壓水堆核電站穩壓器制造關鍵過程質量控制淺談

張遠奎，劉亞軍

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢643000）

穩壓器在核電站中是對一回路壓力進行控制和超壓保護的重要設備，其作用是當一回路中的壓力需要調節時，可以通過噴霧管接管嘴、噴霧頭組件噴淋注入一回路的介質來降壓，也可以通過加熱器加熱介質來升壓，從而達到調節壓力的目的。我們已經經過20余年的核電設備制造，屬國內較早參與核電工程的制造商，截止2018年上半年，完成穩壓器16臺，安注箱 65臺，硼注箱 18臺，各類支撐100余套，2、3類換熱器60余臺，常規島輔機100余臺，積累了寶貴的制造經驗，得到國內幾大核電業主的高度評價。最近幾年，由于人員的不斷更新，用戶要求不斷提高，監管更加嚴格，對自身管理水平提出了較高要求，在穩壓器的制造過程中也出現了不少亟待解決的問題，特別是NCR數量居高不下、質量問題重復發生等，我們采取了一些針對性的措施，從資源配置、組織機構、文化教育、考核方式等方面進行了重建和優化，扭轉了質量不穩定的勢頭，本文不在此詳述，主要從核一級設備——穩壓器的關鍵過程質量控制采取的措施進行交流，供讀者借鑒參考。

1 核安全文化培育

針對最近幾年國內廠家典型案例結合多年實踐經驗證明，許多質量問題、質量事件都與核安全文化和質量意識不到位密切相關。對設備制造單位而言顯得更加突出，國內設備制造企業整體人員素質偏低，特別是操作人員，大多處于中技水平，雖然經過不同層級、不同形式反復培訓，但核安全文化水平總體不高。其中一個重要原因是，培訓教育形式枯燥，不易接受。

針對這個問題，從以下三方面進行創新。

（1）提高教育的趣味性，利用卡通形象，讓員工在崗位上將關鍵內容記憶深刻。

（2）將核安全文化主要內容做成展板，在每個班組展示，要求每位員工牢記，考核100分過關，不達100分再考，直到全部通過。

（3）隨機抽查，在員工崗位上，主管不定期抽查是否牢記于心。

通過近兩年的實踐情況看，員工的核安全文化水平大大提高，違規事件和質量問題明顯減少，出現問題主動報告，不隱瞞，相互溝通成為習慣。

2 質量控制實踐

2.1 質量文件優化

核電文件有一套較為規范的制度流程，但由于制造水平的不斷提高和工藝裝備、檢驗手段的不斷更新，質量控制措施也需要提升和優化，在滿足法規和用戶技術要求的前提下，重點對檢驗規程進行梳理，對檢驗時機、檢驗方法進行逐項識別，甄別出不適宜的部分，在滿足合同要求和法規的前提下，對質量計劃編制、檢驗規程、不符合項傳遞方式及報告模板進行優化，提高控制的有效性和效率。

由于常規很多檢測手段無法使用和滿足，因此給關鍵點的控制帶來很大難度，對這些控制點進行了認真消化、研究，首先從文件上進行控制，編制了專用檢查技術規程，質量計劃，相關檢驗、尺寸檢測工藝，將這些關鍵工序在質量計劃上明確并細化，明確控制要求，并對這些關鍵工序設置見證點或停止點，然后對控制方法進行研究并形成詳細的文件，硬件上主要從檢測手段上來保證控制的準確性和實施的可行性。

2.2 過程控制更加體現分級控制原則

過去行業內對分級方面沒有明確界限，所有設備控制都按一個模式進行，導致低級別的零件按照比較嚴格的質量控制方式，其效率和成本增加，針對監管單位也是按分級監督，按核1級、2級、3級、QNC級零件分別制定相應控制措施。明確區分各級別控制要求，如表1、表2，從文件編制到過程控制做出明確要求。

