“華龍一號”核反應堆圍板和成形板組件的安裝

□劉增瑞 □徐 杰 □辛正高

上海第一機床廠有限公司 技術部 上海 201308

1 研究背景

“華龍一號”是由我國自主研發設計、具有自主知識產權的第三代核反應堆。堆內構件是反應堆中最為關鍵的設備之一，安裝在反應堆壓力容器內，容納并支承堆芯，與反應堆壓力容器、控制棒驅動機構、燃料組件等設備組合在一起，實現反應堆功能。堆內構件由上部堆內構件、下部堆內構件、壓緊彈簧、U形嵌入件等組成，圍板和成形板組件是下部堆內構件的重要組成部件。圍板和成形板組件作為裝填反應堆燃料組件的腔體，起到了從圓柱形吊籃筒體向方形燃料組件過渡的作用，同時實現部分中子反射和輻照屏蔽的功能，是核反應堆燃料組件的第一道屏障[1]。由此可見，圍板和成形板組件的安裝質量事關整個堆內構件的質量，對核電站在壽期內的安全運行有極為重要的影響。

2 組件構成

如圖1所示，“華龍一號”堆內構件的圍板和成形板組件由圍板與8層成形板通過螺栓緊固成形，鎖緊桿與圍板進行焊接，以防止螺桿松動。圍板和成形板組件包含11種零件，具體為32塊成形板Ⅰ、32塊成形板Ⅱ、4塊圍板Ⅰ、4塊圍板Ⅱ、4塊圍板Ⅲ、8塊圍板Ⅳ、8塊圍板Ⅴ、4塊圍板Ⅵ、4塊圍板Ⅶ、960個M16螺栓和960個M16鎖緊桿。腔體外圓直徑為3 462.75 mm，內腔最大寬度為3 227 mm，高度為4 011.7 mm。

圖1 圍板和成形板組件

圍板和成形板組件通過576個M16螺栓將8層成形板與下部堆內構件吊籃筒體連接，其中2層成形板圓周各均布8個成形板定位銷，以對整個組件定位，如圖2所示。

圍板和成形板組件的這種安裝結構，使堆芯與吊籃筒體間不存在空隙，因此反應堆運行時冷卻劑不會繞過堆芯而旁路。此外，還能保證燃料組件邊緣與圍板間具有一定的水隙，并提供結構剛度。成形板上開設有若干流水孔，有一股旁通流量進入吊籃筒體與圍板之間，起到屏蔽輻射的作用，同時還能冷卻吊籃筒體的內壁和圍板。這部分流體自下而上流動，限制了豎直布置的圍板內外側壓力差，降低圍板連接處發生水平泄漏的可能性[2]。

3 裝配技術要點

圍板和成形板組件的裝配技術要點主要在于組件組裝后能滿足以下技術要求。

（1）堆腔圍板內表面與下堆芯板邊緣的燃料組件定位銷外沿距離最小值為10.75 mm。

（2）堆腔圍板內表面與上堆芯板邊緣的燃料組件定位銷外沿距離最小值為5.45 mm。

（3）所有圍板與下堆芯板上表面的垂直度不大于0.25 mm。

圖2 吊籃筒體與圍板和成形板組件裝配

（4）塞規檢查圍板間的豎直間隙，下面兩層成形板平均間隙不大于0.13 mm，最大間隙不大于0.25 mm；下面第二層成形板以上的平均間隙不大于0.13 mm，最大間隙不大于0.5 mm。

（5）所有圍板與成形板接觸良好，在不超過圍板寬度25%時，允許存在不超過0.07 mm的間隙。

4 組件安裝步驟

從工藝角度出發，為實現最終圍板和成形板組件在吊籃筒體上的安裝，并滿足裝配要求，可分為1/4圍板和成形板分組件安裝、圍板和成形板組件與吊籃筒體裝配兩部分進行。1/4圍板和成形板分組件有兩種形式，如圖3和圖4所示。圖3所示為1/4圍板和成形板分組件 1 裝配在 0°、90°、180°、270°位置，圖4所示為1/4圍板和成形板分組件2裝配在45°、135°、225°、315°位置。

