AP1000安注箱制造難點分析

孫　鵬，　毛昌森，　陳中灼

中核集團 三門核電有限公司　浙江臺州　317112

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AP1000安注箱制造難點分析

孫鵬，毛昌森，陳中灼

中核集團 三門核電有限公司浙江臺州317112

摘要：安注箱是核島主設備，國內二代加及三代核電AP1000項目安注箱都曾出現過大量的由于材料采購和制造工藝原因導致交貨進度延誤的問題。以AP1000自主化依托項目安注箱為例，對安注箱的制造關鍵點和難點進行系統性的分析，提出了改進建議，以便于有針對性地對進度和質量進行控制，可供同類型核電廠設備管理者參考。

關鍵詞：AP1000； 安注箱； 制造； 采購管理

Abstract:Accumulator tank is the primary device of nuclear equipment, the domestic accumulator tank in 2nd plus and 3rd generations of AP1000 nuclear projects had experienced a large amount of delays in the delivery schedule caused by material procurement and manufacturing process. Took the accumulator tank in AP1000 self-reliance project as the example to conduct a systematic analysis on the key points and difficulties in accumulator tank manufacturing and developed the recommendations for improvement in order to realize targeted control of manufacturing progress and quality while providing references for the equipment managers in same types of nuclear power plants.

Key Words:AP1000； Accumulator Tank； Manufacture； Procurement Management

安注箱(Accumulator Tank， ACC)是AP1000核電機組非能動堆芯冷卻系統4個水源之一，安裝在安全殼0米地面上，堆芯補水箱下方，在事故狀態下提供堆芯安注功能。AP1000安注箱總容積不得小于56.6m3，其中約48.1m3容積充有2.7‰的含硼水，并被壓力為4.826MPa的氮氣覆蓋和加壓以提供快速注射[1]。在發生失水事故時，安注箱執行中壓安注功能，能在有限的2.7min時間間隔內向堆芯注射非常大的安注流量(小破口事故時，瞬態很快達到并穩定保持幾乎10倍于堆芯補水箱的流量)[2]，以保證對堆芯的足夠冷卻，防止堆芯過熱。因此安注箱的質量與核電廠安全運行密切相關，其制造過程必須得到足夠重視。

AP1000安注箱是球形低合金鋼容器，內表面覆蓋不銹鋼，設計壓力5.516MPa，設計溫度149℃,設計壽命60年，抗震等級1級。相比國內二代加機組的安注箱，其設計壓力高14%、設計溫度高100℃、設計壽命多20年，因此，AP1000安注箱的承壓部件要選用具有高強度和耐硼水腐蝕的材料進行制造。AP1000安注箱制造方案包括復合板(在低合金鋼主材SA533 B CL.1的基礎上采用304L板材軋制或爆炸復合)和堆焊(在SA533 B CL.1殼體內表面堆焊309L+308L)兩種，由于進度和技術成熟性等原因，依托項目(浙江三門一期、山東海陽一期共4臺1000MW機組)采用的是SA533 B CL.1+SA240304L軋制復合板。本文以此為基礎，分析AP1000安注箱的主要技術參數和制造工藝，以達到有效進行設備質量和進度的管理目的。

1AP1000安注箱的結構及特點

AP1000安注箱是完整球形結構，主要包括上殼體、中殼體、下殼體、人孔、支撐裙座、出口管等部件，其結構示意圖如圖1所示，主體材質見表1所示。

圖1　AP1000安注箱示意圖

主體部件材料備注上、下殼體SA533BCL.1+SA240304L厚度(50.8+5.6mm)兩塊板材拼焊后壓制中殼體SA533BCL.1+SA240304L厚度(50.8+5.6mm)6塊瓜瓣壓制、拼焊而成支撐裙座SA-516GR70,厚度25.4mm基礎底板SA-516GR70,厚度50.8mm人孔、出口管SA-508GR3CL.2鍛件出口管安全端SA-182GRF316LN鍛件

AP1000安注箱整體上呈現“皮薄餡大”等特點。

(1) 無內構件，較為簡單的球體+裙座結構；球體外徑為4888mm，厚度只有50.8+5.6mm，屬薄壁結構，易變形，且矯形困難。

(2) 設計壽命為60年，對其承壓部件的強度和耐硼水腐蝕性能提出了更高要求。

(3) 承壓殼體材料為軋制復合板(SA533 B CL.1+SA240304L，厚度50.8+5.6mm)，是世界上首次將此類復合板應用于核島主設備，設計和制造無借鑒經驗和現存資料。

