中美AP1000鋼制安全殼底封頭制造與組裝工藝對比分析

晏桂珍　丁海明　王厚高（山東核電設(shè)備制造有限公司，山東 海陽 265118）

中美AP1000鋼制安全殼底封頭制造與組裝工藝對比分析

晏桂珍丁海明王厚高
（山東核電設(shè)備制造有限公司，山東 海陽 265118）

鋼制安全殼是AP1000核電站的特有設(shè)備，既是反應(yīng)堆廠房的內(nèi)層屏蔽結(jié)構(gòu)，防止放射性物質(zhì)向外擴散的屏障，也是整個非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的重要組成部分。封頭的制造和組裝工藝是鋼制安全殼制造和組裝的關(guān)鍵工藝。通過對我國和美國AP1000項目鋼制安全殼底封頭制造安裝情況進行對比，從封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、組裝、焊接、運輸和吊裝等方面分析各自的優(yōu)缺點，以便為我國后續(xù)項目中的鋼制安全殼底封頭的制造和組裝提供經(jīng)驗。

AP1000；鋼制安全殼；底封頭；組裝；工藝；對比

1 引言

AP1000鋼制安全殼為帶上下橢圓封頭的“自由站立式”圓柱形鋼制容器，是AP1000核電站的特有設(shè)備，它既是防止放射性物質(zhì)向外擴散的反應(yīng)堆廠房內(nèi)層屏蔽結(jié)構(gòu)，是核電廠縱深防御原則的最后一道安全屏障，也是整個非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的重要組成部分。AP1000鋼制安全殼屬于ASME規(guī)范NE分卷MC級設(shè)備，材質(zhì)為SA738 Gr.B調(diào)質(zhì)鋼板。AP1000鋼制安全殼底封頭是內(nèi)表面長軸為39.6m，短半軸為11.4m的橢球形封頭，封頭最小壁厚為41.3mm。底封頭外表面焊接有16個臨時短柱，在安裝就位時支撐固定在CR10模塊上。

到目前，正式批準開工建造的AP1000機組共有8臺，其中4臺在我國，另外4臺在美國。我國浙江三門1號機組為世界首次采用AP1000技術(shù)建設(shè)的核電站項目。

圖1 國內(nèi)項目底封頭臨時支撐柱位置圖

圖2 美國項目底封頭臨時支撐柱位置圖

2 底封頭設(shè)計結(jié)構(gòu)的差異

我國建造的AP1000鋼制安全殼底封頭由4圈共64塊瓣片拼裝組合而成，由內(nèi)向外瓣片組合分別為第一圈2塊，第二圈6塊， 第三圈24塊和第四圈32塊，其中最大的第四圈瓣片環(huán)向展開尺寸約4m，縱向展開尺寸約10m。在核電站的施工現(xiàn)場， 64塊瓣片組裝焊接成一個完整的底封頭。底封頭外表面焊接16個臨時短柱，圓周均勻分布且全部位于第4圈瓣片的拼接縱焊縫上，如圖1所示。

美國在建鋼制安全殼底封頭由3圈共58塊瓣片拼裝組合而成，由內(nèi)向外瓣片組合分別為第一圈（內(nèi)圈）2塊，第二圈24塊，第三圈（外圈）32塊，其中第三圈瓣片在車間內(nèi)各由兩塊板拼焊而成。底封頭整體拼裝在核電站施工現(xiàn)場進行。底封頭外表面焊接16個臨時短柱，圓周均勻分布且全部位于第三圈瓣片單板的正中間，如圖2所示。

3 底封頭瓣片成型方式的差異

我國的底封頭瓣片采用單板中溫整體模壓成型，即采用特定型面的模具，將鋼板加熱到回火溫度以下，單板整體壓制成型，然后根據(jù)設(shè)計要求，對鋼板進行邊緣切割加工。采用此工藝，瓣片的成型速度快，操作勞動強度低，且瓣片的成型均勻性與一致性好，但是成型模具具有特殊性，每種型面的瓣片各需要一套模具。

