AP1000核電波動管安裝技術淺析

趙宇強，王英杰

（1. 山東核電有限公司，山東 海陽 265116；2.國核工程有限公司，上海 200233）

0 引言

AP1000 核電波動管是核安全Ⅰ級、抗震Ⅰ類設備，其設計壓力為17.13MPa，設計溫度為360℃。波動管的整體結構呈空間螺旋上升形狀，是由5 段長度不等的超低碳不銹鋼鍛造而成的無縫彎管組成，其材質為SA312 TP316LN（P8），五段分別標記為S001、S002、S003、S004、S005，安裝在反應堆廠房蒸發器A 腔室(11301 房間）和穩壓器腔室（11303 房間），將穩壓器下封頭與主管道熱段L001A 連接起來。

波動管作為核島關鍵設備之一，有別于傳統波動管制造技術，AP1000 核電波動管采用了超低碳控氮不銹鋼整體鍛造技術，其冶煉技術要求高、加工周期長、彎管工藝復雜。在制造出廠前均沒有進行坡口加工，每段的兩端都留有至少50.8mm 以上的安裝調整余量，到達現場后根據穩壓器和主管道L001A 的位置及波動管實際外形尺寸進行3D建模確定每個端口的實際加工量并進行坡口加工、組對、焊接等工序完成波動管安裝工作。

圖1 波動管安裝三維圖Fig.1 Surge line pipe installation 3-D graph

1 波動管安裝技術

波動管安裝三維圖如圖1 所示。波動管預組裝示意圖如圖2 所示。波動管到場后需要在穩壓器就位前引入至穩壓器腔室并根據其最終就位位置合理擺放，待穩壓器最終就位后通過3D 建模、實體模擬組對等確定管道切割量、坡口尺寸等，再展開坡口加工、組對、焊接、無損檢測、成品保護等工作。

1.1 先決條件

圖2 波動管預組裝示意圖Fig.2 Surge line pipe preinstallation graph

（1）人員要求。參與波動管施工的人員應熟悉波動管安裝技術要求，熟悉相關規范、圖紙、技術規格書等技術文件，并取得上崗資格。焊接技術人員應具有專業理論基礎，掌握窄間隙自動焊原理、焊接工藝，并能及時、獨立處理焊接施工中遇到的問題。機加工人員應經過機加工模擬操作培訓并具備獨立作業的能力，能熟練掌握坡口加工機工作原理、坡口加工工藝、操作流程等。所有參與波動管施工的人員必須參加過技術交底、安全交底。

（2）材料要求。波動管、焊材應有完整的質量證明文件，符合相關技術要求，且驗收合格。

（3）設備及工機具要求。焊接設備、機加工設備、施工儀器儀表均應經過合格標定、有明顯的標識，且在標定有效期內使用；吊裝的工機具、設備必須處于良好的工作狀態；輔助工裝應采用不銹鋼制作，避免碳鋼材質與不銹鋼母材直接接觸。

（4）技術文件要求。波動管施工所用圖紙、技術文件齊全且處于最新版本；波動管安裝技術、安全交底卡已編制完成并發布；波動管安裝方案、焊接方案、焊接工藝評定及相關工作程序已批準發布；波動管安裝清潔區及控制區的建立、維護方案已發布。

（5）現場環境條件。穩壓器已最終就位、下部橫向支撐已安裝完畢；主管道L001A 已安裝完畢；A 環蒸發器已卸載完成；清潔區、施工控制區已建立并按要求實施管控；5 根波動管已全部引入并按照安裝時的走向擺放至預存位置；波動管施工所用臨時工裝已引入并擺放完畢。

1.2 安裝工序

在先決條件準備好之后進行波動管的安裝工作，安裝順序如圖3 所示。

1.3 每道焊口主要施工內容

（1）坡口加工。坡口加工采用PHSF-508-A 型數控坡口加工機，整個坡口過程主要包括坡口定位放線、余量切割、內鏜孔加工、外坡口加工、鈍邊打磨、清潔等工序，最終坡口加工完畢后應滿足圖4 的要求。

