AP1000設(shè)備閘門貫穿筒體與插板關(guān)鍵制造工藝研究

王先中

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

設(shè)備閘門是核島設(shè)備進(jìn)出安全殼的唯一通道，也是操作人員進(jìn)出的輔助通道，擔(dān)負(fù)著核電站第3道核安全屏障的重要功能，必須有非常高的安全性和可靠性，確保設(shè)備與人員安全。AP1000非能動(dòng)核電堆型屬于第3代核電技術(shù)，核島安全殼安裝2個(gè)相同的設(shè)備閘門，稱為上部設(shè)備閘門和下部設(shè)備閘門，標(biāo)高分別為41.22 和32.66 m處。AP1000設(shè)備閘門設(shè)計(jì)壽命為60年，設(shè)計(jì)溫度為149 ℃，設(shè)計(jì)內(nèi)壓為0.407 MPa。其主要零部件包括頂蓋封頭、頂蓋法蘭、貫穿筒體、插板(見圖1)、吊耳、轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸和CV內(nèi)部臨時(shí)橋架，附件有滾輪組件、導(dǎo)軌、掛鉤、操作平臺(tái)和Ο型密封圈。頂蓋封頭、頂蓋法蘭、貫穿筒體和插板為承壓件，材料牌號(hào)為ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的SA783Gr. B。AP1000設(shè)備閘門主要部件結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：貫穿筒體內(nèi)徑為4 877 mm，壁厚為102 mm；插板外徑為7 010 mm，厚度為102 mm，曲率半徑為19 783 mm。AP1000設(shè)備閘門出廠前需要進(jìn)行密封性能試驗(yàn)、翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)和閉合試驗(yàn)等重要功能試驗(yàn)。AP1000設(shè)備閘門與成熟的CPR1000機(jī)型比較，因兩者遵循的標(biāo)準(zhǔn)體系和堆型不同，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及技術(shù)性能上存在較大差異，且國(guó)內(nèi)首次制造，關(guān)鍵部件尚缺乏可借鑒的成熟制造工藝技術(shù)。

圖1 插板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1 貫穿筒體與插板的制造工藝技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1 幾何公差控制

貫穿筒體與插板制造的幾何公差控制難度大，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

1)分體成形。貫穿筒體和插板外形尺寸大、壁厚厚，采用整體鍛件制造非常不經(jīng)濟(jì)，制造廠采用分體成形方式，即將102 mm的厚壁鋼板分體壓制成形再組裝焊接，但采用焊接工藝方案存在焊接變形和焊后校形的技術(shù)難點(diǎn)。

2)焊接變形。因貫穿筒體和插板為厚壁零件，焊接要求為全焊透結(jié)構(gòu)，焊接量大，焊接易產(chǎn)生焊接變形和焊接殘余應(yīng)力。不同的焊接區(qū)域經(jīng)受不同的溫度場(chǎng)變化，內(nèi)應(yīng)力不均勻,殘余變形不一致[1]，焊接變形對(duì)零部件尺寸的影響不可預(yù)測(cè)。

3)焊后校形。貫穿筒體和插板焊接后校形困難。對(duì)于一般圓筒形零件而言，焊接后校形是有效消除焊接變形的手段之一。但貫穿筒體和插板及兩者的組焊件為大尺寸的零部件，要消除這樣大直徑厚壁零部件的焊后變形，校形時(shí)難以在水壓機(jī)上尋找校正基準(zhǔn)和支承面，給焊接后校正帶來(lái)很大困難；同時(shí)設(shè)備閘門有較高的表面外觀質(zhì)量要求，過(guò)度地校正易造成裂紋和表面凹坑劃痕等質(zhì)量缺陷，校形方法不當(dāng)又產(chǎn)生新的變形，可能產(chǎn)生零部件報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 焊接質(zhì)量控制