從目前公開的資料判斷，美國項目的底封頭瓣片應(yīng)為點壓成型或者分段模壓成型。模具的適用范圍廣，同一套胎具可壓制不同曲率的瓣片， 實現(xiàn)邊壓延邊校正曲率，缺點是單塊瓣片的成型用時長，容易造成瓣片表面冷作硬化，成形效率和成形精度受操作人員的技能水平影響較大。

美國項目底封頭第三圈板的長度較長，超過單張板的軋制要求，在車間內(nèi)需要由兩塊鋼板進行拼焊。若拼焊后再成型，則需要增加一次焊縫NDE檢測工序；若成型后再拼焊，則增加組焊精度控制難度。

圖3 浙江三門底封頭組裝示意圖

圖4 美國項目底封頭及其組裝支架照片

4 底封頭組焊接工藝的差異

4.1 我國項目介紹

鋼制安全殼底封頭組裝過程中，采用從下往上、從內(nèi)向外的組裝方式，以底封頭內(nèi)表面的中心為基準，逐步向上組裝，通過調(diào)整第4圈瓣片上口預(yù)留的100mm余量控制整個底封頭的最終高度與上口水平度。待64塊瓣片全部拼裝、調(diào)整完畢后，再進行底封頭的整體焊接。現(xiàn)場的焊接采用半自動手工電弧焊。

為了便于底封頭組裝焊接過程中瓣片位置與形狀偏差的調(diào)整，設(shè)計制造了一個“鳥巢型”的底封頭組裝調(diào)整支架，如圖3所示。底封頭組裝支架是一個圓環(huán)形的結(jié)構(gòu)件，它由4圈支架連接成一個整體，每圈支架分別針對一圈封頭瓣片的組裝，在每圈中又相應(yīng)的由多個框架組成，每個框架可以單獨的支撐一塊封頭瓣片。在每個框架的頂端分別設(shè)置4 ～6個可調(diào)支撐，用于支撐和調(diào)整封頭瓣片的位置與形狀。可調(diào)支撐采用球形交接接頭與底封頭外表面接觸連接。

我國建造的浙江三門和山東海陽AP1000項目為濱海廠址，且浙江三門雨季較長，為減少雨雪天氣對底封頭組裝焊接工作的制約，建造了封頭組裝廠房。組裝廠房配備橋式起重機一臺，便于組裝過程中瓣片的搬運。

4.2 美國項目介紹

美國項目底封頭采用從上往下、從外向內(nèi)的組裝方式，以底封頭上口為基準進行組裝，組裝一圈焊接一圈，通過調(diào)整最內(nèi)圈2塊瓣片的尺寸控制整個底封頭的形狀。

在底封頭瓣片整體組裝前，將16個臨時短柱與第三圈16塊瓣片分別組焊在一起，利用安裝在組裝地面上的16個立柱分別與焊有臨時短柱的16塊瓣片連接。待其中相近的2塊瓣片組裝完畢后，用組裝調(diào)整卡具將中間的1塊瓣片連接到一起，依次實現(xiàn)支撐整個第一圈瓣片。第二圈瓣片的上端通過調(diào)整卡具直接連接到第一圈瓣片的下端，其下端直接支撐在運輸支撐環(huán)上部結(jié)構(gòu)上。第一圈2塊瓣片外圍通過調(diào)整卡具與組裝好的第二圈瓣片的下端連接固定，直接用調(diào)整卡具連接。

底封頭焊接采用自動焊為主，半自動焊或手工焊為輔，組裝一圈焊接一圈，其中第三圈板組對一塊板即焊接一塊板的縱焊縫。

美國項目的底封頭在室外組裝，所有瓣片的吊運均采用汽車吊。底封頭的組裝工裝由第三圈的16個支撐立柱和第二圈運輸支撐環(huán)兩部分組成。運輸支撐環(huán)為一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，由中間的圓形環(huán)梁，下部支撐柱和上部結(jié)構(gòu)組成，其上部結(jié)構(gòu)的頂端為一個環(huán)形的圓管，第二圈瓣片通過線接觸支撐在圓管上，如圖4所示。