(4) 設計方給出的參考方案為： 上下殼體由兩塊板材拼焊、壓制成型，中殼體為6塊板材壓制的瓜瓣拼焊成型，成型尺寸及錯邊量控制困難。

2AP1000安注箱制造關鍵點與難點

AP1000機型在全球范圍內尚屬首次實施，是在沒有原型堆及實驗堆的前提下，邊設計、邊施工、邊驗證，AP1000安注箱的設計、制造無前例可循。加之上述結構特點本身就意味著較多制造難點，進度和質量控制的不確定因素較多。因而，從原材料采購、制造到產品最終交付，經歷了一系列的技術驗證和問題處理。以下結合AP1000依托項目安注箱制造中出現的問題，列舉一些實際典型質量問題，說明上述提到的設計特點帶來的制造難題。

2.1　設計變更頻繁

安注箱的制造過程同樣遭遇著邊設計、邊實施的處境，設計變更貫穿整個制造過程始終，造成了不小的困難，下面舉3個實例。

(1) 上下殼體材質變更： 2008年6月，設計方綜合國外廠家意見，考慮成本和進度等因素，將上下殼體材料由SA508 GR3 CL.1鍛件改為SA533 B CL.1板材，導致上下封頭各增加一條焊縫(在役需目視檢查)，使上下殼體在制造過程中易產生變形、應力集中等問題，增加了制造難度，也增加了安全隱患。

(2) 殼體復合板最小復層厚度變更： 2009年供貨商根據設計方的正式圖紙(第2版，不銹鋼復層最小厚度為3.2mm)采購了承壓殼體主材軋制復合板，分供方也開始實施板材制造活動，但在同年10月，設計方升版了圖紙(第3版)，將不銹鋼復層最小厚度變更為4.8mm，并要求采用爆炸復合方案。經過與設計方溝通，設計方最終接受了最小復層厚度3.2mm的方案。在業主方督促下，設計方進行了驗證試驗等技術判斷，最終給出了合理解釋。這是AP1000項目執行上一個典型的先升版再批準原設計參數的案例。

(3) 復合板采購技術條件變更： 主材復合板到貨后，2010年4月，設計方升版圖紙(第4版)，更改了復合板制造規范，提出了焊后熱處理(簡稱： SPWHT)時間24h(原為10h)，剪切應力310MPa(原為210MPa)等新的技術要求。為此，需要對復合板的剪切強度等性能參數按照新要求重新測試。

2.2　原材料技術要求高，制造難度大(復合板)

AP1000安注箱設計壽命為60年，承壓邊界需選用具有高強度和耐硼水腐蝕的材料，按照設計要求，其Φ4888mm的球體結構將由10塊復合板拼焊成型，因而板材面積較大，加上基層/復層厚度較大(50.8+5.6mm)，對原材料采購和制造帶來困難。雖然設計方許可復合板(SA533 B CL.1+304L軋制或爆炸復合)和堆焊(SA533 B CL.1堆焊309L+308L)兩類方案，但實際操作中都存在困難。

(1) 復合板方案，要求復材與基材之間形成良好的冶金結合——復合板基層與復層之間的剪切強度不低于310MPa。對于軋制復合板，國外技術較為成熟，但相應的資金成本和時間成本也較高，而且界面結合強度不高，滿足310MPa剪切強度的成品率在工藝上較難保證。而對于爆炸復合，國內已同國外水平相當，界面結合強度較高，目前滿足310MPa剪切強度的復合板正處于試驗轉產品階段，但存在厚度局部不均勻、生產效率低等現象。依托項目制造初期曾采用爆炸復合板方案，但由于制造難度大、成品率低以及基材供貨進度無法保障等原因，最終棄用，轉而不惜成本從國外采購了軋制復合板。

(2) 堆焊方案，理論上可以采用平板堆焊后壓制成型或殼體成型后球殼圓弧堆焊兩種方式，但國內外都沒有成熟的制造工藝可供借鑒，實際操作中，由于殼體薄、尺寸大導致了嚴重變形以及圓度和周長尺寸超差，堆焊質量無法保證。鑒于采用堆焊方式存在的技術風險和缺乏實際示范產品，以及工藝試驗驗證的困難，此方案基本不予考慮。

2.3　上下殼體及中間殼體瓜瓣劃線、壓制難度大

安注箱殼體成型加工的方法主要有冷、熱沖壓，冷、熱旋壓，冷、熱卷制或相互配制等。供貨商通過嚴格的軋制復合板冷、熱壓成型工藝評定，證明中殼體冷壓成型(應變量3%~5%)和上下殼體熱壓成型(分步熱壓+恢復調質熱處理)的情況下，SA533 B CL.1基層力學性能仍可滿足設計和規范要求，熱壓成型后的剪切強度經性能驗證仍超過310MPa[3]。