表1 制造階段核島物項質保分級實施要求

表2 制造階段QNc級物項分級實施要求

在監督見證點的選取上也體現不同級別控制，在關鍵過程、關鍵工藝上加強控制，同時對選取和出席率做出詳細規定（見表3見證出席率要求）。

表3 見證出席率

2.3 穩壓器控制技術難點

穩壓器是壓水堆核電站核島的核一級主設備，具有較高的技術含量和制造難度。結構上是圓柱形容器，高約為13 m，直徑約為2.5 m，內部容積為39.7 m3，凈重為80 t.殼體為合金鋼材料，材質16MND5，厚度為119 mm.穩壓器容器殼體和反應堆冷卻劑接觸的內表面，用奧氏體不銹鋼堆焊，上部有1個人孔，1個噴淋管，4個閥座接管，3個高溫水位測量管和1個溫度計測量管，下部有1個脈動管和3個低水位測量接管、1個溫度計測量管和1個取樣接管以及63個加熱導管，上面焊接63個加熱器。如圖1結構示意圖。

圖1 穩壓器結構示意圖

通過制造分析和總結，提煉出以下關鍵工藝過程：

（1）內壁的大面積堆焊：穩壓器整個內壁全堆焊不銹鋼，自動帶極堆焊，過程焊接參數的控制；

（2）噴淋管、脈動管內凹槽加工：環向槽窄且深，其加工難度非常大；切削時不能及時地觀察凹槽的成形情況，也就不可能對切削加工所產生的異常情況進行及時處理；

（3）熱套筒與噴淋管的焊接：在φ79 mm直徑的空間進行手工氬弧焊的焊接，并保證對接接頭100%RT探傷合格，是噴淋管制造的一大難點；在φ79 mm直徑的空間進行內孔焊接，施焊焊工不宜觀察熔池成形情況，工件的轉動由另一名焊工負責，因此2名焊工必須配合得當；

（4）閥座、噴淋、脈動接管隔離層與安全端的焊接：焊接的主要難點是如何保證帶隔離層的對接接頭的質量；自帶襯墊的坡口的焊接，因操作原因其坡口兩側焊接時易產生夾渣等缺陷。

（5）加熱器套管的裝配與焊接、加熱器的裝配與焊接：焊接時容易變形；加熱器套管材質為不銹鋼，壁厚較薄僅有2.8 mm，焊接坡口的尺寸為連續變化，焊接空間小；

（6）水壓；人孔和接管的密封、清潔：穩壓器的大小接管共有14個，而且形狀奇特，因此其密封難度很大；

（7）下封頭和支撐板上開63只電加熱管孔：孔同心度要求高，且須外協加工，質量控制存在相當大難度等；

（8）電加熱器焊縫的射線檢測。

2.4 關鍵工藝過程主要控制措施

針對關鍵工藝，制定有效過程控制手段和監測方法。

2.4.1 大面積堆焊控制

穩壓器內壁堆焊了一層不銹鋼（24Cr12Ni+20Cr10Ni），整個焊接過程由全自動程序控制，焊接參數嚴格按照焊接工藝執行，監督和檢驗人員對操作者每次的第一個起焊點進行檢查，包括待焊區表面狀態、焊接設備、儀表指示、預熱溫度、操作人員資格、焊接材料規格、批號等。在焊接過程中檢驗人員嚴格檢驗各層之間搭接量；第一層的過渡層之間搭接量不能小于5 mm；第二層不銹鋼堆焊層和第一層過渡層搭接量不能小于4 mm，目標9 mm；第二層和第三層間搭接量應不小于8 mm，嚴密監視焊接過程中的焊接電流和溫度，強化焊接巡檢，制定巡檢程序；在層間取樣分析時對取樣環境和取樣工具嚴格檢查，不允許周圍存在碳鋼件的打磨，取樣前清理取樣區域和取樣工具，避免造成鐵素體污染，堆焊完成后100%滲透檢查和100%超聲波檢查。

