The Installation Techniques and Supervision for 600MW Reactor Coolant Piping

刘新利

（核工业第四研究设计院四达监理公司，河北石家庄，050021）

摘 要 论述了秦山核电二期工程600 MW反应堆冷却剂系统主管道的安装、焊接技术及监理要点，并对反应堆冷却剂系统主管道的安装顺序、安装技术要求、焊接质量检验方法以及焊接变形的控制等方面给予了详细的阐述，对核电站反应堆冷却剂系统主管道安装焊接的质量控制具有借鉴作用。

关键词 秦山二期 反应堆冷却剂系统 主管道 安装监理

Abstract：This paper introduces the installation, welding techniques and supervision focus of 600 MW reactor coolant system main piping, and illustrates the installation process, technical requirements and inspection method of welding quality as well as controls of welding deformation etc., which can serve as a reference for quality control of reactor coolant piping installation in nuclear power station.

Key words：Qinshan phase Ⅱ Reactor coolant system Installation and supervision

秦山核电二期工程是我国第一座独立自主设计、建造的2×600 MW商用核电站，每台机组额定功率为650 MW。反应堆采用目前世界上技术成熟、安全可靠的压水堆型，每个反应堆冷却剂系统主管道（以下简称主管道）包括两个对称的300 MW标准环路，每个环路由一个热段、一个冷段和一个过渡段组成，如图1所示。热段和冷段的中心标高为＋8.920 m，分别布置在蒸汽发生器和主泵隔间，热段连接反应堆压力容器冷却剂出口和蒸汽发生器冷却剂入口，冷段连接反应堆压力容器冷却剂入口和主泵冷却剂出口；过渡段的中心标高为＋6.010 m，布置于蒸汽发生器和主泵隔间之间，连接蒸汽发生器冷却剂出口和主泵冷却剂入口，从而构成了一个封闭的回路，即一回路（也称主回路）。主管道主管由奥氏体不锈钢离心铸造而成，材质牌号为Z3CN20.09M，其上各类管嘴也为铸件，材质牌号为Z2CND18.12。其中热段长6001±3 mm，管径φ873×68.5 mm，重9.714 t；冷段长7157±3 mm，管径φ828×64.75 mm，重9.466 t；过渡段长2685.8＋1521＋350.8 mm，管径φ932×72.3 mm，重14.544 t。

主管道属于核一级管道，连接着主泵、蒸汽发生器和反应堆压力容器，是一回路反应堆冷却剂系统压力边界的重要组成部分，运行中长期承受反应堆冷却剂的高温、高压，其安装质量直接关系到核反应堆的安全。因此，安装焊接质量要求高，技术难度大。

主管道焊缝为RCC-M1级，质保等级为QA1级，抗震等级为Ⅰ级，主管道清洁度、存放区和工作区都为Ⅱ级。

1.1 主管道安装前的准备工作

在主管道施工前，负责此项监理工作的监理工程师首先编写了《秦山核电二期工程600MW反应堆冷却剂系统主管道安装焊接监理工作程序》，并按照该程序对下述相关活动进行了检查：

（1）组织机构。现场应具备健全的施工组织及管理机构，要做到管理上有人负责，技术上有人把关。

（2）施工方案。主管道安装、焊接方案必须经监理公司审查，批复后方可用于指导现场施工。

（3）主管道焊接工艺评定。主管道焊接工艺评定根据技术要求以及现场实际安装情况，共做了三项评定（见表1），经监理工程师及业主审查合格。

表1

（4）焊工资格。为了确保主管道焊接质量，现场精心挑选的14名焊工经过培训，并根据HAF603进行焊工考试，考试结果经监理工程师及业主审查合格后方可担任主管道的焊接工作。

（5）设备就位情况。主管道一、二环冷热段应在反应堆压力容器最终就位后、蒸汽发生器和主泵泵壳吊装前吊入各自相应的隔间。

（6）现场条件。为了保证主管道安装Ⅱ级工作区的要求，在所有施焊部位，应用三合板和彩条布加以围拦，形成一个相对独立的施工空间，以满足整个施工现场对清洁度的要求。

（7）施工工机具。应对主管道焊接时所用的焊机标定情况进行认真检查。

1.2 主管道安装焊接分析

管道由两个以压力容器为中心对称的环路组成，因此一、二环路可以同时展开焊接，互不影响。现以一环主管道安装焊接为例，对主管道安装焊接顺序进行详细分析，如图1所示。
缝1C1、1F1、1U1可以同时焊接；
C4、1F4在1C1、1F1焊接厚度超过50%以上，且其组对间隙、错边满足要求时，方可进行焊接；
主管道冷、热段及1U1焊接完成以后，通过测量确定过渡段调整段的加工余量后，方可进行过渡段的安装焊接。

