核電MSR殼體的防變形工裝存在問題及改進措施

宗 倩，冀潤景，李進江

（中國電能成套設備有限公司，北京100080）

核電MSR殼體的防變形工裝存在問題及改進措施

宗 倩，冀潤景，李進江

（中國電能成套設備有限公司，北京100080）

分析了核電MSR殼體變形的原因，改進了防變形工藝措施。在殼體上采用防變形輔助工裝，并優化了工裝的焊接方案。對殼體母材的裂紋缺陷進行了原因排查和分析，采取了一系列針對性改進措施，取得了良好的效果，為同類核電設備的制造方案提供借鑒。

核電；常規島；汽水分離器；再熱器；殼體；防變形；方案；改進

0　概述

隨著我國能源結構的不斷優化，以及“一帶一路”戰略的不斷推進，建設核電機組或核電設備輸出將成為趨勢。汽水分離再熱器（簡稱MSR）是核電站常規島系統中的重要設備，起著對汽輪機高排蒸汽除濕、再熱、提高蒸汽過熱度、保護低壓缸葉片、避免通流效率降低的作用。大功率核電機組的臥式MSR由殼體、分離器及兩級再熱器組成，且為一體化結構設計［1］。由于MSR筒體的體積大、內件多，裝配精度要求高，在制造過程中，如果殼體發生變形，將直接影響內件裝配和工地安裝，變形嚴重時，將無法進行矯正，有可能成為不合格品。

在制造環節中，為避免殼體變形，采取了一系列防變形措施。若防變形措施使用不當，不僅起不到應有作用，反而會影響產品制造質量。現以某大功率核電機組MSR的制造為例，對防變形工裝焊接部位出現裂紋缺陷的成因進行了分析，找出了防變形工裝在裝焊中存在的問題，提出了解決方案以及改進措施。通過工程實踐，證明改進后的工藝方案是科學合理的。

1　核電MSR的殼體結構及特點

某型MSR依據ASME規范進行設計，殼體結構及布置，如圖1所示。殼體和封頭材質選用碳鋼SA—516Gr.70，殼體的設計壓力為1.15 MPa，設計溫度為316℃。殼體外徑為4 264 mm，臥式筒體由11段筒節組焊而成，筒體長度為25 m，壁厚為32 mm，屬于薄壁大直徑筒體。封頭采用蝶形沖壓封頭。MSR殼體筒身上布置了數量較多的大直徑接管，如循環蒸汽進、出口接管、殼側疏水出口接管、安全閥接管等。在殼體上還分布了加強板、墊板等數量較多的構件。在筒體內壁與濕蒸汽接觸的部位均襯有不銹鋼板。汽水分離再熱器的循環蒸汽進汽口接管，布置在殼體的底部，出汽口布置在殼體上部。進口及出口接管各有三路［1］。在筒體外殼上共有4個支座，其中1個為固定支座，3個滑動支座，以滿足殼體熱膨脹的需要。

圖1　某大功率核電MSR結構圖

2　引起殼體變形的因素及工藝措施

在制造過程中，如果壓力容器的幾何尺寸與圖樣要求不一致，或者超出制造標準中的要求，在制造或裝配時就易出現變形。產生變形的原因可分三類：應力引發變形、加工誤差引發變形以及設計缺陷引起的變形。三類變形的原因樹，如圖2所示。為防止殼體變形，可分別采用主動性或被動性措施。主動性措施包括通過優化工藝，減小加工或焊接過程的應力變形；被動性措施則包括采用防變形工裝，增加工件剛度以控制變形。

圖2　殼體制造變形原因樹

2.1 MSR殼體制造的特點

（1）MSR筒體屬于薄壁大直徑筒體，在焊接過程中，易產生焊接變形。（2）MSR殼體上的焊接接管，直徑大于800 mm有8個，直徑在100～800 mm 有14個，焊接工作量較大。焊接接管前，采用單點火焰進行預熱，局部溫度的升降較快，易造成接管部位的焊接變形。（3）殼體內件的結構復雜，數量眾多，且焊接接頭的形式大部分為角向焊接，焊接工作量大，易導致焊接變形［2］。（4）MSR筒體的焊后熱處理，原采用兩段組焊筒體的分段熱處理，現改為焊后整體熱處理，這對防變形工裝的布置提出了更高要求，如支撐位置不合理或支撐強度不足，會引起熱處理后的殼體變形。