（2）組對。當坡口加工完畢且檢驗合格后進行管道組對工作，使用提前布設好的調整臨時支撐和倒鏈對管道進行調整、組對，直至波動管組對滿足要求：組對間隙為0～2mm，內壁錯邊量≤0.8mm。

（3）焊接。AP1000 波動管焊接采用窄間隙冷絲TIG焊（惰性氣體鎢極保護焊），焊絲采用ER316L，規格為φ1.0mm。保護氣體采用氬氣，正面保護氣體采用高純液氬，氬氣純度為99.999%，背面保護氣體采用純氬，純度不低于99.99%，所用氬氣符合GB 4842 要求。

焊接場地半徑控制在1.5 米范圍內，應滿足以下條件： 風速＜2m/s，相對濕度≤90%，溫度≥10°，當上述條件任何一種情況不滿足時，不得實施焊接作業。

管道組對完成后應采用奧氏體不銹鋼點固棒進行點固，整個圓周上均勻分布3～4個點固棒，長度為40～50mm。點固焊接采用手工鎢集氬弧焊。每次點固焊接后應檢查組對間隙、內壁錯邊量，避免超標。

為保證焊縫背面成型和焊縫質量，焊口組對、點固結束后，在波動管內部安裝充氬保護裝置，直到焊縫熔敷金屬大于15mm 后方可停止充氬，焊接前應保證焊接區域內的空氣排除干凈，利用測氧儀測量焊接區域氧氣含量不大于1%。

（4）NDE 檢測。波動管坡口加工完畢后，應對機加工表面進行VT、PT 檢測；點固棒去除后應對點焊部位進行PT 檢測；焊接作業前應對穩壓器管嘴、主管道的波動管接管嘴表面進行VT、PT 檢測；焊縫熔敷金屬厚度達到約15mm 時，針對焊縫進行表面VT、PT、RT 檢測；焊縫熔敷金屬厚度達到100%厚度時，針對焊縫進行 表 面VT、PT、RT 檢測；此外，當焊縫厚度達到100%厚度且RT 檢測完畢后，應進行一次UT 檢測。

圖3 波動管安裝順序Fig.3 Surge line pipe installation sequence

圖4 坡口加工圖Fig.4 Groove Form Diagram

2 波動管安裝技術難點及應對措施

AP1000 核電波動管每段管道的外形都不相同，呈螺旋狀從穩壓器管嘴旋轉而下，與主管道和穩壓器連接起來，整體構成的環路在水平圓周方向的旋轉角度達到約540°，其安裝難點主要體現在以下幾點：

2.1 安裝工期短

由于AP1000 堆型設計的緊湊性，主回路施工工序存在嚴密的邏輯性，導致波動管安裝工期小于國內其他壓水堆核電站，但是工作量又大于其他壓水堆核電站，波動管施工是核電站主回路系統施工中處于關鍵路徑，任何一個環節出現問題都將對電站建造進度及質量產生影響，在工期短、工作量大、焊接工藝難、施工邏輯復雜的前提下，如何保證安裝焊接質量及施工安全的情況下完成此項工作，是一個巨大的挑戰。

2.2 坡口加工質量控制

在波動管安裝過程中，波動管的坡口加工是波動管安裝過程中的一個重要環節，每個管嘴的坡口加工數據都會影響其他管嘴的加工，彼此之間互相影響，一旦某個坡口加工失敗則代表著一根波動管的報廢，單根波動管的報廢將影響整個波動管的建模數據及其他管嘴的加工尺寸的確定，此外，根據目前建造經驗，由于波動管制造存在偏差導致波動管的部分管段坡口形式有所改變，如何保證坡口加工質量，是各單位人員需要重點關注的內容。因此，在坡口加工前，必須進行機加工模擬實驗對參與機加工的各類人員進行實操培訓、確定機加工工藝，同時在機加工過程中通過強調加工紀律、細化機加工步驟、增加檢驗頻率等來保證坡口加工質量。