貫穿筒體與插板制造焊接質(zhì)量，控制難度大，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

1)設(shè)計(jì)要求。AP1000設(shè)備閘門屬于抗震I類，核安全2級(jí)的設(shè)備，出廠前需要進(jìn)行密封性能試驗(yàn)、翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)和閉合試驗(yàn)等重要的功能試驗(yàn)，其密封性能試驗(yàn)要求在455 kPa試驗(yàn)壓力下設(shè)備閘門的泄漏率≤0.1 lsm(0.027 gpm)。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：貫穿筒體內(nèi)徑公差為(4 877±6) mm，筒體橢圓度為12 mm；插板外徑公差為(7 010±2) mm，曲率半徑公差為(19 783±20) mm。從設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)可知，貫穿筒體和插板尺寸公差控制非常嚴(yán)格，為了確保設(shè)備閘門安全功能的實(shí)現(xiàn)，滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)安全殼高精度要求，工程制造實(shí)現(xiàn)難度大。

2)焊接方法。由于貫穿筒體為圓筒形，插板為環(huán)狀的弓形，兩者組裝形成的相貫線構(gòu)成了復(fù)雜的空間曲面，采用自動(dòng)焊面臨的技術(shù)難度大，需要解決諸多技術(shù)難點(diǎn)，例如焊接工裝、焊接順序、焊槍軌跡、焊接電流、焊接電壓、收弧時(shí)間、焊接速度和焊絲距邊量等，綜合制造廠制造能力考慮，選擇手工焊接能避免上述不利因素。但選擇手工焊接存在不利于焊接質(zhì)量控制的風(fēng)險(xiǎn)因素，例如，焊接持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，參與人員多，導(dǎo)致焊接過(guò)程中人為因素影響多，受焊工技能水平等影響較大；厚壁大坡口焊接存在清渣困難及不徹底；監(jiān)督檢查松懈時(shí)，疊加人因失誤易產(chǎn)生夾渣、氣孔等焊接缺陷；操作過(guò)程中任何因素的變化、參數(shù)的波動(dòng)都可能引起電弧不穩(wěn)定，造成焊縫缺陷的產(chǎn)生。

2 關(guān)鍵工藝難點(diǎn)的解決方案

關(guān)鍵工藝難點(diǎn)的解決方案如下。

1)采用整體成形，以增加剛度，防止變形。因上、下部設(shè)備閘門的貫穿筒體和頂蓋法蘭的內(nèi)徑、壁厚和材質(zhì)完全相同，充分利用設(shè)備閘門結(jié)構(gòu)的這一特點(diǎn)，將上下貫穿筒體和頂蓋法蘭共4件，化零為整，采用整張鋼板下料、整體卷制成形、縱縫整體焊接的制造工藝(見圖2和圖3)，這樣不僅大大增加了卷制成形的剛度，也解決了相同規(guī)格的零件實(shí)物尺寸一致性的問(wèn)題。

圖2 整體成形

圖3 整體組裝

2)縱縫預(yù)留焊接收縮量。按貫穿筒體中徑(4 877 mm+102 mm)展開，長(zhǎng)度達(dá)15 634 mm，受鋼板長(zhǎng)度采購(gòu)尺寸的制約，必須采用2張鋼板卷制成半圓形筒體，但需要焊接2條縱縫，這樣不可避免地要在圓周方向產(chǎn)生較大的橫向收縮。為了補(bǔ)償焊接收縮量對(duì)筒體直徑和周長(zhǎng)的影響，筒體周向下料尺寸(理論7 817 mm)應(yīng)預(yù)留合適的焊接收縮量，焊接收縮量過(guò)大、過(guò)小，都會(huì)導(dǎo)致筒體直徑和周長(zhǎng)不符合零件公差尺寸要求?？紤]筒體壁厚和焊接方法對(duì)焊接收縮的影響因素，結(jié)合筒體直徑和周長(zhǎng)公差進(jìn)行分析，并經(jīng)過(guò)多次工藝驗(yàn)證，每邊預(yù)留焊縫收縮余量1.5 mm(見圖4)，能有效避免焊接收縮量對(duì)筒體尺寸的影響。

