低加的4臺,包含非喉部3號低加2臺和非喉部4號低加2臺。低壓加熱器結構主要由殼體、換熱管支撐板、擋板、管束、水室、管板、接管、配件等組成[4],如圖1所示。

圖1　結構形式

2　制造過程中質量問題原因分析

2.1管板堆焊成型差、變形及探傷缺陷

低壓加熱器管板原材料坯料為SA-516 Gr.70,按圖紙要求是在管板的水室一側需要堆焊兩層不銹鋼層,底層是EQ309L,外面一層是EQ308L。管板堆焊后,監(jiān)造人員通過VT目視檢查、尺寸檢查及PT無損檢測發(fā)現(xiàn),堆焊層存在表面成型差、存在焊后變形、PT探傷后有弧坑裂紋、氣孔、夾渣等缺陷,如圖2所示。

圖2　管板帶極堆焊

產(chǎn)生這些質量問題原因如下:

1) 帶極堆焊機程序問題。在管板水室一側堆焊中,發(fā)現(xiàn)焊完一條焊帶后,需要手工填充新焊帶。但此時重新啟動焊接后,發(fā)生停機情況,不能自動繼續(xù)焊接;換焊帶重啟后出現(xiàn)了斷焊情況。

2) 焊接參數(shù)調整不佳。管板本體是碳鋼板件,焊帶是不銹鋼,兩者屬于異種材質焊接,焊接工藝相對復雜,焊接參數(shù)需要不斷調整才能優(yōu)化和完善。不銹鋼和基材的兩種材料的熱膨脹系數(shù)相差較大,焊接過程中層間溫度控制不當也會造成焊道成型不良、缺陷等情況的發(fā)生。

2.2管板鉆孔尺寸超差

管板鉆孔試驗是管板成品件制造的關鍵,深孔鉆床精度要滿足圖紙及工藝要求。制造廠使用的是意大利制造的數(shù)控臥式三軸深孔鉆床,在深孔鉆床調試初期,加工了2張堆焊、熱處理、機加及探傷合格后工藝管板,其機床精度只能滿足國內常規(guī)火電機組的要求(即孔徑公差在0.1 mm左右),無法滿足核電管板鉆孔0.05 mm的要求,在試驗過程中出現(xiàn)管孔內徑尺寸超差問題,如圖3所示。

圖3　管板在深孔鉆床上進行試鉆

產(chǎn)生管孔尺寸超差原因如下:

1) 深孔鉆程序操作問題。深孔鉆本身設計為3軸作業(yè)模式,操作者對新設備、新程序不熟悉,試驗初期都是從單軸試驗開始的,而設計要求是使用3軸作業(yè),熟練掌握需要時間和過程。

2) 刀具問題。刀具的材質、硬度、壽命、匹配性等方面直接影響鉆孔精度,初期使用的刀具容易出現(xiàn)打刀、孔鉆偏,嚴重會致使刀頭斷裂,刀具耗損率較大。

3) 深孔鉆參數(shù)問題。與之前試驗件的試鉆不同,該試驗管板表面存在不銹鋼堆焊層,堆焊層硬度和管板母材硬度存在區(qū)別,所以鉆孔參數(shù)需要不斷調整,參數(shù)調整不良會導致管板鉆孔后的孔徑、孔橋等參數(shù)超差。

2.3換熱管穿管同心度不一致

世界首臺三代核電項目AP1000 的低壓加熱器換熱管裝配工序是低壓加熱器制造的關鍵工藝節(jié)點,核電低加管系主要有輸水段和凝結端兩部分,采用支撐板、防沖板焊接結構形式[5],沒有常規(guī)低加拉桿、定距管結構。這種全焊接的結構形式極易產(chǎn)生焊接變形,使隔板的間距、管孔的同軸度及管架的直線度很難保證[6];管板孔區(qū)的偏心結構給管系的裝配帶來很大難度,最終致使管板、隔板管孔同心度不一致。

2.4總裝水壓試驗后銹蝕

1、2號機組低壓加熱器在三門核電項目現(xiàn)場開蓋檢查時發(fā)現(xiàn),在氮氣表壓力正常的情況下,一部分換熱管、水室封頭、隔板存在嚴重銹蝕,水室腔體內部存在少量積水。

產(chǎn)生銹蝕原因如下:

1) 干燥時不充分,U型換熱管結構死角有存水。干燥過程要求連續(xù)36 h以上,采用火烤管道的方式,沒有溫度儀表測量熱風(是否達到了標準要求250 ℃),熱風溫度未達標。

2)充氮前抽真空不充分,內部留有殘存空氣,出現(xiàn)溫差而導致結露。充氮前觀察真空泵壓力表,顯示能達到-0.09 MPa左右,但充氮標準中沒有要求,所以沒有進行記錄。

3　質量問題處理措施及結果驗證

3.1管板堆焊成型差、變形及探傷缺處理

1) 針對管板堆焊換焊帶重啟焊機后出現(xiàn)的斷焊情況,經(jīng)廠家檢測調試后,管板堆焊過程中焊機運作正常,沒有再出現(xiàn)斷焊問題。

2) 優(yōu)化焊接參數(shù),對堆焊工藝重新進行了固化,消除焊接產(chǎn)生的殘余應力,同時在焊接前對管板進行了預變形處理,管板堆焊后變形問題得到改善。

3) 焊接人為操作過程存在問題。焊接人員通過持續(xù)的堆焊試驗操作,熟悉了堆焊機的各種程序和管板堆焊工藝要求,大幅度提高了焊接質量。

4) 滲透探傷。管板堆焊完成后,冷卻至室溫進行表面著色探傷,未發(fā)現(xiàn)裂紋和存在分層。按JB/T4730-2005《承壓設備無損檢測》第5部分滲透檢測中的第7.1條要求[7],試件合格。

