核電廠主管道熱段彎頭高度超差問題分析與處理

張永波

(中國中原對外工程有限公司，北京 100044)

2011年福島核電廠發生核泄漏事故后，國內停止了二代核電廠的審批工作，目前在建核電廠均為安全系數更高的三代核電廠，其中具有完整自主知識產權的“華龍一號”繼全球首堆落戶福清5號機組后，已逐漸成為今后國內核電廠的主力機型。“華龍一號”堆型核電廠一回路主系統由三個環路構成，每個環路均包含一臺蒸汽發生器、一臺主泵，三個環路共用一臺壓力容器，由主管道連接形成閉合環路，其中熱段連接壓力容器和蒸汽發生器，過渡段連接蒸汽發生器和主泵，冷段連接壓力容器和主泵。過渡段需要在現場根據蒸汽發生器和主泵的實際位置進行現場坡口加工，熱段和冷段到貨時兩端為制造廠家已加工完成的成品坡口。

1 主管道熱段彎頭高度超差問題概述

主管道運輸至核電廠施工現場后，在吊裝引入安裝房間前，應對主管道實體幾何尺寸進行復查。某“華龍一號”堆型核電廠主管道3環熱段到貨后進行開箱檢查，在進行三維幾何尺寸測量時，通過采用壓力容器端外圓柱擬合中軸線和以壓力容器端面圓法線分別擬合計算，得到蒸汽發生器側彎頭處高度尺寸K值，兩種方法得到的高度尺寸數據均不滿足設計圖紙中(530.8±2.5)mm的要求，具體數據詳見表1。

表1 某核電廠主管道3環熱段彎頭高度實測值Table 1 Measured value of the elbow height at the 3-loop hot leg bending of the main pipeline in a nuclear power plant

2 主管道熱段彎頭高度超差的影響及處理方式

一般情況下，制造廠家根據設計圖紙在廠內完成主管道熱段的加工，在安裝現場不再進行任何加工。在蒸汽發生器吊裝就位前將主管道熱段吊裝引入安裝房間，待蒸汽發生器及壓力容器安裝調整完成后直接進行熱段兩端焊口的組對焊接。

壓力容器和蒸汽發生器屬高精度設備，安裝后可調范圍很小，因此對于主管道熱段的安裝要求也非常嚴格。主管道熱段彎頭高度超差，將會使超差數據在壓力容器端得到放大，導致熱段與壓力容器和蒸汽發生器的組對不能同時滿足技術規格書的要求，也無法按照主管道焊接工藝進行坡口焊接。因工程現場遠離國內制造廠，返廠處理運輸周期長，無疑會對核電廠的建設工期造成巨大影響；如若在施工現場處理，安裝單位無相應的操作經驗，同類核電廠也尚無先例可循，制造廠家的人員、工機具都無法順利到場，給主管道熱段彎頭高度超差問題的處理帶來很大難度。

綜合各種因素考慮，針對3環主管道熱段彎頭高度超差問題的處理，適宜采用制造廠指導、安裝單位操作、設計單位和總包單位全力配合的方式，在安裝現場進行熱段彎頭側焊接坡口再加工處理，盡量減小對施工質量和工期的影響。

3 模擬組對過程分析

3.1 模擬組對分析原理

在安裝現場進行主管道熱段坡口的再加工，首先必須要得到熱段彎頭側的切割量數據。在主管道安裝前，通過對壓力容器、蒸汽發生器、主管道3環熱段原始數據進行擬合處理，得到3個設備現場實測的實體模型。在壓力容器模型中，沿壓力容器145°管嘴方位且距壓力容器中心10 711 mm，插入3環蒸汽發生器實體模型，并在145°接管嘴與蒸汽發生器中心的連線上，插入主管道3環路熱段模型。模擬主管道焊接后坡口重疊狀態，逆推得到主管道的組對狀態，即將管口沿重疊反方向移動。模擬的重疊量的互差值，與組對狀態間隙的互差值相同，差值在0～1 mm內時，達到組對要求。

通過移動、旋轉主管道3環熱段，使主管道壓力容器側與壓力容器管嘴重疊，模擬主管道焊后收縮(管段重疊)狀態，通過對主管道3環熱段和3環蒸汽發生器模型的水平移動、旋轉使模型處于預期的焊后狀態，保證兩側錯邊量為0，得到兩側的重疊部分，其數據模擬圖如圖1、圖2所示。

圖1 壓力容器側主管道組對示意圖Fig.1 Schematic of the group pair of the main pipe on the pressure vessel side

