高壓冷卻器制造的幾個關鍵工藝

范海平* 涂 強

（上海核工程研究設計院有限公司）

0 前言

核電站主泵是一回路RCS（Reactor Coolant System）的重要組成部分，為整個一回路的冷卻劑循環提供動力。高壓冷卻器位于主泵旁，從主泵電機側熱屏出來的一次側冷卻劑經高壓冷卻器入口接管進入換熱管，與流經殼側的設備冷卻水進行熱交換，降低了溫度，然后經出口接管進入主泵電機殼，為電機提供冷卻介質（如圖1 所示）。高壓冷卻器管側內的介質是一回路冷卻劑，具有高溫、高壓、高放射性。因此，高壓冷卻器的管側核安全分級是SC-1，屬于核電站一回路承壓邊界，是核電站第二道放射性防護的屏障[1]。高壓冷卻器殼側內的介質是設備冷卻水，其主要作用是帶走換熱管內一次側冷卻劑的熱量。每臺濕繞組主泵配有一臺高壓冷卻器，其屬于固定管板式換熱器。

圖1 高壓冷卻器的結構示意圖

1 高壓冷卻器的結構和主要部件的材料

高壓冷卻器主要由三大組件組成：管箱封頭組件，管束組件及下封頭組件。其中管束組件是進行熱交換的主要場所，結構最為復雜，制造難度也最大，是其核心部件。

管箱封頭組件包括：管箱封頭、管箱法蘭、管側入口接管及法蘭、管側排氣接管及法蘭。主要的制造內容包括：管箱封頭與管箱法蘭的對接焊、管箱封頭與進口接管的對接焊、管箱封頭與管側排氣接管的對接焊、進口接管與法蘭的對接焊、排氣接管與法蘭的對接焊及管箱封頭組件的內壁堆焊。

管束組件包括：上下管板、換熱管、定距管、折流板、拉桿、緩沖擋板、筒體、殼側進口接管及法蘭、殼側出口接管及法蘭、殼側排氣接管及法蘭、殼側疏水接管及法蘭。其中，殼側排氣、疏水接管采用鎳基焊材堆焊，加工到設計要求的尺寸，然后與法蘭對接焊。管束組件的主要制造工序包括：上下管板一二次側的堆焊，深孔鉆、上管板裝折流板、拉桿、定距管的裝焊，穿管、定位脹、封口焊、氦檢漏、液壓脹、筒體卷制、筒體裝焊進出口接管及法蘭、筒體與上管板套裝，筒體與上下管板焊接。

下封頭組件包括：下封頭、管箱法蘭、管側出口接管及法蘭。下封頭組件除了沒有排氣接管及法蘭的裝焊外，其余制造過程與上封頭組件類似。

三大組件分別制造完成后，上下管板與管箱法蘭通過雙頭螺柱、螺母、墊片連接密封。

管箱封頭組件、管束組件、下封頭組件的主要部件的材質可見表1。

表1 管箱封頭組件、管束組件、下封頭組件的主要部件的材質

2 制造的關鍵工藝

2.1 管板堆焊

高壓冷卻器的上、下管板結構相似，上管板中心厚度為195 mm，下管板中心厚度為215 mm。由于上、下管板兩側表面均與冷卻劑接觸，為增強設備的耐蝕性，上、下管板兩側均應進行不銹鋼堆焊。管板采用組合堆焊，即第一層堆焊309L 不銹鋼，后續堆焊層采用308L 焊材進行堆焊，保證堆焊層的總厚度為4～7 mm。這是因為堆焊第一層不銹鋼時，熔化的低合金母材進入熔池，對不銹鋼中的合金元素有一定的稀釋作用，因此，第一層采用Cr、Ni 等合金元素含量較高的309L 焊材。為了減小管板的變形程度，并降低堆焊層氣孔夾雜等缺陷出現的概率，宜采用熱輸入量較小的熱絲TIG 焊，并采用高純度的Ar 氣作為保護氣體，而且為保護好處于高溫的堆焊層金屬，還應采用高純度的氬氣作為尾部保護氣。堆焊時，應監控管板的翹曲變形，一旦發現管板變形過大，則應及時將其翻轉，在管板的另一面進行堆焊，在管板的一次側和二次側交替進行堆焊，可控制管板的變形在要求的范圍內（管板的堆焊情況如圖2 所示）。