(1) 上下半球形殼體由于復合板材料強度偏高、直徑尺寸偏大等原因，依托項目采用了模具熱壓成型工藝，但成型后需進行恢復性能熱處理[4]，對進度造成了一定的負面影響。上下殼體均由Φ5600mm復合板坯料(兩塊復合板拼焊后再切割成圓板，要求焊縫避開接管位置)壓制而成，成型后的曲率為SR2388mm，球冠上端面的直徑為4264mm，深度達到1313mm。由于設備能力的限制，下模無法采用整體模形式，需采用壓邊圈加下模圈形式。如果一次沖壓成型，將造成上下殼體局部鼓泡。為解決上述問題，采用了3次分步壓制的方案(詳見圖2)[5]，達到了較好的成型尺寸精度，成品圖如圖3所示。

(2) 中殼體是由6塊平板壓制成瓜瓣型(如圖4所示)后拼焊而成，每塊瓜瓣的形狀尺寸要求都非常嚴格，為確保成型合格，必須從冷壓成型工藝上采取措施予以保障。

(3) 制造過程中對中殼體6塊瓜瓣和上下殼體劃米字線，以對曲率、基層、復層厚度進行嚴格的質量控制和準確測量，并檢查是否出現分層。

圖2　復合鋼板球冠熱壓成型工藝溫度曲線圖

圖3　上下殼體熱壓成型完成

圖4　中殼體瓜瓣壓制成型完成

2.4　拼裝、焊接要求高

復合板的錯邊量不是按板材的整個厚度來確定，而是按復層的厚度來確定[6]，需保證復層錯邊量≤1mm，并規定最終焊接接頭的最大允許錯邊值要按照ASME ⅢND4200進行控制[7]。因而上下殼體的平板拼焊、中殼體的瓜瓣拼焊，以及上下殼體與中殼體的拼裝是安注箱制造工藝的關鍵難點。

(1) 上下殼體尺寸較大，受板材尺寸和冷壓成型工藝限制，只能由兩塊復合板拼焊，再進行熱壓成型工藝。由于設計上要求復合板基層SA533 B CL.1 的交貨狀態是調質，因此必須在熱壓成型后進行調質以恢復材料的理化性能。按照慣例，通常是進行平板焊接后熱壓成型，之后清除焊縫重新焊接，但對于安注箱會產生較多問題，不僅工作量巨大，還涉及到焊接質量和變形等問題。在這種情況下，制造方優化焊接方案，使拼接焊縫經受多次熱處理后，性能仍可滿足設計要求。以此為原則，采用了嚴控焊材化學成分、按照ASME Ⅲ ND4300及ASME Ⅸ進行工藝評定和焊接試驗等技術手段，為上下殼體拼焊工作提供了技術保障。

(2) 中間球形殼體瓜瓣的拼裝、焊接在整個ACC制造過程中是最關鍵、最困難的操作，涉及到瓜瓣裝配間隙控制、焊接變形、球形內徑、復層錯邊量等一系列難點。為順利拼焊，加工的焊縫坡口還需要較高的平行度，為此需要設計輔助瓜瓣裝配、調整和檢查的工裝，在實施瓜瓣拼裝時先拼裝前5塊(尺寸一致)，調整余量放在最后一塊進行，確保其滿足拼裝要求，控制復層錯邊量≤1mm。在實施焊接時，2片瓜瓣定位焊時預留間隙余量，并上下同時施焊，以控制間隙收縮；盡量采用對稱焊、雙面焊，先從內側由6名焊工同時立向朝上進行焊接，清根后，再實施埋弧自動焊，加強控制中殼體變形量，圖5所示為中殼體焊接完成圖。

圖5　中殼體焊接完成

(3) 上下殼體與中殼體成型后，進行球體組件的組裝成型，操作難點在于變形量控制以及焊接坡口控制。組裝前對上下殼體和中間殼體共4個端面進行內徑測量，每個端面測量8組內徑尺寸，作為端口錯邊量匹配的基礎數據。總裝過程中發現按照原方案匹配的內徑偏差較大，無法保證錯邊量，工藝上基于上下殼體和中殼體上下端面的互換性，重新進行了內徑匹配，以減少錯邊量。考慮坡口形式對焊接方法選擇的影響，原定的UV坡口不便于實施自動焊，經更改坡口形式為不對稱的X形，順利實現了內側電弧焊，外側埋弧焊，降低了工作量，提高了效率[8]。

(4) 殼體組裝時各個階段累積偏差導致錯邊量超差，上下殼體熱壓造成的厚度偏大，再加上殼體端面處內徑的圓度誤差，導致依托項目安注箱制造過程中下殼體和中殼體、中殼體和上殼體裝配都出現了一定范圍的錯邊量超差(分別達到7.4mm和7.5mm)，返修歷時1個月以上。