圖2 蒸汽發生器側主管道組對示意圖Fig.2 Schematic of the group pair of the main pipe on the steam generator side

示意圖說明：點位分布，模擬的安裝狀態中，在主管道中心面向設備端，最高點為P1，最低點為P7，順時針排列。點為主管道端面上的點，數值為到設備端端面的距離，即相應該位置間隙，間隙的互差，可代表組對間隙的互差。

3.2 主管道熱段原始狀態組對分析

將壓力容器與主管道熱段按設計文件要求(0～1 mm)進行模擬組對，組對數據見圖3，再插入3環主管道熱段、3環蒸汽發生器實測模型，模擬主管道焊后重合狀態初次建模，得到蒸汽發生器側主管道組對數據，見圖4。

圖3 壓力容器側主管道組對數據Fig.3 Data of the group pair of the main pipe on the pressure vessel side

圖4 蒸汽發生器側主管道組對數據Fig.4 Data of the group pair of the main pipe on the steam generator side

根據模擬得到的主管道與壓力容器和蒸汽發生器的組對數據，首先分析壓力容器側組對狀態，將主管道熱段按垂直于設備端方向移動，壓力容器側組對間隙互差為8.68 mm-8.32 mm=0.36 mm<1 mm，滿足組對間隙要求；將3環蒸汽發生器移動至最佳組對位置后，組對間隙互差為12.37 mm-4.42 mm=7.95 mm>1 mm，不滿足組對要求。

3.3 主管道熱段初次調整后組對分析

考慮將主管道坡口去除并重新建模，使主管道熱段蒸汽發生器側最小的加工量為4 mm(經查詢原始坡口檢查記錄，原坡口鈍邊長度約為4 mm)，模擬焊口焊后重疊量8.5 mm(主管道焊接工藝評定給出)，故蒸汽發生器側焊接焊口的重疊量不宜小于12.5 mm，調整主管道熱段組對模型后兩端數據如圖5、圖6所示。

圖5 調整后壓力容器側組對示意圖Fig.5 Schematic of the group pair on the pressure vessel side after adjustment

圖6 調整后蒸汽發生器側組對示意圖Fig.6 Schematic of the group pair on the steam generator side after adjustment

此時兩側錯邊量均為0 mm，壓力容器側中心重合8.5 mm，蒸汽發生器側中心重合16.94 mm，減去模擬焊后重疊量8.5 mm，即中心點的加工量為8.44 mm。通過模型可以計算得出蒸汽發生器中心距壓力容器中心為10 705.8 mm，其中壓力容器管嘴距本體中心為3 404.3 mm，蒸汽發生器進水管嘴中心距本體中心線距離為1 358.9 mm。

3.4 主管道熱段最終調整后組對分析

繼初次調整后，繼續調整組對模型，移動3環蒸汽發生器、3環主管道熱段整體模型，并將主管道沿蒸汽發生器進水管口端面法向方向移動焊后重疊量8.5 mm，得到主管道熱段組對模型數據如圖7、圖8所示。

圖7 壓力容器側主管道組對示意圖Fig.7 Schematic of the group pair of the main pipe on pressure vessel side

圖8 蒸汽發生器側主管道組對示意圖Fig.8 Schematic of the group pair of the main pipe on the steam generator side

此時主管道熱段彎頭側可視為切割狀態，切割量即為重疊量。通過以上模擬數據可以得出，主管道熱段蒸汽發生器側切割后間隙差為0 mm，錯邊量為0 mm，熱段壓力容器側焊口組對間隙為16.70 mm-16.30 mm=0.4 mm，錯邊量為6.8 mm，此錯邊量可為保證壓力容器側焊口在蒸汽發生器側焊口焊接至50%左右時能與壓力容器完成組對而預留的焊接收縮變形量。

根據以上模擬組對分析結果，可以得知在進行3環主管道熱段蒸汽發生器側焊接坡口端面切割時，其各方位理論切割量如表2所示(加工偏差±1 mm)。模擬計算切割后，3環主管道熱段長度(A)為5 956.5 mm(理論值5 965.3 mm±3 mm)，高度(K)為532.29 mm(理論值530.8 mm±2.5 mm)，夾角為49.95°(理論值50°±30′)。

