陳達(dá)平 魏 蓉 沈 政 陶 德

(東方汽輪機(jī)有限公司制造技術(shù)處，四川618000)

廣東嶺澳核電站二期工程為2×1 000 MW半轉(zhuǎn)速核電機(jī)組，其凝汽器是我公司引進(jìn)國外的設(shè)計(jì)技術(shù)自主制造的。該凝汽器最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了模塊化，便于在電站組裝。而該凝汽器管束模塊(每臺4個)涉及到組裝、穿管、脹管、焊管、壓力試驗(yàn)(和水室一起)、保護(hù)、包裝、起吊和運(yùn)輸?shù)确矫?，其制造具有要求?yán)、技術(shù)含量高、施工周期長、占用場地大等特點(diǎn)，所以凝汽器管束模塊的制造是整個凝汽器制造的重中之重。

凝汽器是汽機(jī)島最重要的輔機(jī)設(shè)備，在電站運(yùn)行中起著重要作用。正常運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)來自汽輪機(jī)的排汽，并對冷凝低壓缸排汽所產(chǎn)生的凝結(jié)水作為回?zé)嵯到y(tǒng)的介質(zhì)，提高了電站的經(jīng)濟(jì)效率。在汽機(jī)跳閘和緊急甩負(fù)荷時(shí)，蒸汽排入其中，避免蒸汽進(jìn)入汽機(jī)損壞其部件。凝汽器管束模塊質(zhì)量也是保證汽輪機(jī)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要保證。

1 管束模塊的技術(shù)特征

管束模塊主要由進(jìn)水側(cè)管板組件、出水側(cè)管板組件、管系框架、換熱管、側(cè)板組件、加強(qiáng)件、抽空氣裝置等組成。管束模塊的主要參數(shù)見表1。

2 管束模塊的制造難點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)過程

2.1 復(fù)合管板組件裝焊變形的控制

表1 一個管束模塊的主要參數(shù)Table 1 The main parameters of one tube bundle module

2.1.1 復(fù)合管板組件的結(jié)構(gòu)

鈦復(fù)合板的碳鋼面與四塊側(cè)板焊接在一起組成了接頸，見圖1。

2.1.2 焊接變形產(chǎn)生的原因分析

由接頸結(jié)構(gòu)可知，只是在碳鋼面焊接四塊側(cè)板，這樣形成了單面焊接。在焊接時(shí)，由于焊接應(yīng)力的影響，就會造成復(fù)合板的角變形和側(cè)板的旁彎。當(dāng)然，在裝焊前可以采取一定的防變形措施，如：在側(cè)板上加拉筋、將兩塊同樣的復(fù)合板背靠背進(jìn)行連接等措施，但是鈦復(fù)合板焊接后不允許進(jìn)行去應(yīng)力處理，將拉筋等去除后，由于應(yīng)力的釋放，零件的最終變形就產(chǎn)生了。

2.1.3 焊接變形的控制及實(shí)現(xiàn)

將兩塊已加工冷卻管孔和周邊螺栓孔的復(fù)合板的復(fù)合層面對面貼合，復(fù)合板的四周用壓板固定并且螺栓孔位置用螺栓進(jìn)行聯(lián)接固定。在冷卻管孔區(qū)每一平方米范圍內(nèi)用螺栓將兩塊管板聯(lián)接緊固，使兩管板表面完全貼合。接頸裝配井字形加強(qiáng)拉筋和防變形槽鋼。

圖1 復(fù)合管板組件裝配圖Figure 1 The assembly drawing for composite tube plate subassembly

這樣就形成了足夠的剛性固定，很好地控制了管板在焊接時(shí)的變形，拉筋去除后，變形量可控制在4 mm以下，圖樣要求為不大于7 mm。同時(shí)，采用富氬氣體保護(hù)焊(保護(hù)氣體為20%CO2+80%Ar)，由兩名焊工按順序?qū)ΨQ、中間向兩端、分段跳焊施焊，加之在側(cè)板內(nèi)腔裝焊一圈防變形槽鋼，有效地防止了焊縫縱向收縮所引起的變形，焊接后遠(yuǎn)離焊縫端變形小，最大變形在5 mm以下，校形效果理想，實(shí)現(xiàn)了焊接變形的控制，達(dá)到了預(yù)期效果。

2.2 脹管扭矩的確定試驗(yàn)