1.2.1 主管道热段的安装焊接分析

在主管道热段与蒸汽发生器组对前，首先应将蒸汽发生器由焊接前的热态中心位置移动到冷态位置。由于主管道热段蒸汽发生器侧弯头具有一定的角度θ，如图2所示，因此在焊接时由于焊接收缩将发生水平与竖直两个方向的收缩，即LX和LZ，因此在组对1C1焊口时须将蒸汽发生器沿冷态中心线反向平移一个L'X（L'X＞LX）。1C1组对后，热段与压力容器出口接管中心在水平面内左右方向应对齐，在垂直面内热段中心线应向下偏移一个焊接收缩量的竖直分量LZ。在焊接1C1过程中，利用百分表时刻对焊口1C4进行监测，通过及时调整焊接不同部位的顺序，以使1C4焊口在水平面内左右方向的错边始终控制在允许的范围内。当1C1焊接厚度超过50%以上，且1C4错边满足要求时（≤0.5 mm），水平移动蒸汽发生器组对1C4焊口（组对间隙：1～4 mm），采用点固棒（φ50×50）进行六点固定，并开始焊接。在1C4焊接过程中，监理人员必须检查蒸汽发生器的各种约束是否解除，以保证蒸汽发生器能够沿冷态中心线方向自由移动。通过观测悬挂在蒸汽发生器底封头中心的磁力线坠与投放在地板上的坐标点的相对位置，调整焊接不同部位的顺序，确保焊后蒸汽发生器位置满足设计要求，并保证蒸汽发生器的垂直度。

同样，由于主管道冷段压力容器侧弯头也具有一定的角度θ，如图3所示，故在焊接时将发生水平面内LX和LY的收缩，因此在组对1F1时，可将主泵泵壳沿冷态中心反向平移一段距离。1F1组对后，冷段与主泵出口管嘴中心在垂直平面内上下应对齐，在水平面内偏移一个焊接收缩量LY。其焊接过程和注意事项与热段相同。冷段焊接完毕，监理人员应检查主泵中心及法兰面的水平度是否满足设计要求。

过渡段40°弯头可与冷段、热段同时焊接，通过控制焊接变形来保证弯头下管口平面的水平度。

由于主泵及蒸汽发生器的垂直支腿为铰接形式，设备的中心位置只有在主管道冷、热段焊接完成后才能最终确定。因此，过渡段的水平直管和垂直直管都留有现场安装调节余量，坡口未加工。待主管道冷、热段焊接完成以后，通过测量以下几组数据（如图4所示），计算出其调整段的加工余量，在车间进行划线、切割、坡口加工，再运抵现场进行安装（过渡段可从主泵间吊装孔进行运输）。焊接前先点固1U2、1U4焊口，1U6处于自由状态，并保证水平管上口中心与主泵泵壳入口中心向主泵方向偏移一个焊接收缩量L。然后先施焊1U4焊口，监理人员可通过设置在1U6口的百分表来监测其对口情况。当1U4焊接厚度达50%以上，而1U6对口间隙、错边都满足要求时，可同时施焊1U2、1U6焊口（此时1U4暂停焊接），当1U2、1U6焊接厚度达50%以上时，可同时施焊1U4至100%。

垂直段加工后尺寸E=C+B1
水平段加工后尺寸F=A1-G+L-△
式中：△为坡口间隙，L为焊接收缩量。
A1为40°弯头下管口中心至主泵入口接管嘴中心之间的水平距离。
B1为40°弯头下管口中心至主泵入口接管嘴中心之间的垂直距离。

过渡段加工量的确定是主管道过渡段安装的关键，为此在主管道冷、热段焊接完成后，测量监理工程师对影响过渡段加工的各尺寸都一一进行了测量，最终保证了过渡段安装的顺利完成。

1.3 主管道的焊接质量检查

在主管道焊接过程中，根据技术要求现场共进行了如下无损检验：

2 主管道安装焊接经验及存在问题的处理

主管道在安装焊接过程中，监理人员坚持重点工序旁站监理，坚持见证与巡视相结合，发现了一些质量隐患并及时督促施工人员进行了整改，避免了质量问题的发生。

2.1 焊接收缩量L

在主管道安装焊接过程中，在冷、热段组对以及过渡段调整段的划线、切割时，都曾用到一个重要的数据：焊接收缩量（L）。在实际应用时，根据法国制造图纸的建议及现场工艺评定的结果，现场选用L=8~8.5 mm，而在实际焊接中都证实了此焊接收缩量数值的选用比较合理，也与监理人员审查施工方案时采用的大壁厚管道焊接收缩量传统经验公式的计算结果一致。

