简析二代改进型压水堆堆内构件吊篮筒体焊接后内径超差现象

1、引言

堆内构件是压水堆核电站核岛主设备之一, 二代改进型压水堆堆内构件吊篮筒体在对接焊时容易出现不同程度的内径超差现象。例如, 堆内构件设备制造过程中吊篮筒体组焊时315°部位出现过超差达约10mm的现象, 严重偏离了设计要求。因筒体属于薄壁、大直径, 焊接过程中的变形控制是关键点。

2、吊篮筒体原材料及卷焊工艺流程

2.1 吊篮筒体原材料

堆内构件因长期处于高温高压、中子辐照、流体冲刷等恶劣环境中, 故对其材料性能提出了较高而又全面的要求。控氮不锈钢Z2CN19-10解决了304不锈钢在沸水堆运行中出现晶间应力腐蚀破裂事故, 具有超低碳奥氏体不锈钢优良的抗晶腐蚀能力和较高的强度, 是二代压水堆堆内构件的主体材料。

2.2 吊篮筒体卷焊工艺流程

3、内径超差现象及原因分析

压水堆堆内构件吊篮筒体的主体结构是通过焊接连接的, 主要包括三道全焊透纵焊缝、四道全焊透环焊缝以及筒体与出口管嘴和导向销垫块的角焊缝等。核电设备的高精度要求增加了吊篮筒体的制造难度。且筒体材料控氮不锈钢导热系数小, 线膨胀系数大, 在自由状态下焊接时较易发生焊接变形。

堆内构件制造过程中, 上、下部吊篮筒体在施行焊接前的对接工序时检查出现过错边问题, 其中315°方向最大错边量达约10mm (详见图2) 。

出现此不符合项后, 经研究计算, 采取原工艺对接焊, 同时在内外焊缝上采用焊接过渡方法, 使筒体焊缝区域成一个带弧斜面, 使焊缝厚度满足壁厚要求, 如图3所示。在焊接后对筒体进行打磨修复, 满足设计要求。

结合吊篮筒体原材料性能及制造工艺流程, 堆内构件吊篮筒体内径超差原因:

1、上部筒体在单节筒体的卷制过程中部分直径偏大, 圆柱度偏大, 出水管嘴和筒体壁厚相差较多, 焊接后的残余热应力造成管嘴周围区域筒体半径超差;

2、中筒体在焊接导向销垫时导向销垫离焊接坡口面较近, 导向销垫角焊缝焊接量大, 筒口容易向内收缩, 造成局部变形;

3、上、下部筒体单独卷制后分别加工焊接坡口, 未对比内径偏差, 造成上、下部筒体对接焊时错位较大。

4、经验反馈

(1) 在板材下料时, 按照不同的板厚、纵焊缝坡口的留量尺寸确定好板材的长度, 这一点将最终决定卷焊好的筒节的内径是否能在图纸要求的公差范围内。

(2) 上、中、下筒节在进行卷筒后的纵焊缝焊接结束后, 在卷板机的二次校形很重要, 需反复检测筒体内孔的圆弧、筒节内径, 使其最终达到设计要求。筒节吊运过程中需设置加固工装以避免筒体内径的变形。

(3) 上部筒节在加工焊接坡口前要对筒节的内径进行检验, 同时利用内支撑把筒节的内径尺寸调节到最佳状态。在进行上筒体与法兰焊接时应严格按照焊接工艺要求的焊接速度和焊道热量进行, 以确保法兰和筒体的焊接内应力变形最小。

(4) 在开出水管嘴孔后, 要对筒节内径的尺寸重新测量, 对出水管嘴孔处用内支撑环重新进行内孔尺寸的调整, 因焊接出水管嘴后筒体的尺寸是向筒体内呈内收缩趋势, 焊孔的最近处调整到向筒体外方向凸出的趋势, 筒节孔微呈椭圆状, 作为焊接后的变形补偿。

(5) 出水管嘴焊接时应严格按焊接工艺操作。要注意焊接过程中出水管嘴的位置、焊接顺序、焊接参数等, 达到焊接后筒体变形最小化的目的。

(6) 焊装4个导向销垫的划线位置, 焊导向销筒外衬板的位置要用支撑环的螺栓将此处向外顶突起, 作为外衬板焊后筒体变形的补偿。焊接衬板时要尽量使筒体圆柱度尺寸的焊接变形最小, 按照工艺要求采取合适的焊接顺序。焊后调整筒体内径尺寸在最好状态;导向销的焊接也应注意筒体的变形;中、下筒节在加工焊接坡口前, 一定要确保筒节的焊后尺寸在工艺要求范围内;中、下筒体焊接后调整筒体的内孔尺寸在最理想状态。

5、结论

核电厂用大型结构件, 由于尺寸大、焊缝分布复杂、精度要求高, 因此, 控制焊接变形变得尤为困难。此外, 大型核电焊接结构件的生产成本高, 生产周期长, 一旦焊接变形超出设计范围限制, 处理相当复杂, 甚至可能出现产品报废, 因此, 控制大型核电焊接结构件的焊接变形是必须解决的课题。本文结合压水堆核电站堆内构件制造过程中吊篮筒体焊接后内径超差问题及产生的原因, 对二代改进型压水堆堆内构件吊篮筒体焊接后的内径超差现象从工艺方面进行了经验反馈。

摘要：二代改进型压水堆堆内构件吊篮筒体焊接后均容易出现不同程度的内径超差现象, 严重影响了设备制造进度。本文从筒体卷制到焊接过程分析了造成最终焊接后内径超差现象的原因, 并从工艺方面进行了经验反馈。

关键词：堆内构件,吊篮筒体,内径超差,经验反馈