由殼體變形的原因分析可知，影響MSR殼體變形的因素，主要是焊接應力引發的變形。在殼體制造過程中，應采取相關措施，重點是減小焊接及熱處理過程中的殼體變形。

2.2 工藝上的防變形措施

（1）主動性措施，是對焊接方法進行選擇或優化焊接方案。在筒體焊接或筒體與接管焊接時，選擇實心焊絲，采用MAG焊接方法，保護氣體選擇80%Ar+20%CO2的混合氣體。這種焊接方法可實現快速焊接，相比較其他焊接方法，該焊接方法的焊接熱輸入量最小，對控制焊接變形極為有利。另外，由于焊接過程中沒有熔渣及粉塵的參與，有效地保證了焊接環境的清潔度，滿足了接觸介質的表面不允許殘留堿性物質的要求。在內件焊接時，綜合考慮了焊縫的表面成形和焊接變形等因素，根據內件的焊接位置及焊縫結構，選擇了實心焊絲及MAG焊接方式或TIG焊接方式［2］。

嵌入式接管與筒體的環向焊縫，是具有較大拘束度的焊接焊縫，采取了分段對稱焊的方式。對于直徑大于800 mm的接管焊縫，按圖3（a）所示，進行分段焊接。焊接順序為1，1'→2，2'→3，3'→4，4'，其中1，1'～4，4'分別由2名焊工同時進行焊接。對于直徑為500～800 mm的接管焊縫，按圖3（b）所示，進行分段焊接。焊接順序為1→2→3→4。對于兩側焊腳相等的雙面角焊縫，在焊接時，進行兩側的對稱焊接。焊接接頭的焊道排布，如圖4所示。焊接順序為1→1'→2→2'→3→3'。采用多層焊取代單層焊，每層選用較小的焊接熱輸入［2］。

圖3　接管焊接順序圖

圖4　角焊縫焊道排布

（2）被動性措施，是采用輔助工裝防止殼體變形。為防止筒體徑向的焊接變形，在筒節焊接時輔以撐圓工裝，在消應力熱處理后再進行拆除，并在接管端口處預留余量，如圖5所示。為防止在開孔及接管焊接過程中的筒身變形，需在熱處理前，在殼體外部裝焊多道防變形環形工裝。在大接管兩側，采用了防變形環與筒體外壁貼合+環向間斷焊的方式，防變形環與筒體間為剛性連接，如圖6所示。

圖5　殼體內部的防變形支撐環

圖6　殼體外部的防變形工裝

3　拆除防變形工裝后情況及缺陷成因

某型百萬核電機組的A編號MSR殼體，在完成焊接并進行整體熱處理后，拆除了筒體上的防變形工裝，并對原工裝間斷焊的位置進行MT檢測，共發現17處裂紋，缺陷深度在3～7 mm，已超出檢測標準的技術要求。盡管對此類缺陷的修復有著成熟的工藝和經驗，但殼體母材出現裂紋缺陷，是屬于較大質量問題。因此，必須對裂紋的產生原因進行分析，并需采取相關措施，避免裂紋的再次產生。

根據MSR殼體的制造工藝，針對所發生的問題，進行了原因分析和情況排查。

（1）經查閱相關施焊記錄，在防變形環施焊前，按焊接工藝要求進行了預熱。在以往MSR的殼體制造中，曾出現過拆除內部臨時支撐后，殼體母材產生了裂紋等問題，因此，對于工裝焊接、拆除等過程中采取的防護措施，相當重視，所以，由于防變形環焊接而引起母材裂紋的可能性不大。

（2）以往熱處理爐較小，殼體為分段熱處理，經熱處理爐的升級改造，現已改為整體熱處理，所以，很容易認為新的熱處理工藝存在問題，導致了裂紋的出現。然而，通過對已完成焊接，尚未進行熱處理B編號的MSR殼體進行檢查，在拆除部分防變形環后，同樣發現裂紋13處，因此，可以判斷裂紋是在熱處理之前就已產生。