圖4 預(yù)留焊接收縮量

3)縱縫采用立式焊接工藝，減小棱角度。臥式卷焊的筒體圓度e是卷制變形的圓度Q和自重變形的圓度(簡(jiǎn)稱自重圓度)G共同造成的。因自重彎曲應(yīng)力的作用，會(huì)增大縱縫的棱角度，當(dāng)筒體的圓度相當(dāng)大時(shí)，縱縫施焊后, 會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的縱縫棱角度，勢(shì)必增加校正的難度，容易對(duì)其環(huán)縫的錯(cuò)邊量、棱角度和筒體的不直度等造成不良的影響[2]；因此，應(yīng)減少筒體自重對(duì)筒體圓度帶來(lái)的影響和組對(duì)縱縫的難度。經(jīng)過(guò)多次工藝優(yōu)化，筒體的縱縫焊接采用雙面焊接和根部清根的立焊工藝，焊接位置為上立焊(代號(hào)為PF)焊接(見圖5)。

圖5 立式焊接

4)采取可靠的反變形工藝?？刂坪头乐关灤┩搀w與插板的焊接變形是預(yù)防設(shè)備閘門焊接質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，保證產(chǎn)品最終質(zhì)量的關(guān)鍵措施。將上、下設(shè)備閘門相同規(guī)格尺寸的貫穿筒體與插板反向?qū)ΨQ組對(duì)，上下2條環(huán)向焊縫同時(shí)進(jìn)行焊接，焊接完成后整體進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理；再將上下貫穿筒體從中部切開(見圖6)，形成2個(gè)貫穿筒體與插板的組焊件。利用工件的對(duì)稱性，采用了反變形焊接工藝，有效地防止了焊接變形。

圖6 采用反變形工藝和拉筋

5)采用臨時(shí)拉筋增加剛性固定。因插板為圓環(huán)狀，與貫穿筒體焊接時(shí)，插板易產(chǎn)生角變形和波浪變形。過(guò)大的角變形和波浪變形會(huì)導(dǎo)致插板外緣尺寸和曲率半徑R超過(guò)尺寸公差要求。為了有效預(yù)防角變形和波浪變形的產(chǎn)生，采取了剛性固定的方法，插板與貫穿筒體組對(duì)定位后，在上下2個(gè)插板的外邊緣焊接若干臨時(shí)拉筋(見圖6)，從而強(qiáng)制地將上下插板和貫穿筒體進(jìn)行了剛性固定，同時(shí)應(yīng)保證拉筋有足夠的數(shù)量、支撐面積、強(qiáng)度與剛度，有效地對(duì)焊接變形產(chǎn)生拘束作用。

6)采用對(duì)稱施焊法。 針對(duì)貫穿筒體和插板的焊接工藝分析，為厚板周向環(huán)狀焊接，采用成熟的變形和反變形原理——對(duì)稱施焊法，將整個(gè)環(huán)形焊道分為4個(gè)等長(zhǎng)部分，在四周對(duì)稱的位置同時(shí)沿相同方向施焊，整條焊縫均勻受熱，減少貫穿筒體和插板焊接變形。對(duì)稱施焊法如圖7所示，貫穿筒體與插板組焊坡口如圖8所示。

圖7 對(duì)稱施焊法

圖8 貫穿筒體與插板組焊坡口

7)優(yōu)化坡口結(jié)構(gòu)，減少插板與貫穿筒體焊接量。焊接零件之間的接頭間隙越大，焊接時(shí)填充的焊縫金屬越多，焊接停留時(shí)間就越長(zhǎng)，在焊接處的焊接熱積累就越大，焊接產(chǎn)生的熱變形相應(yīng)就大，因此，坡口設(shè)計(jì)時(shí)，在保證焊接性和工藝性的情況下，應(yīng)盡可能減小坡口間隙；但是坡口間隙太小，所帶來(lái)的焊接過(guò)程中清渣和焊接操作難度也相應(yīng)增加。通過(guò)工藝實(shí)踐研究可知，對(duì)于102 mm厚的貫穿筒體和插板焊接件，不采用單V形坡口，而采用K形雙面坡口，雙面焊接，具有如下優(yōu)點(diǎn)：a.坡口形狀簡(jiǎn)單，容易加工，加工量減少；b.減少焊接填充量，通過(guò)對(duì)坡口截面積的計(jì)算可知，K形坡口比單V形坡口焊縫金屬減少15%，焊接更經(jīng)濟(jì)；c.便于焊工操作和清渣；d.焊后應(yīng)力和變形小，如果坡口角度大，致使焊接熱輸入大，工件易變形；e.避免焊接缺陷，如果鈍邊過(guò)高，不能完全熔透，殘留的鈍邊極易形成缺陷源。

