压水堆核电站蒸汽发生器的制造.pdf

核电站2003 年第 4 期 专论与译文 11 压水堆核电站蒸汽发生器的制造 核动力运行研究所 丁训慎 1 1. 前言 在压水堆核电站中蒸汽发生器是一回路系统 中的一个主设备具有尺寸大重量重设计制 造复杂作用重要的特点在设计和制造方面被称 为当代热交换器技术的最高水平长期以来国际上 压水堆核电站蒸汽发生器经常发生传热管腐蚀破 损在可靠性上存在严重问题是核蒸汽供应系统 的唯一的致命弱点保证蒸汽发生器的制造质量有 助于提高其安全可靠性由于蒸汽发生器制造相当 复杂技术密集程度高要求制造质量符合技术任 务书的要求 因此 整个制造过程都处于受控状态 各个环节都有质保监督 蒸汽发生器的制造基本上覆盖了核容器的基 本制造技术其制造难度在核设备中具有相当的代 表性能反映工厂核容器制造能力的水平管板和 筒体锥形体是核电站设备大锻件中生产难度较大 的零件管板因直径大厚度厚采用普通的锻造 方法时管板中心部位不能锻透缺陷不能焊合 筒体锥形体的形状特殊如果锻成直筒状金属利 用率低机械加工量大质量不能得到保证所以 管板和筒体锥形体都必须采用特殊的锻造方法 蒸汽发生器一次侧的水具有放射性为了避免 管道与设备中形成很高的活性必须保证所接触材 料在给定的参数下在一次侧水中具有很高的抗腐 蚀和抗侵蚀的稳定性这就要求在管板下表面与 一次侧水接触表面堆焊因科镍 690在一次侧下 封头内堆焊不锈钢堆焊保护层是蒸汽发生器制造 中非常重要的工序在堆焊耐腐蚀的衬里时应保证 每条焊缝成型的质量对蒸汽发生器一次侧的密封 性提出了很高的要求为了保证所要求的密封性 传热管与管板的连接一次侧进出口接管与下封 头的连接都采用焊接焊接是蒸汽发生器制造中重 要的组成部分还包括筒体的环焊缝A508-钢 与镍基合金和不锈钢异种金属间的焊接等 蒸汽发生器体积大机加工的要求相当高工 艺又复杂要求在专用车间和专用设备上加工用 专用工艺装备和非标准设备其中管孔深孔加工难 度最大大量深孔的几何精度孔径孔距公差要 求都很高大大超过常规产品的要求又由于蒸汽 发生器另部件尺寸大安装精度要求高制造过程 中另部件公差的积累给安装带来很大的难度其中 支撑板和流量分配板的装入内套筒U 形管穿入支 撑板流量分配板和管板时不允许使用强力这 对安装和测量均提出了新的要求 在蒸汽发生器的制造过程中必须十分注意清 洁度因为一次侧表面的沾污会引起腐蚀的加剧 活性的提高堆内流通截面的堵塞以及释热元件 的烧毁等由于蒸汽发生器在运行中的检修比其他 常规设备要困难所以要求可靠性更高更要严格 地遵守工艺规范相应地对检验提出了更高的要 求 2锻造与锻压 2.1 管板的锻造 管板是饼状锻件 锻造工艺为镦粗成形 一般 管板锻件中心部件会存在密集性缺陷例如非金 属类杂质白点和疏松非金属类杂质和白点可 以在冶炼 浇注 热处理等方面采取措施予以解决 而疏松则是钢锭中固有的缺陷只能用锻造来消 灭镦粗工序能否焊合锻件内部疏松取决于镦粗比 的大小必须采取特殊的锻造方法例如双重压实 法即下料时采用 WHF宽砧强压进行一次压 实然后再用翻身中心压实进行第二次压实 2.2 筒体锥形体锻造 为了使锻件的形状和尺寸接近产品一般采用 变截面筒体进行扩孔的方法第一步扩孔时上砧 与坯料的凸出部分接触 金属沿直径方向延伸 内 