AP1000核電波動管安裝技術(shù)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(shè)備，其設(shè)計壓力為17.13MPa，設(shè)計溫度為360℃。波動管的整體結(jié)構(gòu)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(zhì)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(fā)器A 腔室(11301 房間）和穩(wěn)壓器腔室（11303 房間），將穩(wěn)壓器下封頭與主管道熱段L001A 連接起來。

波動管作為核島關(guān)鍵設(shè)備之一，有別于傳統(tǒng)波動管制造技術(shù)，AP1000 核電波動管采用了超低碳控氮不銹鋼整體鍛造技術(shù)，其冶煉技術(shù)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(diào)整余量，到達現(xiàn)場后根據(jù)穩(wěn)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(shù)

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(wěn)壓器就位前引入至穩(wěn)壓器腔室并根據(jù)其最終就位位置合理擺放，待穩(wěn)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(shù)要求，熟悉相關(guān)規(guī)范、圖紙、技術(shù)規(guī)格書等技術(shù)文件，并取得上崗資格。焊接技術(shù)人員應具有專業(yè)理論基礎(chǔ)，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(jīng)過機加工模擬操作培訓并具備獨立作業(yè)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(shù)交底、安全交底。

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

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

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

（5）現(xiàn)場環(huán)境條件。穩(wěn)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(huán)蒸發(fā)器已卸載完成；清潔區(qū)、施工控制區(qū)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(nèi)容

（1）坡口加工。坡口加工采用PHSF-508-A 型數(shù)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(nèi)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(shè)好的調(diào)整臨時支撐和倒鏈對管道進行調(diào)整、組對，直至波動管組對滿足要求：組對間隙為0～2mm，內(nèi)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(guī)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(nèi)，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(yè)。

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(nèi)壁錯邊量，避免超標。

為保證焊縫背面成型和焊縫質(zhì)量，焊口組對、點固結(jié)束后，在波動管內(nèi)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(qū)域內(nèi)的空氣排除干凈，利用測氧儀測量焊接區(qū)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(yè)前應對穩(wěn)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(shù)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(wěn)壓器管嘴旋轉(zhuǎn)而下，與主管道和穩(wěn)壓器連接起來，整體構(gòu)成的環(huán)路在水平圓周方向的旋轉(zhuǎn)角度達到約540°，其安裝難點主要體現(xiàn)在以下幾點：

2.1 安裝工期短

由于AP1000 堆型設(shè)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(nèi)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(tǒng)施工中處于關(guān)鍵路徑，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都將對電站建造進度及質(zhì)量產(chǎn)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(zhì)量及施工安全的情況下完成此項工作，是一個巨大的挑戰(zhàn)。

2.2 坡口加工質(zhì)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(huán)節(jié)，每個管嘴的坡口加工數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)及其他管嘴的加工尺寸的確定，此外，根據(jù)目前建造經(jīng)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(zhì)量，是各單位人員需要重點關(guān)注的內(nèi)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(diào)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(zhì)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(zhì)量，而且波動管作為一回路核心部件直接接觸放射性物質(zhì)，任何安裝缺陷都會對電站運行安全、使用壽命產(chǎn)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(jīng)驗數(shù)據(jù)，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(zhì)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(jù)設(shè)計要求，波動管施工時焊接場地（半徑1.5 米范圍內(nèi)）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(qū)域應滿足C 級清潔度要求。穩(wěn)壓器腔室與蒸發(fā)器腔室通過走道連通，根據(jù)AP1000 堆型核電建造邏輯安排，在波動管施工期間，蒸發(fā)器腔室內(nèi)、穩(wěn)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(guī)劃建設(shè)不同等級的波動管施工控制區(qū)，并根據(jù)需求設(shè)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(wěn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，目前主要采用了現(xiàn)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(shù)據(jù)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(xù)波動管安裝數(shù)據(jù)進行調(diào)整。

2.6 施工清潔度控制

根據(jù)設(shè)計文件要求，波動管的內(nèi)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(jīng)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(shè)備都處于連通狀態(tài)，如何保證施工期間的清潔度且管道內(nèi)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(nèi)壁采用高壓沖洗和內(nèi)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(chǔ)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(qū)予以管理，各級質(zhì)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(jié)

波動管安裝工作在AP1000 建造過程中是一項非常重要內(nèi)容，同時也是AP1000 核電站安裝工作中工藝設(shè)計、技術(shù)水平、施工難度、施工邏輯要求非常高的復雜作業(yè)，為保證波動管整個施工過程滿足監(jiān)管要求、處于受控狀態(tài)，最終施工質(zhì)量能達到設(shè)計要求，必須對整個施工過程中可能存在的質(zhì)量、安全、技術(shù)、技能風險進行全方位的詳細分析，并為后續(xù)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(yè)，安裝質(zhì)量滿足設(shè)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(shù)[M].北京：原子能出版社，2010.