圖3 1/4圍板和成形板分組件1裝配位置

圖4 1/4圍板和成形板分組件2裝配位置

4.1 1/4圍板和成形板分組件安裝工藝

1/4圍板和成形板分組件的安裝質量是圍板和成形板組件與吊籃筒體裝配質量的保障，關系到最終燃料組件腔體是否滿足尺寸要求，安裝精度越高，對核電現場的燃料裝填就越有利。考慮到圍板與成形板都屬于不銹鋼材質的長薄型零件，在裝配及轉運過程中極易發生變形，由此應在裝配過程中做好保護工作[3]。

在1/4圍板和成形板分組件安裝之前，首先應做好標識檢查記錄，檢查螺栓及成形板上螺紋部分是否有損壞或異物，以及各零件表面是否有劃痕或碰傷。如有缺陷，應按程序處理后才能進行安裝。在螺栓安裝固定前，所有螺紋和螺栓頭支承面均應涂潤滑劑。

根據1/4圍板和成形板分組件的結構特點及裝配尺寸要求，制訂如下裝配順序及要求。

（1）1/4圍板和成形板分組件1。將圍板Ⅰ放在等高墊上，用螺栓將成形板Ⅰ固定在圍板Ⅰ上，并將螺栓擰緊至規定力矩值。檢查圍板與成形板的接觸是否良好，要求在圍板寬度不超過25%時，間隙值不大于0.07 mm。注意螺栓頭部的外徑不得與沉孔內表面接觸，且成形板的安放順序需遵照吊籃筒體內8條成形板槽的內徑順序。

（2）1/4圍板和成形板分組件2。將8件成形板Ⅱ固定在1/4圍板和成形板裝配工裝上，安裝順序需遵照吊籃筒體內8條成形板槽的內徑順序。通過1/4圍板和成形板分組件裝配工裝兩端的調整螺栓，調整8塊成形板Ⅱ的軸向及周向位置，以確保各臺階面位于同一平面。再將圍板依次用螺栓固定在成形板上，組成1/4圍板和成形板分組件2。按照圖紙檢查各檔尺寸，檢查圍板與成形板的接觸是否良好，要求在圍板寬度不超過25%時，間隙值不大于0.07 mm。各圍板間的間隙在符合要求后，用螺栓擰緊至規定力矩值。注意螺栓頭部外徑不得與圍板沉孔內表面接觸。考慮到與成形板Ⅱ兩端面裝配的圍板需在最終組件與吊籃筒體裝配時配作，為滿足最終圍板間的間隙要求，成形板Ⅱ的兩端面應確保與裝配的圍板側面齊平。若與側面不齊平，應通過配磨成形板來調整平齊度，如圖5所示。

圖5 1/4圍板和成形板分組件2裝配

（3）1/4圍板和成形板分組件安裝后，應復查成形板間距、圍板間隙、圍板下端錯邊量、相鄰圍板垂直度、圍板與成形板接觸面間隙、螺栓力矩等，合格后需存放在專用工裝架上，防止變形。在裝配起吊單件圍板或成形板時，還必須注意起吊方式，起吊點至少應有兩個，避免零件彎曲變形。

4.2 圍板和成形板組件與吊籃筒體裝配工藝

1/4圍板和成形板分組件安裝完成，且檢查清洗合格后，進行圍板和成形板組件與吊籃筒體的裝配，裝配順序及技術要求如下。

（1）將吊籃筒體置于裝配臺位上，校正吊籃筒體至水平，要求下堆芯板支承環平面及吊籃法蘭平面水平度不大于0.02 mm/1 000 mm。

（2）將下堆芯板按角度裝入下堆芯板支承環上，并用臨時定位銷和臨時螺釘固定，臨時螺釘要求與產品螺釘制作要求一致。

（3）在下堆芯板上放置若干塊等高墊，等高墊高度為38.1 mm，與圍板和成形板組件底部至下堆芯板距離尺寸一致，將模擬燃料銷裝入下堆芯板燃料銷孔內。

（4）將1/4圍板和成形板分組件按角度依次吊入吊籃筒體，放置在等高墊上，并用支撐桿將各分組件臨時固定在筒體上，支撐桿至少分布6層，每層12根，支撐桿安裝位置如圖6所示。

圖6 支撐桿安裝位置

（5）用下部燃料銷檢查量規初步檢查圍板與成形板的位置，若不滿足要求，調整1/4圍板和成形板分組件至合格。

（6）在1/4圍板和成形板分組件上方采用工裝臨時固定上堆芯板至吊籃筒體上，調整上堆芯板上平面的水平度不大于0.03mm/1000mm。利用上、下堆芯板位于 0～180°，90～270°軸上，對距中心 1290.22mm的4個S孔進行對中，控制重合度不大于0.25 mm。滿足對中要求后，對上堆芯板限位固定。