8)選擇最佳的焊接參數(shù)。 貫穿筒體與插板焊接件的焊接接頭長(zhǎng)約為16 m，焊接工作量大，施焊難度大，應(yīng)選擇合理穩(wěn)定的焊接參數(shù)。正式施焊前，應(yīng)按照ASME PBVC-IX-2001+2002補(bǔ)遺的規(guī)定進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，評(píng)定合格后，再制作焊接工藝模擬試驗(yàn)件。經(jīng)驗(yàn)證后確定的焊接參數(shù)如下。

a.因焊接件板厚為102 mm，已超過(guò)ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小免預(yù)熱厚度，為了防止冷裂紋產(chǎn)生，焊接前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，工藝評(píng)定的最低預(yù)熱溫度為122 ℃；同時(shí)為了防止熱裂紋產(chǎn)生，應(yīng)控制最高層間溫度，在整個(gè)焊接過(guò)程中不得超過(guò)200 ℃；焊后應(yīng)進(jìn)行后熱處理(消氫熱處理)，后熱溫度為200～400 ℃，保溫至少1 h。

b.為了提高焊接效率，減少熱輸入，焊接采用手工熔化極氣體保護(hù)焊(GMAM)，保護(hù)氣體要求：CO2+Ar(20%+80%)流量20～25 L/min；焊接材料牌號(hào)為ER90S-G，規(guī)格為φ1.2 mm。

c.因是雙面焊接，為防止根部燒穿，傷擊貫穿筒體母材，應(yīng)控制點(diǎn)焊和首層焊接參數(shù)，焊接電流為140～180 A，焊接電壓為18～30 V，焊接速度為15～30 cm/min，焊接方位為平焊位(代號(hào)為PA)；其他層和蓋面層焊接，為了保證一定的施焊速度，焊接電流為140～290 A，焊接電壓為22～33 V，焊接速度為15～30 cm/min為宜，焊接方位為平焊位(代號(hào)為PA)。

9)焊縫質(zhì)量的檢測(cè)。貫穿筒體的對(duì)接縱縫以及貫穿筒體與插板的角焊縫，焊縫焊接完成后，應(yīng)進(jìn)行外觀檢查及焊接件的尺寸檢查，以保證焊接件的變形不能超過(guò)圖樣規(guī)定的公差尺寸。焊縫外觀合格后，對(duì)接焊縫進(jìn)行MT表面檢測(cè)、X射線體積檢測(cè)和真空檢漏檢查；角焊縫進(jìn)行MT表面檢測(cè)、UT體積檢測(cè)和真空檢漏檢查。

10)貫穿筒體和插板質(zhì)量監(jiān)督重點(diǎn)。貫穿筒體和插板質(zhì)量監(jiān)督重點(diǎn)包括成形工藝過(guò)程和焊接工藝過(guò)程質(zhì)量控制。

a.成形工藝過(guò)程質(zhì)量控制。貫穿筒體和插板為鋼板的壓制件，在壓制過(guò)程中產(chǎn)生了變形，應(yīng)按照ASME NE-4213.2進(jìn)行鋼板成形工藝評(píng)定試驗(yàn)。成形檢查內(nèi)容包括下料尺寸工藝留量、成形后外觀及尺寸檢查、標(biāo)記移值和恢復(fù)性能熱處理，見證件同爐熱處理和焊后熱處理的性能試驗(yàn)。對(duì)于關(guān)鍵工序，在質(zhì)量計(jì)劃中設(shè)置見證點(diǎn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督，及時(shí)審查記錄文件。

