三代核電廠設備閘門的關鍵制造工藝分析

劉 輝,張 躍,劉家欣

(1.國核工程有限公司,上海 200233;2.環境保護部核與輻射安全中心,北京 100082)

1 設備的功能及結構

某三代核電站設備閘門屬于安全殼系統，是大設備進出安全殼的通道。作為安全殼壓力邊界的組成部分，在反應堆正常運行工況、異常運行工況和事故工況期間，應能確保安全殼壓力邊界該部位的完整性和密封性。設備閘門總共有兩個，一個在安全殼標高135′-3″(即135.3 ft)位置，一個在安全殼標高107′-2″位置。最高工作頻率為電站開始運行后一年開啟一次，設備閘門的開啟由設備閘門吊車專門負責。設備閘門的結構主要有:封頭和法蘭組件，貫穿筒和插板組件，活節螺栓和支座，雙重密封圈，導軌和其他附件[1]。

設備閘門各部件的材料應滿足ASME第Ⅱ卷中牌號的要求，主體材料為SA738 Gr.B，活節螺栓材料為SA193 Gr.B7，螺母材料采用SA194 Gr.7，雙道O型密封圈的材料為三元乙丙橡膠且應經過嚴格的EQ試驗驗證[2]。該設備按照ASME第Ⅲ卷NE分卷的要求進行制造、檢驗和試驗[3]。

該三代核電設備閘門體積大，制造工藝復雜，其插板外徑尺寸達到7010 mm，貫穿筒體內徑為4877 mm;設備安全等級高，質量控制嚴格，屬于核安全2級、抗震Ⅰ級設備，規范等級為ASME MC級。該設備閘門由國內制造廠首次制造，對制造廠的制造能力和質量管理水平有很高的要求。

2 關鍵制造工藝

設備閘門的制造流程如圖1所示。設備閘門制造的關鍵工藝包括鋼板的壓形、部件的焊接及防變形控制、密封面及插板外坡口的加工、泄漏率試驗等。

圖1 設備閘門的制造流程圖Fig.1 The flow chart for equipment hatch manufacturing

2.1 鋼板的成形

設備閘門的封頭由兩瓣拼接而成，中間有一道縱向焊縫，在焊接前應對封頭的兩瓣壓制成形;插板由四塊板拼接而成，在拼接前分別對四塊板壓形;貫穿筒體和法蘭先由兩塊板分別在卷板機上卷成半圓，然后由兩道縱縫拼接而成。因此封頭、插板、貫穿筒體和法蘭均需壓制成形后才能焊接。當成形應變超過一定限度時會造成材料韌性的明顯損失。根據ASME NE4213的要求，材料的應變大于0.5%時應進行成形工藝評定試驗。對于貫穿筒體和法蘭的應變率按照公式計算，對于插板和封頭的應變率按照公式計算，公式中T為鋼板名義厚度，Rf為到殼體中心線的最終半徑，R 0為初始半徑 (對于平板狀零件為無窮大)。經過計算貫穿筒體和法蘭、下部閘門與安全殼封頭連接位置的插板成形后的應變率大于0.5%，需對用于此部件的鋼板進行成形工藝評定。用于成形評定的材料應與產品經受相同的成形工藝及熱處理制度。制造廠按照ASME NE4213.1(f)和NE2300的要求對每個爐批號的成形后的材料進行沖擊性能試驗 (包括AKv沖擊試驗和落錘試驗)，試驗的結果不低于原鋼板的性能指標。

封頭的設計內直徑為4.8 m，鋼板的名義厚度為30 mm，考慮到壓制過程的減薄量，選用鋼板厚度為32 mm。封頭的單瓣在壓制前應提前準備好模具、樣板，并將鋼板表面的有害雜質清除干凈。封頭壓制過程中要隨時用樣板對封頭曲面進行測量。成形后對封頭的厚度進行測量，應不小于30 mm。采用樣板對球形內徑進行檢查，要求其最大間隙≤24 mm。

貫穿筒體和法蘭應一體制作，待設備焊接成形后再進行切割、分離。鋼板的名義厚度為102 mm，選用的鋼板為103 mm。由于鋼板厚度大且SA738 Gr.B強度較高，因此要求卷板機應具有一定的卷制能力。工藝人員應事先考慮鋼板的性能參數、伸長量及預彎直邊段等各項因素，確保卷制后筒體的內徑尺寸滿足圖紙的要求[4]。

2.2 部件的焊接及防變形控制

設備閘門焊縫數量多，而且插板、貫穿筒體焊縫厚度大，焊接的工作量大，控制不好容易產生焊接缺陷，因此應當對產品的焊接過程進行嚴格的過程控制。產品在焊接之前應按照ASME第Ⅸ卷進行焊接工藝評定。焊工應按照HAF603的要求取得焊工資格證。焊接材料選用ER90S-G焊絲，規格為φ1.2 mm。焊接方法主要為熔化極氣體保護焊 (GMAW)。保護氣體主要成分為80%Ar+20%CO2，氣體流量為15～25 L/min。施焊前應對坡口表面進行100%MT檢測，并進行預熱。焊接過程中應嚴格按照工藝規定的焊接參數進行焊接，并控制好預熱、層 (道)間溫度。焊接完成后應將封頭與法蘭組件、貫穿筒體與插板組件整體進爐熱處理，熱處理的保溫溫度控制在(610±10)℃，保溫時間為2.6 h。熱處理后應對所有焊縫表面進行100%MT檢測，對插板拼接縱縫、封頭拼接縱縫、貫穿筒體和法蘭的縱縫進行100%RT檢測，對封頭與法蘭、貫穿筒體與插板組焊的角接焊縫進行100%UT探傷。