（7）用上、下部燃料銷檢查量規檢查圍板與成形板的位置，并精調圍板和成形板組件的位置。

（8）待圍板開檔尺寸、圍板下端錯邊量、燃料銷與圍板位置檢查合格后，撐緊支撐桿，緊固1/4圍板和成形板分組件。

（9）將吊籃筒體移至專機，校正吊籃法蘭的水平度，通過吊籃法蘭位于 0°、90°、180°、270°處基準孔確認吊籃筒體基準軸線。

（10）在吊籃筒體外側劃線，并加工吊籃筒體與成形板連接的螺栓孔和定位銷孔。

（11）拆卸圍板和成形板分組件，鉗修毛刺，清洗并檢查。

（12）待吊籃筒體清洗并檢查合格后，放入裝配臺位，調整水平度不大于0.02 mm/1 000 mm。吊入各圍板和成形板分組件，用成形板定位銷定位，并用螺栓按規定力矩緊固在吊籃筒體上。

（13）關鍵圍板配裝后檢查圍板開檔、圍板下端錯邊量、圍板與下堆芯板垂直度、燃料銷與圍板位置，待合格后將圍板與成形板連接螺栓及吊籃筒體與成形板連接螺栓的力矩釋放至零，再按規定扭矩要求最終擰緊。

（14）在螺栓頭部凹槽安裝鎖緊桿，并進行焊接和檢查。

5 組件裝配難點

圍板和成形板組件屬于直徑長、高度大的大型組件，且材質為不銹鋼，易變形。為了最終組裝后能達到技術要求，在裝配過程中控制組件的變形，是裝配工藝的主要難點。此外，圍板和成形板組件的零件間使用大量螺栓進行連接，螺栓的連接質量及鎖緊桿的焊接質量，也是組件裝配質量能否達到技術要求的關鍵。

6 組件安裝過程控制要點

6.1 螺紋連接件裝配工藝

堆內構件在運行時失效，主要是由于受熱和中子輻射的時間效應、流致振動、運行瞬態熱疲勞、輻照促進應力腐蝕裂紋等因素對不銹鋼材料綜合作用的結果[4]。圍板和成形板組件的螺紋連接件是組件中潛在的失效可能性最大的部件，歷史上曾發生過多起螺紋連接件失效事故[5]，因此在安裝時需按照特定的要求進行，以降低失效發生的可能性。

圍板和成形板組件安裝需用兩類螺栓，圍板與成形板連接螺栓共960個，成形板與吊籃筒體連接螺栓共576個，數量占到了整個堆內構件螺栓總量的80%以上。裝配時為了保證螺栓擰緊力矩均衡，從而使零件間安裝表面貼合并不發生扭曲，螺紋連接件應使用力矩扳手，并按一定順序來擰緊。擰緊時不允許一次擰緊至規定力矩，應避免安裝時磕碰損傷零件，以及不當操作造成螺栓頭內六角部分損傷。每一個螺紋連接件應先預緊到規定力矩的30%，然后緊固至圖紙規定力矩。待全部螺紋連接件擰緊至規定力矩后，依次檢查每個螺紋連接件上的力矩，以便消除由于螺紋之間相互影響而產生的未擰緊或擰緊力矩不足[6]。

6.2 螺紋連接件防松工藝

由于堆內構件長期運行在流致振動環境中，在高頻振動的影響下，圍板與成形板間的連接螺栓，以及成形板與吊籃筒體間的連接螺栓容易松動失效，因此在螺栓頭部開槽處安裝鎖緊桿，并對鎖緊桿兩端與圍板沉孔進行焊接，以實現螺栓防松的目的。防松結構如圖7所示。

圖7 防松結構

由于螺栓與圍板為異種材料，且螺栓材料不適用于焊接，因此焊縫設置在圍板與鎖緊桿之間。安裝時，鎖緊桿應完全壓入螺栓頭部的凹槽內，在確認無誤后進行點焊。注意焊縫不得凸出圍板表面，且焊縫應飽滿并完全熔合，不得有氣孔、夾渣、裂紋、燒穿、焊瘤、未融合等缺陷[7]。

