核電站鋼制安全殼大尺寸套筒組件制造工藝要點

摘 要：核電站鋼制安全殼套筒組件是重要的承壓部件，主要有套筒和插入板組成，大尺寸套筒組件的制造難點在于插入板的分片成形方式確定、插入板分片拼焊時尺寸精度控制、插入板與套筒的組焊定位等，文章分析了大尺寸插入板的分片形式；設計了一套插入板拼焊工裝來檢測控制成形精度；設置定位筋板快速準確實現插入板與套筒的組焊。在解決以上幾處工藝要點后，明確了大尺寸套筒組件的制造工藝流程。

關鍵詞：套筒；插入板；成形；組焊

引言

核電站鋼制安全殼套筒組件是核安全2級部件[1]，由套筒和插入板組成，大尺寸的套筒組件制造時，涉及下料切割、成形、焊接、熱處理、無損檢測、機加工等多道工序，制造難點再與插入板分片方式的確定、成形精度的檢測與控制、插板與套筒定位組焊方案的確定。文章對這幾處工藝要點進行了分析，并提供了解決方案，最終明確了套筒組件的制造工藝流程。

1 核電站鋼制安全殼套筒組件概述

鋼制安全殼（以下簡稱CV）是大曲率的圓筒，套筒組件是CV上的貫穿件，主要由插入板和套筒組成，其中插入板與CV筒體曲率一致，且插入板厚度大于CV筒體厚度。根據ASME BPVC-Ⅲ-1-NE-4622要求[2]，套筒組件應在組焊完成并經熱處理后，再與CV筒體組焊。

以圖1為例，大尺寸套筒組件的制造涉及下料切割、成形、焊接、熱處理、無損檢測、機加工等多道工序，成形要求高，控制焊接變形難度大，其制造工藝要點如下：（1）插入板分片方案的確定。插入板外形尺寸較大，出于成形設備加工能力限制、材料利用率等因素考慮，需要由幾張鋼板拼接而成。（2）插入板拼焊時成形曲率檢測與控制。出于成形設備加工能力的限制，應先分片成形，然后拼焊，此時需要設計拼焊工裝控制成形曲率。（3）套筒與插入板組焊時定位與變形控制。套筒與插入板組焊時需要準確定位，并且需要防止焊接變形。

2 插入板的幾種分片形式

以圖1為例，插入板的制造工藝流程如下：（1）壓制（或卷制）鋼板，要求內表面曲率R21440；（2）在成形好的鋼板上劃各拼焊板的切割線，并將各拼焊板切割下來；（3）制備各拼焊板的組焊坡口，坡口進行磁粉檢測；（4）各拼焊板組焊，檢測并控制插入板的成形曲率，此時應設計拼焊工裝；（5）各拼接板組焊過程中，焊縫根部磁粉檢測，焊接完成后進行射線檢測和磁粉檢測；（6）機加工插入板內圓焊接坡口，外圓坡口暫不加工；（7）清洗、入庫，準備與套筒組焊。

插入板拼接一般只允許在水平方向拼焊，即拼接焊縫為B類焊縫，分片方案需考慮如下因素：（1）插入板拼接焊縫應避開CV筒體環焊縫；（2）材料消耗與利用率：拼接板的數量越多，鋼板利用率越高消耗少，但是相應的焊接、無損檢測等工作量增加，焊材消耗量也會增加；（3）拼焊及無損檢測工作量：拼接板的數量越少，焊縫長度越短，相應的焊接、無損檢測等工作量越少，焊接變形也較好控制，但是鋼板利用率會較低消耗大；（4）焊接變形控制：拼接板的數量越多，焊接變形越難控制。

綜合分析，拼接板的數量少，材料利用率低消耗多，但是焊接及無損檢測工作量較少，焊接變形也較容易控制；拼接板的數量多，材料利用率高，但是焊接及無損檢測工作量較大，焊接變形也較難控制。

圖2、3分別給出了兩片拼焊、四片拼焊的分片方案，比較如下：（1）兩片拼焊，消耗鋼板17.7m3，兩條焊縫總長1020mm；（2）四片拼焊，消耗鋼板11.4m3，四條焊縫總長2548mm。