2.4.2 脈動管、噴淋管、閥座接管焊接檢測技術

噴淋管內槽圓弧的測試，由于內槽的縫隙很小，普通測量設備無法直接進行測量。對產品的形狀和測量要求進行了詳細的了解和分析后，決定采用做印膜的方法來進行測量。就是將印膜材料直接注入所需進行測量的各部位，等其凝固后取出，通過儀器對凝固后復現在印膜件上的圓弧形狀和尺寸進行測量，即得出所求的結果。方案出來了，可做印膜所需的材料卻無法落實，國外購買量小無法訂購，國內無現成可直接使用得產品，這次需要自己解決，好幾個廠家的材料不能滿足硬度和彈性變形要求，通過與附近化工廠的聯系，終于找到了一種膠料可以進行印膜制作，但是這種膠料需和其它兩種材料配制而成，按照對方推薦的比例配出，強度和硬度都不能滿足檢測要求，而且收縮率較大，經過反復試驗，最終配制出能達到國外同類水平的印模材料，使用到穩壓器的檢測中（如噴淋管內圓弧槽，加熱器導管孔，脈動管噴淋管內圓弧槽等），精度很高，制取方便，解決了測量難題，特別是在穩壓器加熱器導管孔機加后缺陷的檢查中起到了關鍵的作用。

脈動管、噴淋管氬弧焊焊接熱套筒反面成型是否良好也是一個控制難點，由于套筒壁厚非常薄，焊接變形大，在φ79 mm直徑的空間進行內孔焊接，施焊焊工不宜觀察熔池成形情況，需要邊檢查邊焊接，套筒與接管壁間隙最小處僅8 mm而且焊縫位置距端面430 mm，內面采用可熔環，對于可熔環融合情況很難直接檢查，采用了直徑4 mm柔性內窺鏡GAT020直觀的反應出焊縫融合情況，很好解決了對焊接過程的控制。

2.4.3 空間尺寸及空間角度檢測技術

穩壓器上封頭組件上的4個閥座接管孔、1個噴淋管孔和1個人孔，主要是用于穩壓器與外部連接時的接管口，所以其位置度要求很高，如定位中心偏移不準，就無法實現與外部管口的正常對接。而用戶對穩壓器上封頭組件中各管口空間角度的偏差要求不超過±25′（見圖2上封頭空間示意圖），這給檢查工作帶來比較大的難度。按照傳統的檢查方法來進行檢測，不但費時、費力、而且誤差很大，經過對圖紙上各角度位置的仔細分析和研究，采取改進電子激光經緯儀來進行各空間角度的測試，由于測量位置的原因，經緯儀無法直接測量，需要設計一套可調裝置，通過裝置帶動工作臺的升降使經緯儀平穩升降至球心圓的點上。通過球心管口的靶心圓孔做一條垂線交于平板上，并將封頭中心點投影于平板上，將經緯儀放置于平板上，通過儀器找到投影在平板上的中心點，然后將儀器升至圓心線的高度。將激光源作垂直轉動90°，使激光源通過球心管口上的靶心孔中心與投影在平板上的中心點處于一條直線上，該直線產生的角度值作為垂直角度上的0°線，然后將激光源向下移動到標注為第一象限的閥座接管口，激光源通過該管口上安放的靶心蓋板的中心，得出一個垂直角度值，該角度值即為該孔與球心的角度偏差值；同時在儀器的水平角度值上，將該角度值設定為水平方向上的0°線。然后按照圖紙上的要求沿象限方向水平轉動經緯儀至每一個要檢查的管口的位置上，通過激光源對準每個管口上放置的靶心蓋板中心，分別在儀器上直接讀出每個孔，各自在垂直、水平方向上的角度值，每個角度值均直接反映出了所要測量的值（角度值），而且儀器上讀出角度數直接為度、分、秒。這樣不但提高了測試精度，而且還大大提高了測試速度，現已經完成十余臺產品的測試，進度滿足用戶圖紙要求，如某項目上封頭接管角度檢測數據見表4.

圖2 上封頭空間示意圖

表4 接管角度測試結果

2.4.4 TD接管脹接、加熱器導管脹接檢查控制

加熱器導管，TD接管脹接是穩壓器制造中的難點之一，管孔機加工的精度將直接影響脹接的質量，由于外協加工的管孔粗糙度較差，導致返修，脹接后壁厚減薄率超差（無論如何保證管壁減薄在2%～5%）.