3AP1000安注箱制造進度風險的應對

安注箱作為核島關鍵設備，具有制造進度風險大、合同交貨期緊張的特點。由技術特點和制造難點可以看出，從設計文件發布，到合同簽訂后的設計轉化、文件審批、復合板采購、瓜瓣預制、殼體壓型、殼體裝焊等過程都存在不同程度的風險，這也說明了AP1000安注箱首次制造所面臨的設計驗證挑戰，值得后續安注箱制造時借鑒。

三門核電1號機組安注箱從合同簽訂到設備交付歷時約18.5個月，比合同交貨期延誤約3.5個月，依托項目其它機組的安注箱也存在不同程度的進度延誤。可見有必要針對AP1000安注箱的制造進度風險作出積極應對，通過事前管理，預先控制，減少計劃不周造成的進度風險。安注箱制造關鍵路徑工期統計見表2。

表2　安注箱關鍵路徑工期

注： 由于依托項目前期設計變更和初次制作實施出現的返修等不符合項拉長了制造周期，后期供應商實施了倒班制趕工，因此表格中統計的制造工期僅供后續制造周期安排參考。

考慮采購招評標預計需要3.5個月，預計AP1000安注箱合理制造工期約為17個月，再考慮其它供貨方首次制造過程中不符合項處理等時間裕量，供貨周期建議為20個月。AP1000安注箱現場需求時間為FCD+5(First Concrete Date+5 Months)，因而，設備采購啟動時間建議為FCD-15。采購合同執行過程中，應預先注意板材/鍛件/焊材等長周期材料采購、上游設計文件發布管理，并做好經驗反饋。

4總結

綜上，要解決AP1000安注箱制造工藝關鍵點和難點，規避潛在的質量和進度風險，建議從以下幾個方面進行改進。

(1) 主材復合板建議采用爆炸復合，以滿足剪切強度310MPa等技術要求，同時可以有效利用國內供貨商的技術優勢，降低采購成本。

(2) 主材復合板基層厚度余量較大(理論計算最小值41.9mm，設計圖最小47.7mm)，供應商二次設計時應合理預留壓制減薄余量，在主材復合板采購時給出更加合適的基層厚度要求。這樣，既節約材料，還有利于壓制和矯形，如增加厚度需進行支撐載荷核算。

(3) 在調研復合板制造尺寸基礎上，適當優化上下殼體制造工藝，在設備能力許可的前提下，或可將目前由兩塊復合板拼接后熱壓成型的工藝，改為較小直徑的整塊板材進行冷壓成型，通過反復壓制、檢查、校正使鋼板產生塑性變形，從而達到所需的球殼曲率、端面內徑等尺寸要求，這樣可以免除之前提到的拼接焊縫的焊接評定試驗，以及熱壓后的恢復性能調質熱處理。

(4) 對于錯邊量控制，需要設計合理的工裝以輔助拼裝過程中的調整和尺寸檢查，并嚴格控制壓型、拼裝等工序過程尺寸，減少累積的偏差在最終中殼體和上下球殼裝焊時造成錯邊量超差。

(5) 焊接時盡量采用對稱焊以減少焊接變形，做好工藝評定以及關鍵工序的焊接試驗，選擇合適的坡口形式，使最終產品尺寸合格。

(6) 借鑒西屋公司模式，后續項目在自主化設計時，聯合具有資質和潛力的制造廠進行技術驗證，加強實驗分析和模擬分析。

(7) 業主、總包方和制造廠及設計院之間應加強溝通交流，及時進行技術及管理經驗的反饋和總結，完善工藝，減少不符合項。

參考文獻

[1] 顧軍.AP1000核電廠系統與設備[M].北京： 原子能出版社，2010.

[2] 楊江,田文喜,蘇光輝,等.AP1000小破口事故下非能動氮氣安注箱的瞬態特性研究[J].原子能科學技術，2013,47(5)： 755-760.

[3] 陳敏,吳志遠,施耀新.復合鋼板在AP1000安注箱制造中的應用[J].熱加工工藝，2013,42(20)： 121-122.

[4] 許慶和,張會生,吳崢.AP1000安注箱制造焊接工藝的研究[J].電站輔機，2011,32(2)： 21-25.

[5] 傅智勇，陳春雄，許慶和，等.一種復合鋼板球冠的熱壓成形方法[P].中國專利： CN102172703A,2011-09-07.

[6] 徐晶晶.復合板制造壓力容器應注意的問題[J].中國科技縱橫，2010(20)： 243-243.

[7] ASME B PVC 1998版+2000補遺[S].

[8] 陳磊,鮑勁松.核電主設備安注箱的錯邊量控制[J].電站輔機，2013,34(3)： 22-24.

中圖分類號：TH16;TL353

文獻標識碼：B

文章編號：1674-540X(2015)02-017-06

作者簡介：第一 孫鵬(1986-)，男，本科，主要從事核電設備質量監造工作，E-mail： sun2@smnpc.com.cn

收稿日期：2015年4月