专论与译文 核电站2003 年第 4 期 12 外径增大此时没有同砧子接触的坯料由于金属的 整体性也在沿直径方向延伸但其量很小由于 这种沿长度方向的不均匀延伸使坯料形成锥形 第二步上砧与锥形坯料整个长度上接触此时锻 件的锥度达到要求值并在以后扩孔中保持不变扩 孔仅使壁厚减薄和坯料内外径沿整个长度均匀增 大 最近又改进为锥形体折角处带有一段与上下 和筒体直径的过渡段这样使锥形体与上下筒体 的焊接更简易并提高了焊接性能 2.3 下封头的锻压 法马通公司把下封头由铸造改为 18 MND5 合 金钢园形锻锭模压并顶出进出口接管和人孔法兰 等 钢锭采用电弧炉冶炼 并加铝镇静和真空脱气 下封头成形后进行下列热处理温度在 850 925之间的奥氏体化热处理浸水淬火为 达到一定的机械性能 还要进行 635665之间的 回火处理随后在静态空气中冷却锻造下封头与 管板为相同材料保证了焊接性能锻造成型比烧 铸工艺简单并能保证机械性能 2.4 上封头与蒸汽限流器的锻压 法马通公司把上封头从低合金钢板冲压成形 再与蒸汽限流器锻件焊接改进为上封头与蒸汽限 流器整体锻造后热旋压成型材料为 18 MND5 如图 1 所示这样能避免上封头与蒸汽限流器的 焊接减少了役前和在役检查的工作量由于上封 头锻造时已留有突出端干燥器固定围板与上封头 由角焊改为对接焊结构性能更好 图 1 上封头与蒸汽限流器 3管子与管板的焊接与胀接 3.1 管子与管板的焊接 大亚湾核电站蒸汽发生器管子与管板焊接接 头如图 2 所示坡口形式为管子微缩于管板孔的堆 焊层里焊接前先在管端胀接 10 mm经检验合格 后 采用自动 TIG 脉冲焊机进行焊接 正式焊接前 至少先焊 10 根工艺评定管产品焊接时利用被 焊管周围呈 120 度布置的三个孔定位机头焊枪与 被焊连接缝的调整极为方便机头自动旋转一周即 完成焊缝的焊接个别需修理的焊缝允许重焊一 次焊缝尺寸 g0.9 管子的壁厚焊后的焊缝须径 无损检验100%的外观检验和 100%的液体渗透检 验射线检验采取抽查方式检验数目为焊接接头 总数的 6%抽查位置在管板中均匀分布操作方 法如图 3 所示最后为氦气探漏来检验其密封性 图 2 管子与管板焊接接头 图 3 管子与管板焊接接头的射线检验 3.2 管子与管板的胀接 核电站2003 年第 4 期 专论与译文 13 大亚湾核电站蒸汽发生器管子与管板的连接 采用管端焊接和沿管板全厚度的机械胀能消除间 隙防止腐蚀也起到防止管子拔脱的作用如图 4 所示胀管机为旋转滚柱机械式电脑控制全自动 操作容许最大未胀合长度5 mm胀管前检验 其工艺试验确定的参数扭矩5060 cmkg胀 头的状态滚柱的有效胀接长度为 28 mm下一步 胀接和上一步胀接的搭接量为 3 mm胀接工序共 分 22 次每胀 10 根管子利用内窥镜作一次外观检 查每胀 50 根后重新调整胀管器扭矩每个班次 胀的最后 1 根管子和更换胀管器前所胀的最后 1 根 管子须用内窥镜作外观检查管板上的管子胀完 后进行自动消除应力胀接操作在全厚度胀后 在二次侧胀管根部进行微胀产生微小的径向变 形使过渡区的变形平缓一些降低管子表面的拉 应力提高抗腐蚀能力 图 4 带机械微胀的全厚度胀管 管子与管板的胀接改进为液压320 MPa胀 管即用去离子水在 320 Mpa 压力下把管子胀到 管板里其中 99.9%的管子能胀到离管板顶部小于 6.35 mm大部分管子则在 3.56 mm 以内与机械 胀管比较 液压胀管有以下优点一次胀管成形 工艺简单能更准确地控制管子胀到离管板顶部 的距离使胀管过渡处圆滑过渡减少过渡处的 残余应力 4. 