（3）在防變形環的拆除過程中，曾采用氣刨拆除的方法，因氣刨量過大，傷及了母材，碳弧氣刨的急速加熱和冷卻，在刨削表面及附近區域產生了增碳、粘渣和熱影響區，引起母材組織和硬度變化，因此產生了缺陷。針對這些問題，規定在后續工裝拆除時，氣割或氣刨距產品表面的距離，至少留5 mm，然后再采用機械或砒磨的方法去除剩余部分，也不能采用導致產品表面材料撕裂的方法，去除臨時性附件（如錘擊等）。在A編號的MSR殼體防變形環拆除過程中，也是嚴格工藝要求執行的。因此，母材的裂紋缺陷，不可能是拆除工裝的不規范引起的。

通過原因分析和排查，可以判定裂紋產生于接管焊接過程中。制造廠對殼體進行應力分析發現，筒身開孔、接管及其弧形加強板的裝焊過程中，在殼體內部產生了較大焊接應力，防變形環的安裝位置與大接管的距離較近，因此，防變形環與筒體間焊縫承受很大的焊接變形拉力。同時，在焊接接管加強板時，受變形環阻擋，需在變形環的局部位置，切割1個豁口，該豁口又容易造成應力集中。受焊接應力的影響，防變形環與母材的焊接處被拉裂，使筒體母材產生了裂紋。經整體熱處理后，部分裂紋還發生擴展，這就是防變形環拆除后，母材出現裂紋并擴展的主要原因。另外，防變形環與筒體間每組焊縫的焊腳高度和焊角不夠，造成內部接管的支撐強度不夠，也是導致焊接過程中變形應力過大而產生裂縫的原因。

4　防變形工裝的改進及效果

通過分析發現，大接管焊后的應力較集中，同時，防變形環工裝的設計也不盡合理，導致母材區域熱應力集中而出現裂紋。盡管通過清缺補焊，對裂紋缺陷進行了處理，但有必要制定措施，避免后續機組的MSR的殼體制造再次出現母材裂紋。通過對殼體應力分布及裂紋分布情況進行分析，結合工藝經驗制定了相應的改進措施。

（1）改進大接管焊接預熱工裝。采用圓形噴嘴加熱工裝，如圖7所示。由單點火焰加熱改為多點火焰加熱，保證了接管焊接過程中對溫度的要求，避免了預熱溫度不均及溫度降低過快等問題。

圖7　圓形噴嘴加熱工裝

（2）對防變形環與殼體外壁的焊接方式進行優化。將原間斷焊接位置的焊縫進行加長和加厚，對接近接管部位的焊縫改為雙面焊。

（3）適當增加接管兩側防變形環之間距離，使防變形環避開接管加強板，避免防變形環局部需開豁口而導致應力集中。

（4）增加接管開孔支撐、內部米字支撐、防變形環之間加裝槽鋼，以加強支撐強度，如圖8所示。

圖8　MSR殼體部分工裝布置簡圖

通過對工裝方案的優化，在后續機組的MSR殼體制造過程中，再未出現此類傷及母材并出現裂紋等情況，使問題得到了解決。

5　結語

大功率核電機組MSR殼體屬于薄壁大尺寸筒體，在制造過程中，產生變形的主要因素，是焊接、熱處理等產生的應力變形。經優化焊接工藝，并設置了合理的防變形工裝。防止了因應力集中而引發的母材缺陷。

針對某大功率核電MSR制造過程中出現的問題，提出了相應的優化措施。可對其他核電設備或同類產品的制造，提供有益的參考。

［1］羅吉江.海陽核電汽水分離再熱器的技術特點［J］.電站輔機，2014，35（1）：1-5.

［2］馮勱.AP1000汽水分離再熱器焊接變形控制［J］.鍋爐制造，2014（4）：38-40.

Problems and Improvement Measures of Anti-deformation Fixture of Nuclear MSR Shell

ZONG Qian，JI Run-jing，LI Jin-jing
（China Power Complete Equipment Co.，Ltd.，Beijing 100080，China）

Influence factors of shell deformation of nuclear MSR have been analyzed，and anti-deformation measures have been improved.Anti-deformation auxiliary fixture have been adopted on the shell，and the welding plan of the fixture is optimized and improved.Causes of the shell base material crack have been investigated and analyzed；a series of improvement measures has been taken，which obtained good results，thus provides important reference for the manufacture of similar nuclear power projects.

nuclear power；conventional island；moisture separator；reheater；shell；anti-deformation；plan；improvement

TL353+.13

B

1672-0210（2016）01-0021-04

2015-11-13

宗倩（1982-），女，工程師，畢業于東華大學機械制造及其自動化專業，從事核電設備監造及技術方面的管理工作。