b.焊接工藝過(guò)程質(zhì)量控制。因貫穿筒體和插板的焊接工作量大，焊接持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，考慮到焊接件焊縫厚度>102 mm，熔敷金屬內(nèi)部的體積缺陷可能埋藏在焊接接頭最深處，導(dǎo)致焊縫返修時(shí)缺陷清除難度大；因此，應(yīng)盡量避免和減少超標(biāo)缺陷導(dǎo)致的焊接返修，實(shí)施焊前、焊中和焊后的質(zhì)量控制和監(jiān)督。焊前檢查包括焊接工藝評(píng)定的覆蓋性、現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝規(guī)程或焊接數(shù)據(jù)單的有效性以及適用于產(chǎn)品焊縫的焊接；核實(shí)焊工或焊接操作工的資質(zhì)范圍覆蓋焊接操作并在有效期內(nèi)；核實(shí)電流表、電壓表(半自動(dòng)焊)、氣體流量計(jì)、焊接速度儀表和測(cè)溫儀的校準(zhǔn)；現(xiàn)場(chǎng)使用的焊接材料需要復(fù)驗(yàn)合格，焊材的商標(biāo)號(hào)、牌號(hào)和規(guī)格應(yīng)與WPS要求一致，焊接件的組對(duì)坡口尺寸符合圖樣。焊中檢查包括預(yù)熱溫度及預(yù)熱范圍、焊接電流、電壓、焊接速度、層間溫度、保護(hù)氣體的流量、清根部位應(yīng)徹底清除根部焊道并輔助磁粉檢查；同時(shí)，焊接過(guò)程中隨時(shí)不定期抽查焊道的成形外觀質(zhì)量及清渣是否徹底。焊后檢查包括焊縫的外觀質(zhì)量、后熱處理及消除應(yīng)力熱處理，無(wú)損檢測(cè)包括焊縫表面檢測(cè)和體積檢測(cè)的規(guī)范性，檢查所有記錄報(bào)告的真實(shí)性及完整性。另外，對(duì)于焊接見證件，應(yīng)檢查試樣來(lái)源、試樣數(shù)量、試件焊接與產(chǎn)品的一致性，并保證焊接見證件具有代表性，及時(shí)跟蹤見證件性能試驗(yàn)。對(duì)于關(guān)鍵工序，如開工授權(quán)、焊接、焊后熱處理、焊縫無(wú)損檢測(cè)、文件記錄審查應(yīng)設(shè)置見證點(diǎn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督，及時(shí)審查記錄文件。

3 實(shí)際產(chǎn)品的生產(chǎn)驗(yàn)證

按照上述工藝制造的貫穿筒體和插板焊接件，在嚴(yán)格進(jìn)行過(guò)程檢查和質(zhì)量監(jiān)督的情況下，先后對(duì)3個(gè)項(xiàng)目核電機(jī)組共計(jì)6臺(tái)設(shè)備閘門的貫穿筒體內(nèi)徑、貫穿筒體橢圓度、插板曲率、插板外徑的單個(gè)零件尺寸(組裝焊接前)和部件尺寸(組裝焊接后)，選取多個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量、采集并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。從表1可以看出，貫穿筒體與插板焊接件的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)符合設(shè)計(jì)圖樣公差要求，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

表1 3個(gè)項(xiàng)目核電機(jī)組共計(jì)6臺(tái)設(shè)備閘門尺寸參數(shù) (mm)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)AP1000設(shè)備閘門貫穿筒體與插板制造工藝的研究，結(jié)合焊接及變形基本理論，分析關(guān)鍵部件的制造工藝難點(diǎn)，總結(jié)出一套預(yù)留焊接收縮量法、剛性固定法、對(duì)稱施焊法和反變形法等切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)有效的制造方法及工藝方案，并成功應(yīng)用于陸豐1號(hào)、三門1號(hào)和海陽(yáng)1號(hào)等3臺(tái)AP1000核電機(jī)組設(shè)備閘門的制造，經(jīng)檢驗(yàn)，質(zhì)量完全滿足標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和設(shè)計(jì)文件要求。

AP1000關(guān)鍵部件焊接及變形控制制造工藝的成功研究，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的空白，為AP1000設(shè)備閘門制造國(guó)產(chǎn)化實(shí)施了新技術(shù)儲(chǔ)備，并為后續(xù)類似的設(shè)備閘門及同類設(shè)備提供了工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。