為了能控制減薄率，對管孔的粗糙度加強控制，同時提高檢測精度，用專用三爪內徑千分尺進行管孔的精確測量，并編制了專門用于指導檢測的工藝卡，指導脹接管孔的檢查，過去是采用兩測頭內徑測量儀，測量最大最小值，計算出平均值，但由于檢測后不能體現內徑的變化趨勢，沒能準確定位最大點和最小點，不能找到問題的根源，導致不符合項處理困難，通過分析，更換成三測頭測量，一個管孔在圓周上測量6個位置（見圖3三爪測量示意圖），準確定位，體現出脹管后內徑變化趨勢，為最終處置提供可靠依據，保證了后續的脹管質量，為大口徑管的脹接檢查提供可靠保證，提高了檢測能力。表5為某項目TD001-4接管脹接情況。

脹前：管子001-4的外徑為φ33.50 mm，內徑為φ27.14 mm.

圖3 三爪測量示意圖

表5 某項目TD接管測量值

通過計算減薄率仍然超差，經過分析，確認是由于脹管器力矩設置、管孔機加工尺寸、粗糙度超差導致。在后續項目制造過程中，嚴格控制管孔的尺寸和管孔的表面粗糙度，避免了上述問題，脹管過程再未出現類似質量問題。

2.4.5 內部清潔度控制

穩壓器的水壓試驗非常關鍵，目的是驗證受壓部件的嚴密性和耐壓強度，在試驗壓力下，設備是否泄漏、變形和損壞。水壓前，須密封人孔和各接管，且要清理穩壓器內外表面，人孔密封用設備人孔蓋，脈動管、閥座接管、噴淋管的密封，安裝時必須按規程操作，主要控制水壓后到最終包裝制造結束，要求B級軟化水進行清潔，嚴格控制噴水時間，對于總面積大于1%的銹跡不允許，表面不允許有任何異物和腐蝕物，對進入內壁的操作人員一律穿戴清潔服，在清潔過程中對接管、人孔和加熱器進行保護，對噴淋管、脈動管內壁采用內窺鏡進行微型攝像清潔度檢測技術，很好地控制了內部清潔度，滿足規范及用戶要求。

2.4.6 水壓控制

水壓控制在于人孔的開啟和密閉，即用專用液壓拉伸器預緊16只人孔螺栓的操作過程，控制各密閉零件的溫度應底于等于40℃，且螺栓和人孔之間的溫差不得超過20℃.這些措施可預防螺栓卡死。水壓前，須密封人孔和各接管，且要清理穩壓器內外表面，人孔密封用設備人孔蓋，脈動管、閥座接管、噴淋管的密封，安裝時必須按規程操作。目視檢查人孔蓋和法蘭承壓墊片表面，包括粗糙度應在2.6 μm~4.0 μm之間，各零件標記確認(人孔螺柱、螺母，人孔蓋，石墨墊，承壓墊，承壓墊和人孔蓋的附屬螺釘)，對螺孔、螺栓和螺母的螺紋進行目視檢查。對螺母、人孔蓋的承壓面、人孔的配合面及承壓墊片尤其注意，不允許有損傷、磕碰痕或劃傷，不允許有雜物。檢查新的墊片，不允許有油污、任何化學痕跡(如氧化)或任何機械痕跡(磕碰傷、劃傷、或撕裂)。在用液壓拉伸器預緊螺栓時分兩組進行，第一組:螺栓No.1，3，5，7，9，11，13，15(奇數螺栓)；第二組:螺栓 No.2，4，6，8，10，12，14，16(偶數螺栓)，人孔開啟也是用 8只拉伸器同時用于8只奇數號螺栓，再用于8只偶數號螺栓。開啟過程也將按步驟執行，操作中的一些過程數值也記錄到開啟報告中。目視檢查人孔和承壓墊片的密封承壓面，螺栓在拆除后應清理，螺紋及上端部(安百分表一端)應進行目視檢查，拆除后的墊片應毀掉。

在水壓過程中，對壓力和變形量的控制是關鍵，根據規程要求，升壓階段和降壓階段，速度不能超過7 bar/min，變形量采用千分表定點測量其變化值，同時在水壓前、中、后分別測量筒體的πD值，根據差值算出水壓筒體應變值。

2.4.7 油漆包裝控制

過去公司在常規上油漆已經非常成熟，但核電油漆過程要求非常嚴格，首先油漆表面狀態不允許有引弧、撞擊等缺陷，須經過嚴格的目視檢查，表面必須是噴砂到Ds2級，油漆時溫度只能在+5℃~30℃的溫度下，濕度低于75%的條件下進行，涂漆厚度是一個關鍵，不能超厚，特別是層與層之間，應嚴格控制每一層的厚度，而且總厚度不能超過規程要求的值，接管安全端是不銹鋼，也要求用可剝落漆涂刷，而在不銹鋼上對涂層測厚需要專門的非磁性金屬涂層測厚儀，這在我公司內過去是沒有進行過的，通過多次試驗，最終解決漆膜測量問題。