5) 堆焊層力學性能檢驗。JB4708-2000(鋼制壓力容器焊接工藝評定》規(guī)定,對堆焊試件進行4個側彎試驗,經(jīng)檢驗無裂紋或其他缺陷。

6) 對堆焊層進行化學成分分析,如表1所示。

表1堆焊層化學分析

Table 1Chemical Analysis of surfacing layer %

w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Cr)w(Ni)w(Mo)0.0260.4604.2900.0290.00225.69020.9202.430

7) 管板堆焊結果,按 JB4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》規(guī)定進行各項試驗,均達到標準要求,各項試驗結果均合格。

3.2 管板鉆孔超差問題處理

深孔鉆試驗參數(shù)的優(yōu)化涉及很多方面,包括操作者的熟練程度、刀具性能、深孔鉆床精度、管板材質硬度分布等,這些因素都直接影響成品件質量的好壞。所以通過持續(xù)的試驗操作、優(yōu)選刀具和優(yōu)化鉆孔參數(shù),操作者熟練掌握了英賽深孔鉆的系統(tǒng)程序,提高了鉆孔效率。

經(jīng)上述處理措施后,按照圖紙及技術文件要求,管板鉆孔后進行VT目視檢查、塞規(guī)和內徑百分表測量,管孔內徑、孔橋尺寸實測數(shù)據(jù)結果均符合圖紙要求。

3.3換熱管穿管同心度不一致問題處理

1) 隔板裝配。將隔板固定在新體制管架裝配工裝上,利用定距工裝調整隔板間距、隔板水平及垂直方向的尺寸,使用水平儀測量各個隔板在同一水平面上,用準直望遠鏡調整所有隔板孔在同一直線上,位置合格后將隔板固定。

2) 管架與管板組裝。調整管架與管板間距,穿直換熱管,查看穿管阻力及管子劃傷情況,并使用光學儀器對隔板的垂直度、直線度、同軸度反復測量和調整,控制同心度公差在允許范圍內。

3) 穿管。根據(jù)低加圖紙,穿管力不得超過147 N[8],穿管時使用測力計進行測量,一般在換熱器開始進入管板時換熱管阻力最大,通過對管板、隔板管孔同心度的反復調試,最終將穿管力控制在80～120 N。

4) 在低加穿管過程中,采用水平測量儀和準直望遠鏡等儀器,通過VT目視檢查方法對隔板、管板同心度進行校準和驗證,最終保證了低加穿管同心度一致。

3.4總裝水壓試驗后銹蝕處理

1) 依據(jù)低加圖紙及技術文件,對低加水壓后的干燥、充氮前的抽真空等工藝規(guī)程進行細化和完善。

2) 在低加質量計劃加入充氮前的抽真空及充氮工序[9],由監(jiān)造人員、檢查員和操作者共同監(jiān)督、控制和實施,避免銹蝕的產(chǎn)生。

3) 根據(jù)圖紙及技術文件要求,首先對低加水壓試驗后內壁及管板等部位進行擦拭試驗,經(jīng)化學分析和油份檢測結果合格,如表2所示。然后,采用VT目視檢查、內窺鏡檢查等方法,解決低加銹蝕問題。

表2擦拭試驗化學分析結果

Table 2Wipe test results of chemical analyses mg/m2

NaKClF硫酸離子油分<0.01<0.01<0.05<0.05<0.05<5.00

4　結　論

1) 通過對AP1000核電常規(guī)島低壓加熱器管板焊前預校形處理、VT目視檢查、尺寸檢查、PT無損檢測、性能試驗、化學分析方法進行檢查和驗證,解決了管板堆焊成型差、變形及探傷缺陷問題。

2) 按照圖紙及技術文件要求進行鉆孔參數(shù)調整,在管板鉆孔后通過VT目視檢查、塞規(guī)和內徑百分表測量,管孔內徑、孔橋尺寸實測數(shù)據(jù)結果符合圖紙要求,解決了低壓加熱器管板鉆孔尺寸超差問題。

3) 通過采用水平測量儀和準直望遠鏡等儀器、VT目視檢查方法對隔板、管板同心度進行校準和驗證,保證了低加穿管同心度一致,解決了低壓加熱器換熱管穿管同心度不一致問題。

4) 在低加水壓試驗后,采用VT目視檢查、內窺鏡檢查方法進行檢查,同時進行擦拭試驗,其結果經(jīng)化學分析和油份檢測驗證合格,解決了低壓加熱器水壓試驗后銹蝕問題。

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(責任編輯侯世春)

Problems in the manufacture of AP1000 nuclear power unit low pressure heater and the treatments

SUN Xiaoshi, WANG Yuxi

(Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China)

Aiming at the problems found in the manufacture of AP1000 unit conventional island low pressure heater in Sanmen Nuclear Power Station, the author expounded the structure of the low pressure heater of the conventional island single unit in the first phase project of Sanmen Nuclear Power Station, according to the manufacturing drawing and technical documents of nuclear power low pressure heater, analyzed the reason for the problems of tube plate surfacing appearance, deformation, drilling, pipe lining concentricity and corrosion during the manufacture, and proposed the treatments. Through the inspection and detection, it is proved that the proposed treatments solve the problems, realizing the good quality control.

AP1000; conventional island; low pressure heater; treatment; inspection and detection

2016-01-18;

2016-03-18。

孫小石(1983—), 男, 工程師, 主要從事火電和核電汽輪機主輔機及壓力容器無損檢測和設備監(jiān)造工作。

TK266

A

2095-6843(2016)04-0367-04