2.3 焊接控制

AP1000 核電波動管在焊接過程中焊接收縮量較大，如果不采取合適的焊接工藝對焊接變形、收縮量等進行控制以降低焊接殘余應力，必將對安裝過程造成困難，進而影響安裝質量，而且波動管作為一回路核心部件直接接觸放射性物質，任何安裝缺陷都會對電站運行安全、使用壽命產生影響，且維護費用極其昂貴。因此，在波動管正式安裝前，應實施全比例模擬焊接獲得焊接變形、焊接收縮等經驗數據，并全面分析焊接過程中可能存在的風險與隱患，從焊接工藝、焊接紀律、檢查方式等方面著手保證焊接質量的可靠性。

此外，如果焊接缺陷的處理、挖補措施、氬氣室的布置與取出等都應提前考慮相應的措施。

2.4 施工場地的布置

根據設計要求，波動管施工時焊接場地（半徑1.5 米范圍內）應滿足以下條件：風速＜2m/s，相對濕度≤90%，溫度≥10℃，且整個施工區域應滿足C 級清潔度要求。穩壓器腔室與蒸發器腔室通過走道連通，根據AP1000 堆型核電建造邏輯安排，在波動管施工期間，蒸發器腔室內、穩壓器腔室頂部同時進行大宗材料施工，如何確保波動管施工與其他施工工作互不影響，應提前考慮規劃建設不同等級的波動管施工控制區，并根據需求設定相應的管控措施。

2.5 波動管定位

波動管的安裝基準是穩壓器管嘴、主管道管嘴中心點，在施工過程中重點控制每個焊口的中心點，由于波動管安裝工作的不可逆性，尤其是S005 管段作為最后一根安裝的管段，其連接形式為通俗意義上的 “硬連接” 模式，存在很大的工藝風險，為保證安裝坡口加工數據的準確性，應充分考慮波動管外形尺寸、波動管制造偏差、坡口加工形式、組對要求、安裝坡度、波動管與墻體的距離、波動管保溫安裝、支架位置等因素，對波動管進行整體模擬組對，以確定坡口加工數據，目前主要采用了現場模擬組對和3D 計算機模型建模兩種方式，這兩種方式互為補充、互相校驗，模擬組對的數據得到各方認可是波動管開始施工第一重要的先決條件。此外，在施工過程中，每安裝完成一根波動管，都要進行重新建模，及時對后續波動管安裝數據進行調整。

2.6 施工清潔度控制

根據設計文件要求，波動管的內外表面應滿足C類、B 類核級清潔度要求，在波動管施工過程中，要經歷吊裝倒運、坡口加工、焊接、NDE 等步驟，在每一段管道加工過程中，其上游管段或設備都處于連通狀態，如何保證施工期間的清潔度且管道內無異物，尤其是兩個U 型管段的清潔度控制是施工難點。目前，在建核電波動管管道內壁采用高壓沖洗和內窺鏡檢查的方式、外表面采用擦拭和目視檢查的方式，在此基礎上及時進行成品保護，通過上述手段對每一個施工步驟進行清潔度控制，并建立合適的清潔區予以管理，各級質量控制人員提高清潔度檢查頻率，有效保證了波動管施工清潔度。

3 總結

波動管安裝工作在AP1000 建造過程中是一項非常重要內容，同時也是AP1000 核電站安裝工作中工藝設計、技術水平、施工難度、施工邏輯要求非常高的復雜作業，為保證波動管整個施工過程滿足監管要求、處于受控狀態，最終施工質量能達到設計要求，必須對整個施工過程中可能存在的質量、安全、技術、技能風險進行全方位的詳細分析，并為后續AP1000 核電波動管安裝提供借鑒。目前全球首批在建AP1000 核電廠址中，都已成功完成一臺機組的波動管施工作業，安裝質量滿足設計要求。

[1] 林誠格，郁祖盛，等. 非能動安全先進壓水堆核電技術[M].北京：原子能出版社，2010.