根據以往經驗，焊縫曾出現過以下問題：①焊縫延續到螺栓，對不應焊接的螺栓進行焊接；②焊縫有裂紋、凹點、焊瘤等問題。針對以上問題，“華龍一號”反應堆的鎖緊桿焊接前要求進行工藝驗證，并由專門接受過焊接技術培訓、技能熟練且有經驗的焊工進行施焊。焊接所用的設備、儀器和計量器具應處于正常、完好的工作狀態，并經有關部門定期檢驗、標定。焊接過程中，記錄實際工藝參數和各項檢驗結果，并形成報告。焊后對焊縫進行外觀及尺寸檢查，最終實現焊接全過程的質量控制[8-9]。

在實際生產過程中記錄鎖緊桿防松焊后的檢驗結果，作為焊接質量檢驗的參考。圖8所示為合格焊縫，焊縫飽滿且完全熔合，產品完全符合防松焊要求。圖9所示為不合格焊縫。

圖8 合格焊縫

圖9 不合格焊縫

6.3 1/4圍板和成形板分組件2裝配時配磨

1/4圍板和成形板分組件在裝配后，要求用塞規檢查圍板間的豎直間隙。1/4圍板和成形板分組件裝配時，成形板Ⅱ兩端處的圍板在最終裝配時配作，為避免最終組裝后間隙超差，可采取以下組裝工藝。

在分組件裝配時，對端面處圍板與成形板的平齊度進行配制。當兩端面不齊平時，通過配磨成形板來調整平齊度，控制成形板略高于圍板，高度差不大于0.07 mm。修磨后進行目檢、尺寸檢查、液體滲透檢查，通過配磨，可以消除組件后續裝配過程中產生的變形，達到最終的間隙要求。

在圍板和成形板組件裝配至吊籃筒體后，對成形板Ⅱ兩端處的圍板進行配作。測量待裝圍板位置處的圍板與成形板間隙，每個位置從上至下至少測量8點，根據間隙要求擬合出圍板的最佳厚度。留出圍板加工余量，裝配時再配磨圍板厚度，以達到圍板間的最終間隙要求。

6.4 支撐桿防變形

1/4圍板和成形板分組件吊入吊籃筒體進行螺栓孔配制時，通過支撐桿對分組件進行固定。因圍板Ⅰ寬度大，達1 100 mm，為充分固定防變形，每個圍板Ⅰ應安裝3根支撐桿，其余組件亦安裝3根支撐桿，并在軸向方向至少安裝6層。鑒于支撐桿與圍板和成形板組件的接觸通過尼龍塊隔離，為避免加工過程中支撐桿跌落對筒體造成傷害，各支撐桿應采用繩子綁定連接，并在筒體上方進行固定。

支撐桿固定后，在專機上對吊籃筒體與成形板的螺栓孔進行打孔。由于鉆頭從筒體外側往里鉆孔，使支撐桿受到壓力的作用，因此支撐桿支撐力不均及受壓均會產生變形。為防止變形，可先行對1/4圍板和成形板分組件鉆若干孔，優先考慮成形板定位銷相鄰對稱位置，并在攻絲后采用臨時螺栓進行緊固，可有效減小因支撐桿剛性不足而造成的組件變形。

6.5 組件最終裝配時螺栓擰緊順序

螺栓組的擰緊順序會使圍板和成形板組件產生一定變形，還會影響成形板與筒體的接觸面狀態。為控制變形，并使接觸面狀態達到最佳，螺栓擰緊時應從組件 45°、135°、225°、315°軸線之一開始擰，從左到右交替擰螺栓。待全部擰緊后，再松開圍板與成形板的連接螺栓，以及成形板與吊籃的連接螺栓力矩至零，然后再按規定力矩要求擰緊[10]。

7 結論

通過對圍板和成形板組件安裝工藝的研究，制訂出能滿足“華龍一號”核反應堆要求的圍板和成形板組件裝配技術。

通過支撐桿設置、分組件配磨、螺栓擰緊順序及要求、鎖緊桿焊接質量保證等方面，解決了組件裝配過程中的變形及裝配質量控制問題。

通過研究，“華龍一號”核反應堆獲得了比以往二代加堆型更優的裝配質量，最終可滿足現場使用要求。其它堆型的圍板和成形板組件安裝，也可借鑒和參考“華龍一號”核反應堆的安裝工藝。