綜合考慮材料消耗與利用率、焊接及無損檢測工作量、焊接變形控制、加工效率等因素，在設備加工能力滿足的情況下，應首選兩片拼焊的分片方案。

3 插入板分片拼焊工裝的設計與應用

已經成形的插入板分片板在拼焊時，焊縫為全熔透形式，容易產生較大的焊接變形，需要在拼焊過程中檢測并控制成形曲率，設計的拼焊工裝見圖4，主要由內弧面支撐模具、外弧面支撐模具、加緊裝置、翻轉吊耳等組成，其結構特點和使用方法如下：（1）內弧面支撐模具用以支撐R21400內表面，外弧面支撐模具用以支撐R21510外表面，支撐弧面在整個模具組焊完成后通過機加工而成，標定合格后可以作為檢驗模具，見圖5；（2）插入板內外表面與支撐模具的貼合間隙，作為插入板成形質量的檢查依據；（3）內弧面支撐模具、外弧面支撐模具根據拼接焊縫的位置，設置了過焊孔，兩套模具可以單獨使用，也可以組合使用，組合使用時，兩套模具均與插入板夾緊，實現整體翻轉；（4）該套工裝也可用于插入板內外圓坡口的機加工，便于工件裝夾找正。

4 插入板與套筒的組焊定位

插入板與套筒組焊時，應滿足如下要求：（1）插入板弧面中心線與套筒軸線相交垂直。（2）確定插入板與套筒在套筒軸線方向的相對位置。

以上要求可通過設置定位筋板來解決，見圖6，詳細方案如下：（1）車平套筒一處端面，此端面作為插入板與套筒組裝的軸向基準面；（2）確定定位筋板位置，確定其形狀尺寸。筋板一邊是圓弧段，另一邊是直邊段，圓弧段與插入板曲率貼合，直邊段與套筒組件基準面齊平，筋板應避開插入板拼接焊縫；（3）插入板、套筒、定位筋板組焊，控制定位筋板直邊段與套筒基準面齊平，檢查筋板圓弧段與插入板曲面貼合間隙、套筒與插入板環縫組對間隙等；（4）各處尺寸檢查無誤后，將定位筋板與插入板、套筒點焊固定好，準備插入板與套筒的環縫組焊。（5）焊接過程中，如有需要，可以再設置防變形筋板，控制組件的變形。

5 套筒組件制造工藝流程

套筒組件制造工藝流程見圖7，對無損檢測時機及方法說明如下[3]：（1）套筒縱縫坡口、插入板拼接焊縫坡口，進行100%磁粉檢測；（2）插入板拼接焊縫、套筒縱縫在組件整體熱處理前，進行100%射線檢測，表面再經100%磁粉檢測；在組件整體熱處理后，表面再經100%磁粉檢測；（3）插入板與套筒環縫在組件整體熱

處理后進行100%超聲檢測，表面再經100%磁粉檢測；（4）定位筋板隨套筒組件參與整體熱

處理，熱處理完成后再拆除，拆除后，焊縫表面再經100%磁粉檢測。

6 結束語

大尺寸套筒組件制造時，插入板成形精度高，控制焊接變形難度大，文章提出了套筒組件的制造工藝要點及解決方案，即在分析明確插入板分片方式的基礎上，設計插入板拼焊成形工裝檢測并控制成形精度，并設置定位筋板快速準確的進行套筒與嵌板的組焊，最后明確了套筒組件的制造工藝流程，對壓力容器大尺寸貫穿件的制造有較大的應用價值。

參考文獻

[1]鄭東宏，劉乃軍，等.壓水堆承壓設備的核安全分級和質保要求[J].裝備制造技術，2013（3）：92-95.

[2]ASME BPVC-Ⅲ-1-NE-2007.MC級設備[S].

[3]GB 150-2011.壓力容器[S].

作者簡介：李方（1981-），男，遼寧大連人，學士，研究方向為機械制造及自動化。