圖2 高壓冷卻器管板堆焊

2.2 管板深孔鉆

管板上共有359 個尺寸為 14.25 mm 的管孔，管板鉆孔完成后，終鉆端超過96%的孔橋寬度必須大于3.634 mm, 允許最小孔橋寬度為3.2 mm。為了保證管孔的精度，管板必須牢固固定在工位上，并在合適位置布置百分表來監控工位的變動情況。在正式鉆孔前，由于母材和不銹鋼堆焊層的硬度不同，應分別在不帶堆焊層且材質與母材一致的試板和帶堆焊層且材質與母材一致的試板上試鉆，從而調整并確定各項鉆削參數（如主軸轉速、進給量、切削油流量等），檢查并記錄深孔加工質量及加工時的出屑情況，獲得設備在鉆母材和堆焊層時的各項報警參數和鉆頭壽命。另外，為了驗證數控機床程序的正確性，第一塊管板深孔鉆時，應采用油漆筆代替鉆頭，讓機床按照內置程序在管板表面上打點，并測量這些點的位置，確保程序的準確性（管板深孔鉆如圖3 所示）。值得注意的是，為了保證11 塊折流板的同心度，以便后續順利穿管，應將11 塊折流板疊在一起進行鉆孔。

圖3 高壓冷卻器管板深孔鉆

2.3 穿管、定位脹、封口焊、液壓脹

由于管束組件對清潔度要求較高，且穿管后內部區域不可達，因此，穿管、定位脹、封口焊、氦檢漏、液壓脹等工作必須在清潔區進行。管束、管板、拉桿以及折流板采用臥式明裝，上管板、拉桿、定距管以及折流板按照圖紙尺寸要求依次安裝，然后穿入3至5 根換熱管，調整以上各零件使其中心一致后，由下往上穿入所有的換熱管，應注意的是，換熱管應伸出上管板一次側的長度約為管板的2 倍，以便后續穿入下管板。把制造好的殼程組件套裝入管束組件，并調整上管板與殼程組件的垂直度、同心度后點焊固定管板與殼程組件。組裝下管板，并測量同心度、與上管板的平行度及間距，合格后穿入5～10 根換熱管，調整垂直度和同心度后，與殼程組件點焊固定，采用單面焊雙面成形的工藝焊妥上、下管板與殼程組件，最后從上管板一次側從下往上穿入所有的換熱管。應保證所有的換熱管與上、下管板的一次側平齊，若有過長或表面有毛刺的換熱管，應進行修磨，然后采用橡膠脹進行定位脹。定位脹時，應注意管子不能伸出管板孔，否則會造成管子過脹成喇叭口而開裂。宜在旁邊的試板上進行試脹，沒有問題后，再開始正式脹接。

管子-管板的封口焊焊縫應采用不填絲25%氬（質量分數，下同）+75%氦的混合保護氣體自動焊，焊接時傳熱管端口與管板一次側表面平齊，焊接接頭如圖4 所示。管道與管板接頭處為強度焊，焊縫有效高度需大于1.4 倍管道壁厚。焊接時鎢極尖端對準管道和管壁的縫隙，略偏向管板，保證管道和堆焊層均勻吸收電弧熱量，使焊縫根部熔透，應對每一焊縫表面進行清理，去除黑色氧化物。

圖4 高壓冷卻器管子-管板封口焊

液壓脹為管板全深度脹，由于上下管板厚度不一致，因此需要根據管板厚度分別進行評定，來確定脹接參數，從而使管道脹接均勻。另外，二次側末端的未脹區深度不得大于3 mm，脹接完成后，必須通過100%的渦流檢測以獲取管道的脹接外形和幾何尺寸，進而測量每一根換熱管的內徑和未脹接縫隙深度，來評定脹接質量。

2.4 氦檢漏

為了證明管道-管板焊縫的密封性，在管道-管板封口焊完成后，焊縫液體滲透檢測和液壓脹之前，應進行氦氣檢漏試驗。采用100%的氦氣作為示蹤氣體，確保每一處管道-管板焊縫都不應有超過1.0×10-7Pa / （m3·s）的泄漏點存在。