最大焊接收缩量Lmax=0.2×AH/t；

最小焊接收缩量Lmin=0.2×AH/t－0.5；

式中AH为焊缝坡口截面积，t为管道壁厚。

2.2 主管道焊接前后主设备的位置关系

反应堆处于运行状态时主泵及蒸汽发生器的中心位置称为热态中心位置，在反应堆处于冷态时主泵及蒸汽发生器的中心位置称为冷态中心位置。为了减小热应力对反应堆冷却剂系统主管道及主设备的影响，从设计上考虑将主泵和蒸汽发生器的垂直支腿设计成铰接式。这样，主泵和蒸汽发生器在一回路升温过程中可以逐渐从安装焊接后的冷态位置向热态位置移动并最终定位在运行状态下的热态位置，而反应堆压力容器的中心位置在整个过程中始终保持不变。这样，主设备在运行时才处于最佳的受力状态。

根据秦山二期主泵和蒸汽发生器安装技术规格书的要求，主泵泵壳和蒸汽发生器的安装调整是在热态位置进行的。由于现场施工人员未正确理解主设备在安装状态与运行状态的位置关系，而将主管道与热态位置下的主设备直接进行组对。根据监理人员对主设备在焊前、焊后位置关系的理解，主管道焊接完成后主设备应处于冷态位置，主管道与主设备组对时，应将主泵、蒸汽发生器推移至冷态中心位置。监理人员立即要求施工人员对设备的位置进行了调整，从而避免了一回路系统在主设备焊接中产生的重大质量问题。

2.3 一环冷段组对过程中存在问题的处理

监理工程师在对1号机组主管道一环冷段1F1焊口焊前组对检查时发现，该环主管道与设备之间的组对存在严重问题：当主管道冷段在压力容器侧组对满足要求时，主泵侧的错口达70 mm以上（管口偏向蒸汽发生器），如果在这种状态下进行焊接，焊后主泵的中心位置将远远超出设计要求；当主管道冷段在主泵侧组对合格时，压力容器侧出现张口现象，其间隙最大为6.6 mm，最小值为0，组对间隙无法满足1~4 mm的设计要求。由于压力容器安装位置经监理公司复测满足设计要求，根据压力容器竣工图得知其冷段进口管嘴角度线反向偏差4＇（远离主泵侧，有利于当时的组对），故问题只能出在厂供主管道冷段弯头的角度制造误差上。为了进一步查找原因，监理人员建议施工单位暂停一环冷段1F1焊口的组对工作，先对主管道二环冷段进行组对，结果主管道二环冷段主泵侧及压力容器侧的组对均满足设计要求，证明了监理人员对问题的分析。

冷段在压力容器侧组对时在水平面内微小的间隙变化都会导致主泵侧较大的错口偏移，约为12倍关系。因此，现场有关各方技术人员经过共同探讨，采取了通过打磨压力容器出口管嘴与主管道管嘴钝边的措施，来调整主泵向蒸汽发生器方向的偏移量，即：在保证主泵焊后中心从热态点向蒸汽发生器偏移量不超过28 mm的条件下，可对管嘴两侧进行适量的打磨，每侧打磨量最大不超过1.3 mm，总共不超过2.6 mm。修磨后，主管道压力容器侧焊口1F1的组对间隙满足了1~4 mm的要求，如图5所示。

主管道安装、焊接所用的工机具应进行严格的标定、检查。应特别检查焊接时所使用的焊机，其仪表标定期为3个月，而一般焊机标定期都为一年，很容易产生疏忽。在主管道焊接前，施工单位就忽略了此问题，经监理工程师及时提醒才进行标定。

2.5 设备约束的解除

在1号机组主管道1C4焊口焊前检查过程中，监理人员发现蒸汽发生器的临时横向支承未全部解除，这样蒸汽发生器在焊接过程中不能够沿冷态中心线方向自由移动，不利于减小焊接残余应力。经监理人员及时提出后，现场进行了整改，保证了主管道的焊接质量。

3 小结

1号机组主管道从1999年6月28日开始施工，至2000年1月27日全部结束，历时7个月，共18道焊口（包括两个见证件），拍片720张，一次拍片合格率100%，高质量地完成了主管道的安装、焊接工作。鉴于该物项的重要性，参建各方都投入了大量的人力和物力，监理公司从人、机、料、法、环等方面在整个安装、焊接过程中按照预先制定的监理程序进行了严格有效的控制，在安装过程中提出了许多宝贵建议并被现场采纳，为保证主管道的安装、焊接质量作出了自己的贡献。通过此次监理，我们积累了丰富的经验，为指导今后核电监理留下了宝贵的财富。

参考文献

1. 沈俊雄．大亚湾核电站建设经验汇编．原子能出版社，1994年

2. 中国核动力研究设计院．主管道安装技术要求．（文件编号：891S-44700-JT1）

3. 中国核动力研究设计院．主管道现场焊接工艺评定技术条件．（文件编号：891S-40000-JT1）

4. 中国核动力研究设计院．主管道现场焊接技术条件．（文件编号：891S-40000-JT9）