2.5 電加熱器連接焊縫射線檢測

由于電加熱器焊接需采取立式工位，用專用焊接工裝完成，每班只能焊接6~7根，交班焊接專用試件，因此焊縫的射線檢測只能在立式工位執行，每條焊縫需從兩個方向照射（見圖4加熱器射線照相方位布置圖），操作空間狹小，同時立式工位對射線源的對中困難，通過實驗，制定了專用射線照相準直器工裝，很好解決了照相問題，同時效率較高。

圖4 加熱器射線照相方位布置圖

3 經驗反饋

3.1 支撐板的鉆孔檢查

某項目穩壓器加熱器支撐板鉆孔造成報廢，由于支撐板在加工孔63個加熱導管孔時CAD程序設定錯誤，加工完成后也未及時進行首件檢驗，導致管孔位置發生錯誤，使兩臺穩壓器的4塊支撐板報廢，導致工期延誤，通過原因分析后發現，首先是程序設定后缺乏程序驗證，其次第一件加工完成后未進行首件檢查，導致批量性質量事故，因此無論是從工藝措施還是檢測控制方法都還有待于進一步提高。

改進措施方面，經過總結和研究，數控加工前，技術人員在收到CAD圖紙電子版后，逐孔復核其形位尺寸及孔徑尺寸；按照程序對支撐板上所有孔進行打點，加工程序上分為2步：先逐一打點，待檢查后再鉆孔到位，腰圓孔應打兩點；對打點后的形位尺寸公差進行全面檢查并記錄；對支撐板上φ23 mm、φ51 mm、以及腰形孔的加工，修改完善相應的工藝文件；加工完成后對其孔的尺寸公差進行檢查滿足圖紙要求。

3.2 TD接管脹管檢查

由于接管孔在機加時未對機加設備精度進行認真評價，加工后管孔橢圓度超差，因此接管脹接后壁厚減薄不一致，因此在檢測脹管后的內徑變化時，采用兩爪測頭檢測，但結果存在偏差，存在局部檢測不到造成壁厚減薄數據不準確的問題，改進措施是采用定制的三爪式內徑測量儀，分截面對不同位置進行檢測，真實反映脹管后內徑變化情況，從這件事情上可以得出以啟示，首先機加設備必須滿足精度要求，加工前的評估驗證非常重要，達不到要求的設備不能投入到核電制造中，同時檢測的正確性首先應該正確選擇檢測工具。

3.3 人孔螺紋銹蝕壞牙問題

由于穩壓器制造周期較長，人孔攻絲到最終水壓階段時間間隔較長，在攻絲后如果沒有對螺紋進行很好的保護，將導致部分螺紋銹蝕，影響水壓及后續產品質量，改進措施是定制專用工具進行清潔和保護，制定螺紋專用保護程序，增加螺紋中徑測量儀加強對尺寸的控制，保證了產品質量，規范了后續制造活動，在螺紋攻絲方面獲得寶貴的經驗。

4 總結

通過以上關鍵過程的有效控制，在完成的10余個機組的核島主設備——穩壓器質量可靠，滿足法規和規范要求，得到用戶高度評價，沒有出現過重大質量問題。

通過總結發現，也還存在改進的空間，對幾年來穩壓器制造過程分析，在穩壓器發生的NCR中，人為因素產生的占50%，其中發生在機械加工的占30%，很多NCR是操作者意識不強產生的，說明在核電意識上需要加大對操作者的培訓和學習，要減少不符合項的發生，必須解決人的意識問題，加強制造過程的關鍵工藝控制，減少人為因素導致的問題，另外由于檢測手段與國際大公司如AREVA，日本三菱、美國西屋、通用等還存在很大差距，特別是一些檢測工裝還需要大力開發和研制，提高檢測能力和檢測效率，必須加大對核電的制造設備、檢測手段的投入，加強檢測人員技術能力的培訓。