表2 理論切割量數據表Table 2 Data sheet of theoretical cutting quantity

從模擬主管道組對的分析過程可知需在原有坡口的基礎上加工坡口，這將導致新坡口與原坡口重疊。為最大限度的保持新坡口與圖紙的一致性，經設計同意僅進行外坡口加工(即原始內鏜面徑向不切削)。根據熱段蒸汽發生器端原始坡口尺寸記錄，通過模擬擬合后可知加工后理論內鏜深度減小，管段原始壁厚不改變。端面加工傾斜角度較小，加工后坡口鈍邊厚度理論可滿足設計允許偏差(2.5±0.1)mm的要求。

4 主管道熱段彎頭端面切割及坡口再加工

4.1 工機具選擇

高度超差問題出現在主管道熱段的彎頭側，彎頭內側角度為50°，端面部位直管段長度僅為61.5 mm，無法架設安裝外坡口機，所以不宜采用外坡口機進行加工。施工現場采用歐米伽9B數控坡口機進行3環路主管道熱段的端面切割和坡口加工工作，坡口機架設在主管道熱段內部。

4.2 測量控制點布置及切割劃線

根據主管道模擬組對分析得出4個方位的理論切割量，并在彎頭端部4個方位標記出最終切割線位置。因主管道組對數據要求非常嚴格，加工切割量也就隨之要非常精確，因此劃線一定要準確，且具有一定余量，防止加工錯誤導致主管道報廢。

4.3 數控坡口機的安裝調整

在主管道內部安裝數控坡口機，因安裝位置處在彎頭處，通過調整數控坡口機4個方位支腿的高度，配合加墊不同數量的不銹鋼墊片，精確調整并固定坡口機底座,保證坡口機與主管道連接牢靠。將坡口機立柱和機頭安裝在坡口機底座上，邊測量邊調整，必須控制保證數控坡口機的回轉面與最終切割面一致，且坡口機中心與管段內鏜面中心一致。

4.4 主管道熱段端面切割

安裝數控坡口機端面切削刀架，應以切削量最大點為基準對刀調整。當端面切削至最終切割線距離約1 mm時，控制每次進刀量不超過0.2 mm，同時每次切削后應測量到理論切割面的距離。端面切削完成后，應將毛刺清理干凈。

4.5 主管道熱段外坡口加工

在每次進刀前都應對數控坡口機的狀態進行調整，并可采用走空刀的方式進行確認。當加工至距離鈍邊最終厚度約1 mm時，應控制每次進刀厚度不超過0.1 mm，同時每次切削后測量鈍邊厚度及高度，確保最終鈍邊厚度及高度尺寸滿足設計圖紙中坡口型式的要求。加工完成后檢查坡口尺寸并測量管段外形尺寸，坡口尺寸檢查完成后對坡口加工面進行液體滲透檢測，切割后主管道實體數據見表3。

表3 3環路主管道切割后尺寸Table 3 Dimension of 3-loop main pipe after cutting

5 主管道熱段彎頭高度超差問題處理結果

3環主管道熱段在切割并完成坡口再加工后引入安裝房間，通過調整主管道的位置，在保證壓力容器與蒸汽發生器安裝均合格的前提下，得到3環主管道熱段分別與壓力容器和蒸汽發生器接管口組對的數據，詳見表4、表5。可以看出，所有安裝數據均滿足設計文件要求，主管道熱段彎頭高度超差問題得到了圓滿解決。

表4 3環主管道熱段壓力容器側焊口組對數據Table 4 Data of the group pair of welds at the hot leg of the 3-loop main pipeline on the pressure vessel side

表5 3環主管道熱段蒸汽發生器側焊口組對數據Table 5 Data of the group pair of welds at the hot leg of the 3-loop main pipeline on the steam generator side

6 結論

通過三維激光建模在設備開箱階段提前發現設備制造缺陷，將質量控制關口前移，消除了質量問題可能引發的嚴重后果。利用數據模擬測算分析得到應切割的加工量，通過精確控制端面切割及坡口再加工的過程，3環主管道熱段與接口設備組對滿足設計文件要求，在規避或大大降低可預見的質量、進度風險的前提下，彎頭高度超差問題得到了最佳解決，也說明了在施工現場實施主管道成品坡口再加工的可行性。

本文所分析的質量問題，同時也考驗了設備出廠驗收失效后核電現場安裝單位及總包單位應對新問題時的質量控制方法和手段。隨著“華龍一號”堆型核電廠陸續開工建設，成品主管道仍可能會存在類似問題，文中所述從發現問題到解決問題的處理方式，給后續同類型核電廠主管道安裝提供了非常好的借鑒經驗。