堆焊和焊接 4.1 管板镍基合金堆焊 堆焊时应保证每条焊缝的质量即焊缝应是平 滑的均匀层叠的无凹陷和焊瘤焊缝的高度以 及焊缝间的重叠度都不应超过规定的数值堆焊过 程中出现的个别缺陷需在堆焊下一条焊缝前用机 械方法除去当在较大的堆焊区域内经常出现缺陷 时或发现堆焊层脱开时应停止堆焊直到查明和消 除产生缺陷的原因为止 大亚湾核电站蒸汽发生器在基体金属 16 MND5 的管板上堆焊因科镍 690堆焊前管板的 预热温度为 150250为带极自动堆焊边缘自 动堆焊无法堆敷的地方则采用手工电弧焊补焊 如图 5 所示堆焊层先进行 100%头色检验然后 将管板置于一个专用水槽内进行 100%的自动超声 检验最后用超声测厚仪进行厚度的测量 图 5 管板上镍基合金堆焊 4.2 管板和下封头的焊接 焊缝坡口见图 6首先在管板和下封头上焊接 马镫式的组装定位装置对装配质量进行外观检 验并按圆周均匀地分为 16 点进行组装尺寸测量 使其满足公差要求在焊缝内侧进行手工电弧焊 预热温度为 150按图 6 专用磨具磨焊根 7 mm 清根后进行外观检查和渗透检查在焊缝外侧进行 埋弧自动焊对焊缝内外表面进行外观检查和磁粉 检验对整条焊缝进行超声检验 焊缝内表面复面层堆焊如图 7 所示首先在下 封头侧坡口斜边手工电弧堆焊一层 24Cr-12Ni 不 锈钢然后在焊缝上部堆焊二层同种材料不锈钢 在两道底部堆焊层的基础上用手工电弧焊继续堆 焊 20Cr-10Ni 不锈钢直到堆满为止最后在焊缝 专论与译文 核电站2003 年第 4 期 14 的管板侧手工电弧堆焊因科镍 690堆满为止 图 6 管板和下封头焊缝坡口 图 7 管板和下封头焊缝内表面复面层堆焊 4.3 上下筒体最终焊接 焊接坡口如图 8 所示首先进行上下筒体组 装将管束外壳上部敞口部分用帆布进行封闭放 置保温材料软垫安装风机和导管安装并点焊马 镫式垫块定位装置调整上下两筒体方位并进 行组装对接用千斤顶进行接头调整调整上下 两筒体在水平和垂直方向上的对中对组装整体进 行复查复核接头内外两点间的高程差在马镫式 定位装置和堆焊台上装配点焊楔块手工电弧焊焊 接组装附件对组装质量进行外观检查和尺寸测 量用瞄准器对整体进行最后检查 焊缝的焊接如图 8 所示图中的123 45等部位采有手工电弧焊而部位67 采用埋弧自动焊手工电弧焊焊接坡口底部坡口 外部为埋弧自动焊碳弧气刨除装配附件手工电 弧焊焊接马镫定位装置内部区域埋弧自动焊焊接 马镫定位装置外部区域并最后完成整个环焊缝的 焊接取消底部板条磨削内部焊根对焊缝的内外 表面作 100%液体渗透和磁粉检验外 还作 100%的 超声检验 图 8 上下筒体最终焊缝坡口 5. 