制造廠通過調整產品制造工序、設置防變形工裝等措施嚴格控制部件焊接過程中變形。由于上部、下部設備閘門主體結構和尺寸相同，把上部、下部閘門的貫穿筒體和法蘭設置在一個筒體上同時制造，然后將上部插板、下部插板分別裝焊在這一筒體上。焊接完成過后再分別將上部、下部設備閘門的法蘭、貫穿筒體與插板組件切割開。這樣合理的工序安排既增加了設備整體的剛性固定，避免焊接變形，可以有效保證法蘭密封面和貫穿筒體密封面的配合，又縮短了設備的制造周期，節約了人力和物力成本。此外在焊接前應在部件上焊接防變形工裝來保證部件的焊接變形，如圖2所示。應確保焊接加強筋的母材位置在后續制造中能夠加工去除。

圖2 貫穿筒體和插板的組焊Fig.2 The assembly welding for the penetration shell and insert plate

每個設備閘門有2個導軌，導軌長7 m，由4塊20 mm厚的SA738 Gr.B鋼板拼焊的方形結構，導軌的尺寸要求嚴格，槽寬要求控制在 (105±2)mm，直線度要求≤3 mm。由于導軌狹長，在焊接過程中很容易變形。在焊接時將4個導軌采用工裝剛性固定在一起，如圖3所示，同時由多人對稱施焊，可以有效控制導軌的焊接變形。

圖3 設備閘門導軌的組焊Fig.3 The welding assembly for the guide rail of the equipment hatch

2.3 密封面及插板外坡口的加工

設備完成熱處理后需要將法蘭下端面和貫穿筒體上端面加工成密封面，同時在筒體上端面密封面位置加工雙道燕尾形密封槽。由于設備閘門的密封性取決于上下密封面及密封圈的配合，因此對密封面及密封槽的尺寸和粗糙度有嚴格的要求，粗糙度應達到3.2，密封面的平面度0.5。密封面及燕尾槽的加工可通過不小于8 m的立車實現。對于燕尾槽的加工，首先開出上下同寬的矩形槽，然后更換車刀，分部進行根部寬槽的加工，加工應控制進刀深度，防止超差。加工結構見圖4。加工完成后檢查員應對尺寸及粗糙度進行仔細檢查，尤其注意密封槽的寬度、深度以及密封面的粗糙度和平面度。密封面加工后一定要進行仔細防護，避免造成生銹、磕碰及劃傷。

插板的外坡口尺寸是設備閘門在安全殼上安裝的重要接口尺寸。由于插板外徑達到7 m，且需要考慮到坡口外圓不規則的尺寸變化，如果坡口加工失誤則很容易造成設備閘門與安全殼對接不上。嵌板外坡口采用數控鏜銑床進行加工，加工時模擬出鈍邊中心點的理論曲線，并以此為基準進行數控編程，加工鈍邊、內側坡口和外側坡口。加工前務必在數控機床上確認好數控程序，加工過程中隨時觀察走刀情況，一旦發現有偏差應及時糾正。加工后應進行嚴格的尺寸檢查，確保其滿足圖紙要求。

圖4 燕尾形密封槽加工示意圖Fig.4 The sketch of dovetail seal groove machining

2.4 泄漏率試驗

設備閘門各部件制造完成后應進行雙道O型圈部分的泄漏率試驗。試驗前應準備好壓力表、溫度計、氣壓計等測試儀器，其中壓力表在試驗前應進行標定。同時還應準備閥門、管路、加壓泵等輔助工具及設備。將O型圈涂抹真空硅脂后安裝在密封槽內，然后將活節螺栓和螺母安裝到活節螺栓支座上，并對螺栓施加一定的擰緊力矩。泄漏率試驗的示意圖如圖5所示。試驗時對雙道密封圈中間位置施加壓力，使其達到設備閘門的設計壓力，并在此壓力下保壓至少30 min。試驗開始時、試驗結束時應分別記錄壓力表數值、大氣壓力值、溫度、保壓時間等數據，試驗完成后依據泄漏率計算公式計算氣體的泄漏率，試驗結果滿足泄漏率不得超過0.1 L/min(0℃，latm)的要求。

圖5 泄漏率試驗示意圖Fig.5 The sketch of air-sealing test

3 結束語

某三代核電站設備閘門是安全殼系統的關鍵設備，國內某制造廠通過對制造過程中試板成形、焊接過程、加工尺寸、泄漏率試驗等關鍵工藝的控制，圓滿完成了此類設備閘門的制造任務，并確保產品的制造質量。在后續產品的制造過程中，制造廠應不斷提高自身的工藝水平，完善制造工藝，建議在如下方面加以改進:

1)在主體焊縫焊接方面盡量采用自動焊焊接方法，避免人為操作引成焊接缺陷;

2)對于精度要求較高的尺寸如插板外坡口，建議采用激光跟蹤儀等精密測量設備進行檢查;

3)對于設備閘門的現場安裝，建議等設備閘門到貨后根據安裝的實際情況再加工安全殼側坡口，便于設備閘門與安全殼的組對。