5 底封頭運輸、吊裝方式的差異

國內(nèi)項目的底封頭組裝支架僅適用組裝、焊接，另行制造專用的運輸支架。底封頭運輸時，需要預(yù)先拆除四個運輸車輛處的組裝支架，然后用專用運輸支架和運輸車輛，將底封頭整個頂升，再拆除其他的所有支架，實現(xiàn)底封頭的運輸。國內(nèi)項目底封頭采用均布8個吊耳進行吊裝，主吊耳設(shè)置在焊接于第4圈板上端定位環(huán)的上表面。定位環(huán)為一個圓環(huán)形的加強環(huán)，其寬度為500mm～600mm，厚度為42mm，其作用一是控制第4圈板焊接過程中的變形，一是加強底封頭吊裝時上端開口處的剛度。主吊耳通過8根可調(diào)拉桿，垂直連接一個直徑為40m的環(huán)形大吊梁，然后再通過吊索具與分配器、大吊車連接。國內(nèi)項目吊裝示意如圖5所示。

美國項目的底封頭組裝支架可以直接將第二圈板的組裝環(huán)梁作為運輸平臺，運輸車輛將其頂升后，拆除外圍的16個支撐立柱即可實現(xiàn)底封頭的運輸。美國項目的底封頭在第三圈板靠近單板下端中心處的內(nèi)表面均勻布置32個主吊耳，采用32根吊索具直接連接分配器、大吊車吊鉤進行吊裝，如圖6所示。

圖5 國內(nèi)底封頭吊裝示意圖

圖6 美國項目底封頭吊裝示意圖

結(jié)論

通過上述各方面的對比分析可知：

（1）兩種底封頭瓣片成型方式各有優(yōu)缺點，重點是需與制造單位的實際情況相結(jié)合進行選擇。

（2）美國項目的底封頭臨時支撐立柱布置在瓣片的中間，利于用臨時支撐立柱作為底封頭組裝主支撐，組焊順序采用從上往下組裝焊接較適宜。

（3）美國項目采用自動焊，焊接效率較高，降低了對焊接操作工人技能水平的依賴；但其組焊順序增加了焊接變形控制要求。國內(nèi)項目采用整體拼裝完后再進行焊接，方便調(diào)整整體形狀偏差；但全部采用半自動手工焊，焊接效率較低，焊接質(zhì)量受人員的具體操作技能水平影響較大。例如在浙江三門1號機組底封頭組焊所有25份NCR中，原因為“不適合的人員操作或技能”的比例高達60%。采用高效率的自動焊技術(shù)，是后續(xù)鋼制安全殼制造的必然發(fā)展方向。

（4）國內(nèi)項目底封頭組裝、運輸支架復(fù)雜，運輸時支架拆除和后續(xù)機組的重復(fù)使用復(fù)位繁瑣，但易于調(diào)整控制底封頭的組焊成型精度。美國項目底封頭組裝、運輸工裝簡潔，運輸方便，但底封頭組焊成型精度控制難度相比較高。

（5）國內(nèi)項目底封頭吊裝僅承受垂直方向的載荷，第四圈板上口預(yù)留了100mm的余量，吊裝就位后吊耳的拆除方便；但整套吊索具制造成本大，吊索具載荷試驗繁瑣。美國項目吊裝方式免除40m直徑的大吊梁和定位環(huán)，成本低，但在直徑小于4m分配器上設(shè)置32個主吊耳，分配器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

（6）國內(nèi)項目建設(shè)組裝廠房，成本相對較高，但符合項目所在地多雨雪的氣候需要，可以避免雨雪天對工期的制約。

經(jīng)國內(nèi)4個AP1000核電項目的工程驗證，我國AP1000鋼制安全殼底封頭制造、組裝、焊接、運輸和吊裝過程中的全套工藝及其工裝，能夠確保直徑近40m的橢圓形底封頭最終形狀偏差向內(nèi)向外不超過一個壁厚（41.3mm）的設(shè)計要求。從上對比可知，國內(nèi)項目重點在變形控制方面具有優(yōu)勢；但在底封頭組裝工裝、自動焊實施和吊裝工藝等方面具有較大改進空間，應(yīng)在后續(xù)AP/CAP系列鋼制安全殼底封頭的制造和組裝過程中作為重點進行改進。

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