机加工 5.1 管板钻孔 5.1.1 大亚湾核电站蒸汽发生器管板直径为 3497 mm一次侧表面镍基堆焊层厚度为 8 mm管板总 厚度达 555 mm管板上开有 8956 个管孔管孔直 径为19.4+0.08-0.05 mm管孔以节距 27.43 mm 作正 方形排列 相邻两管孔节距公差在一次侧为0.127 mm二次侧要求孔桥相邻两孔缘最小距离为 6.7 mm法马通公司从意大利引进三轴数控深孔钻床 钻孔能满足管孔加工的技术要求法马通公司认为 机床报警系统很重要对保证产品质量起着相当大 的作用具有 4 种报警系统扭矩通过电流来控 制报警轴向力的控制报警钻孔深度用时间 控制报警顶紧力的控制报警 5.1.2 秦山一期蒸汽发生器管板直径 3296 mm一 次侧表面镍基堆焊层厚度为 9 mm管板总厚度达 525 mm管板上开有 5954 个管孔管孔直径 22.33+0.08-0.08 mm 管孔以下节距 31 mm 作正方形排 列管板示意图见图 9管孔技术要求如下相 核电站2003 年第 4 期 专论与译文 15 邻两管孔间距偏差在堆焊侧不大于 0.15 mm在另 一侧不大于 0.3 mm ;任意两管孔间距偏差在堆焊 侧不大于 0.3 mm在另一侧不大于 0.5 mm各 管孔轴线相对于管板轴线不平行度为 0.26 mm管 板深孔加工工艺如下 图 9 秦山一期蒸汽发生器管板示意图 工件的装夹管板组合件在钻孔时管板承受 轴向力和扭矩 加之管板直径较大 加工周期较长 要使工件在整个加工过程中不发生位移采取将管 板组件放在二块 V 型铁上用链条抱紧后边用二 块刚性三角铁和千斤顶支撑住并装有监督水平仪 加工过程用机床主轴按管板十字中心线校正 管板平面与机床主轴的垂直度 由于受机床 Y 向行 程的限制将管板 5954 个孔分上下两部分光钻 下半部分水平地一排排钻然后再转身重新校 正再钻另半块 切削用量的选择切削用量对钻孔质量起着很 大的作用切削用量与工件材料精度要求刀具 寿命和生产效率有关经过多次试验确定切削用量 为 钻头转速 1180 转/分 进给量为 0.080.09 mm/ 转 加工工艺和数控程序在反复试验的基础上 编制了钻孔工艺钻孔规程检查规定等一系列工 艺文件以指导操作人员工作同时编制了钻孔数 控程序要求机床在校对加工原点后按数控程序钻 孔并要求数控程序输入微机后经两人两次校核无 误后方可开机钻孔 管板深孔钻的检查为了及时掌握钻孔质量 发现问题采用纠正措施当天钻好的孔当天检查 完毕如果发现问题立即停机查找原因具体 检查项目有孔径相邻孔距孔直线光洁度 5.2 支撑板加工 大亚湾核电站蒸汽发生器支撑板为线接触四 叶孔型 板厚 30 mm 材料为 Z10Cr13 即含 Cr13% 的不锈钢板类似于美国的 AISI405 不锈钢用数 控多轴钻床钻孔其数控系统带用使钻床按 XY 坐标定位装置和液压系统支撑板的加工工艺如 下 检查平面度整个平面应5 mm;在 1000 mm 范围内3 mm 钻孔钻孔孔径为22+0.4-0在多轴龙门钻床 上用 12 只钻头孔2 块支撑板叠在一起先钻下半 部分然后再转身钻另半块 四叶孔的拉削拉削在 4 轴拉床上进行4 轴 同时动作并用一专用毛刷机来去毛刺 6. 