氦檢漏之前，應對管板表面進行清潔和干燥，不允許有焊渣、水、油污及其他影響檢漏的雜質存在。檢漏前，應用干燥的空氣或氮氣吹掃焊縫表面。

高壓冷卻器殼側保持密封，并用真空泵抽真空，直至殼側真空度達到絕對壓力1.7 kPa 以下，保持30 min，當壓力上升不超過50 Pa 時，往殼側充入純凈的氦氣，直至相對壓力達到0.11 MPa,保持20 min。在管板一次側開始用氦檢漏儀檢漏，并應把專用檢漏罩罩在管道-管板焊縫上，專用檢漏罩與周圍的管板表面保持密封，通過抽氣軟管將密封區域內的氣體抽送到檢漏儀中，如圖5 所示。注意檢漏的時間應大于3 倍的系統響應時間，并不小于1 min。泄漏率大于1.0×10-7Pa / （m3·s）時，焊縫為不合格，且應做好記錄。

圖5 高壓冷卻器管子-管板氦檢漏

2.5 管箱封頭的內壁堆焊及與接管的焊接

管箱封頭和管箱法蘭都采用低合金鋼材料，且與一回路冷卻劑直接接觸，因此都必須在內壁堆焊不銹鋼。管箱封頭應先與管箱法蘭進行對接焊，檢查合格以后再進行管箱封頭和法蘭的內壁堆焊及管箱法蘭的環形區域的堆焊。其中管箱封頭和管箱法蘭的內壁堆焊采用自動焊機進行橫堆焊，而管箱法蘭的環形區域的堆焊采用平堆焊的方式，其余工藝與管板的堆焊工藝相同，都是采用自動鎢極氬弧焊進行不銹鋼309L 與308L 的組合堆焊。

進出口接管及管側排氣接管都采用不銹鋼材料，而管箱封頭和下封頭采用低合金鋼材料，在異種金屬對接焊之前，都應在管箱封頭和下封頭上堆焊鎳基隔離層，鎳基隔離層厚度應≥30 mm，然后再與相應的接管焊接。

管箱封頭及下封頭鎳基隔離層與進出口接管的馬鞍形焊縫結構為安放式，坡口位于接管上，采用手工氬弧焊打底厚度需達10 mm 以上，再進行手工焊條電弧焊填充的焊接工藝，焊接位置為兩側立向上。接管內壁預留6 mm 的凸臺余量，焊后機加去除，以避開馬鞍形焊縫根部缺陷風險區。焊接時，要特別注意防止產生焊接變形，必要時應布置防變形工裝。

管箱封頭鎳基隔離層與排氣接管的焊縫為插入式結構，應采用雙面焊，雙V 形坡口，先在內側采用手工焊焊滿，再在外側進行清根，然后在外側采用手工焊焊滿，應特別注意清根深度，將鈍邊及成形不良的焊縫清除即可，至少留8 mm 厚的焊縫，以免后續在外側焊接的時候燒穿焊縫。

3 結論

高壓冷卻器為換熱型設備，結構比較復雜。本文對高壓冷卻器的結構和制造過程中的幾個關鍵工藝如管板堆焊、管板深孔鉆、穿管、定位脹、封口焊、氦檢漏、液壓脹、管箱封頭與接管的焊接以及在開展相關制造工序時的注意事項進行了詳細介紹。

（1）管板堆焊時，為了減小變形量，可以采用熱絲TIG 焊進行一次側和二次側交替焊接。

（2）由于管板母材和不銹鋼堆焊層的硬度不同，深孔鉆時，應分別在不帶堆焊層且材質與母材一致的試板和帶堆焊層試板上試鉆，從而調整并確定各項鉆削參數。

（3）穿管時，應先穿上管板，然后把制造好的殼程組件套裝入管束組件，并調整上管板與殼程組件的垂直度、同心度后點焊固定管板與殼程組件。

（4）氦檢漏時，要先將殼側抽真空，再充入氦氣，直至殼側和管側的相對壓力達到0.11 MPa。然后在管板一次側開始用氦檢漏儀檢漏。