装配 6.1 支撑板的装配 大亚湾核电站蒸汽发生器支撑板的装配是在 已经完成了管板下部筒节中部筒节上部筒节 和锥形筒节的 4 条环焊缝后并在下部筒体内安装 了套筒 法国 SaintMarcel 厂采用了激光发射器找 正技术调整管板上分隔板的位置呈垂直方向筒 体呈水平放置该厂利用车间横跨将激光发射器 装置于东侧的发射室内共发射出 3 支光束从筒 体管板端进入由锥形筒节穿出射于西樯的靶面 上光束呈一规则的小圆型亮点3 个光点呈等边 三角形其边长约为管板直径的 1/3支撑板的装 配首先从接近于管板的第一块装起利用激光器定 位并用垫铁在固定块上调整支撑板的位置使穿 过支撑板的 3 支激光束不受阻地打于靶面上光点 形状保持原形然后将支撑板焊接于 12 个固定块 上这样依次将 9 块支撑板装好焊牢由于激光为 3 束激光定位保证了支撑板对筒体的垂直度以 及支撑板之间和管板的平行度因靶面光点清晰 保持原形就保证了支撑板上各对应的四叶形管孔 间的同心度给下一步 U 形管的安装带来了方便 6.2 U 形管的装配 下部筒体内支撑板装配完毕后进行整体清 洁清除焊渣和污物然后整体吊入一个清洁密闭 的小型装配车间内进行穿管筒体放置于一个专用 的转胎上纵向排列着一个 U 形管箱放置台架台 架可液压操作自动升降如图 10 所示U 形管在 专业制造厂 Vallourec-Monbord 经 100%的外观检验 及 100%的涡流和超声检验合格的 U 形管按其在 专论与译文 核电站2003 年第 4 期 16 蒸汽发生器内的排列位置装箱发货现场穿管以装 箱顺序进行U 形管放于装配台架开箱后首先要 对 U 形管进行外观检查 经检验合格后按管箱顺序 开始穿管管箱的开口处朝向筒体的大头由站立 于管箱两旁的两个工人手工操作采用一层管一层 防振杆的布管方法穿管前在筒体内先装一标准基 准支撑架基准面高度与支撑板的横向中线齐平 基准面位置的调整使得第一层 U 形管顶部放置于 台面上的位置和端部插入管板的位置在同一水平 面上穿管顺序为从支撑板的横向中线开始由内 向外穿完第一层在其上部组装一层防振杆适当 压紧其端部与管子用不锈钢丝捆牢然后再穿上 一层这样一层管一层防振杆的工序穿下去直至 上半个筒体全部完成台架的上下由液压装置自动 调节上部管束穿完后用专用设备临时固定然 后将转胎旋转 180再由支撑板中线开始穿对称 的另一半穿管时每根管的两端装有不锈钢制的 子弹导向头被穿好的管端在管板部位用带钢丝 把的毡塞堵住 图 10 U 形管穿管用台架及转胎 6.3 防震杆的装配 U 形管束弯头是通过每层传热管之间的三排防 震杆及防震杆端部板条连成一体的结构固定的如 图 11 所示防震杆方形截面尺寸见图 11 右图对 防震杆材料法马通公司采用因科镍 600 加外表面 镀铬 30 m 左右后来由于因科镍 600 加外表面 镀铬的工艺复杂主要是镀层的均匀性控制和表面 处理为简化工艺和节约成本自 90 年代后法 马通公司经过大量的实验研究 采用了 OCr13 不锈 钢代替因科镍 600 加外表面镀铬 防震杆末端结构采用 Ocr13 防震杆与外固定结 构铆接后末端焊接大约每隔 10 排或 20 排的防震 杆带加强筋与管子相连如图 12 所示防震杆的 外固定结构中所有材料均为因科镍 600与传热管 接触部分的外表仍要镀铬 图 11 三排防震杆示意图 图 12 Ocr13 防震杆末端结构 当运行时管子与防震杆间的间隙与振动有 关法马通公司开发了一层管子同时固定一层防震 杆的管层装配法的新布管工艺严格检查每 层管子与防震杆的间隙如超过公差必须调整或 更换防震杆该工序采用新的杆管间隙测量仪来测 量间隙管杆间留有适当的间隙是为了防止高温下 管子的膨胀 7. 清洁度 制造时应特别注意把一次侧零部件 如 管子 管板和下封头等保持在清洁的条件下制造厂应 用清洁间用作贮存 U 形管和进行管束组装 管子与 管板的焊接等清洁间应与其他材料和人员通道隔 离 大亚湾核电站蒸汽发生器在下封头内用清洁 空气 2 Mpa 压力将羊毛毡塞子打入管子 每根管至 少要用 10 个羊毛毡塞子若管子还不够清洁则继 续清理当管束全部清洁完毕由检查员抽查一部 分检查完后用塞头塞住管孔下封头水室用清洁 水灌入水室浸泡 24 小时放净水干燥后再进行 清洁度检查 秦山一期蒸汽发生器一次侧包括管子内壁在 总装和水压试验后 用漂白布擦试 白布应无变色 清洁度才算合格 8. 检验氦气检漏和水压试验 8.1 无损检验 核电站2003 年第 4 期 专论与译文 17 制造时无损检验是为了查明缺陷造成缺陷的 原因可分下列 3 类在原材料生产过程中所产生 的初始缺陷例如化学成份的改变表面裂 纹和内部裂纹在制造另部件的工艺过程 毛坯的制备机械加工和热处理中所产生 的缺陷例如疏松裂纹缩孔和气孔 装配过程中所产生的缺陷例如焊缝的气孔 和未焊透等选择无损检验方法时应考虑下列 因素材料的种类加工工艺几何形状和表 面状态预计的缺陷大小检验方法的灵敏度 等各种检验方法之间不能替代只能互为补 充蒸汽发生器制造时的无损检验比一般工业 的无损检验方法要求更加严格灵敏度和分辨 能力更高 秦山一期蒸汽发生器制造时的无损检验 如表 1 所示 各种检验应符合 ASME 规范第 卷的要求所采用的无损检验方法包括射线检 验RT超声检验UT渗透检验PT 磁粉检验MT和涡流检验ET下面对上 述各种检验方法作简单介绍 射线检验RT当射线穿透被检另部件 时产生可见图像由此检查部件内部是否存 在缺陷通常使用射线照相胶片记录图像 超声检验 UT向缺陷部位发射超声波 接受其反射波由此发现缺陷的方法但超声 波易受材料和缺陷表面的性质及形状受检部 件的形状等影响确定缺陷的尺寸比较困难 渗透检验PT将渗透剂和显示剂涂在 表面开口型缺陷上由于毛细管作用它们将 渗入缺陷内缺陷就能显示出来 磁粉检验MT适用于检验铁磁性材料的表 面和接近表面的缺陷将受检另部件磁化如加一 定磁场如表面有缺陷就会使磁场产生局部畸 变或漏磁由此显示缺陷 涡流检验ET当导电材料处于交变磁场中 时其内部会产生感应电流它就是涡流被检材 料如尺寸和结构异常或其内在性质如磁导率 电阻变化都会使涡流的分布形状受到扰动而 施感线圈的阻抗是直接与涡流的分布形状相关的 涡流检验方法就是通过分析施感线圈的阻抗变化 来查找被检材料中的缺陷 表 1 秦山一期蒸汽发生器制造时的无损检验 8.2 氦气检漏 大亚湾核电站蒸汽发生器在管子与管板焊接 后进行氦气检漏其目的是检查焊接接头的密封 性在全厚度胀管前进行一次单管的泄漏检查能 保证制造质量 其步骤如下 蒸汽发生器水平放置 用封板把二次筒体的锥形体端密封好堵住观察孔 和手机 把二次侧抽真空至 10 毫巴 随后再充 20% 氦气和 80%空气的混合气体至 16 巴用塞头在 接近焊缝处把传热管堵住4 根管子为 1 组进行检 查若发现有泄漏则单根检漏 8.3 一次侧最终水压试验 秦山一期蒸汽发生器在水压试验前要对水压 项目 RT UT