2.2.1 脹管扭矩概念的引入

按引進(jìn)的技術(shù)規(guī)范，脹管必須用扭矩來衡量，從而代替了我國傳統(tǒng)用脹管率或減薄率衡量標(biāo)準(zhǔn)，脹管用扭矩衡量更為準(zhǔn)確和科學(xué)。脹管扭矩必須要通過鉆孔、脹管、壓力試驗(yàn)、拉脫試驗(yàn)來進(jìn)行確定。

2.2.2 過程實(shí)現(xiàn)

(1)試樣

試驗(yàn)要求至少20對試樣(一對試樣對應(yīng)一個管子)，試樣與產(chǎn)品用相同的制造和清理方法，在試板上鉆很多孔。10件按標(biāo)準(zhǔn)間隙脹管，10件按最大間隙脹管。

(2)脹管試件準(zhǔn)備

鈦管：?25 mm×0.5 mm、?25 mm×0.7 mm各35件，長度L=150 mm。

試板：見圖2。

(3)設(shè)備準(zhǔn)備

脹管機(jī)：MD-0250V機(jī)電式脹管機(jī)

脹管器：日本SUGINO CB-236×32.5-R0.5，國內(nèi)?25 mm×0.5 mm×32 mm。

(4)打印編號

見圖3。

(5)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

見表2。

圖2 試板Figure 2 Test plate

圖3 試樣打印編號Figure 3 The marking number of sample

編號試板孔直徑/mm鈦管外徑/mm鈦管內(nèi)徑/mm設(shè)定力矩/N·m脹后鈦管內(nèi)徑/mm拉脫力/kN

(6)水壓試驗(yàn)

力矩設(shè)定：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，力矩設(shè)定范圍在(9～15)N·m。

脹管：在標(biāo)準(zhǔn)間隙和最大間隙位置按(9～15)N·m分別脹管。

水壓試驗(yàn)：裝配后進(jìn)行0.8 MPa水壓試驗(yàn)，穩(wěn)壓30 min。如發(fā)現(xiàn)哪個孔泄漏，在原力矩上增加0.5 N·m重新進(jìn)行補(bǔ)脹，并重新進(jìn)行水壓試驗(yàn)，直到所有孔不泄漏。

(7)拉脫力檢驗(yàn)

對不同力矩且水壓試驗(yàn)合格的管子進(jìn)行拉脫試驗(yàn)。

(8)扭矩的確定條件

管子的最低拉斷力F由下式計(jì)算：

F=Rm×S0

式中，Rm為管子的抗拉強(qiáng)度，S0為管子的橫截面積。

扭矩的確定條件為：滿足拉脫力大于管子最低拉斷力F的25%且試驗(yàn)扭矩最小(最小值應(yīng)在試驗(yàn)最大間隙位置內(nèi))。

通過數(shù)據(jù)判定，脹管力矩為12 N·m時(shí)滿足扭矩的確定條件，因此產(chǎn)品脹管力矩被確定為12 N·m。

2.3 管板-換熱管管口密封焊試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)要求

按ALSTOM的技術(shù)規(guī)范，要求在焊接產(chǎn)品前必須按規(guī)范對管板-換熱管管口密封焊進(jìn)行工藝評定，它涉及焊接規(guī)范的選擇、拉脫試驗(yàn)、RT檢驗(yàn)、宏觀和微觀檢驗(yàn)等試驗(yàn)項(xiàng)目。

2.3.2 過程實(shí)現(xiàn)

(1)復(fù)合管板備料(見圖4)并用專門刀具進(jìn)行孔加工。

圖4 管端呈三角形分布的試塊Figure 4 The test block with tube end triangle distribution

(2)換熱管按150 mm長度備料。

(3)用丙酮將管及待焊部位徹底清理干凈。

(4)按試驗(yàn)確定的扭矩進(jìn)行脹管。

(5)用管-板自動氬弧焊機(jī)進(jìn)行自熔焊，焊接參數(shù)見表3。

(6)檢驗(yàn)項(xiàng)目及數(shù)量見表4。

其中做拉脫試驗(yàn)的3根管見圖4，其余7根管需從基材與復(fù)合層的結(jié)合面鋸開(鋸開后δ=6 mm±2 mm)，先對焊縫進(jìn)行RT檢驗(yàn)，合格后再按規(guī)范進(jìn)行宏觀、微觀及硬度檢驗(yàn)。

(7)依據(jù)合符規(guī)范的試驗(yàn)結(jié)果編制焊接工藝規(guī)程(WPS)。

表3 管板-換熱管管口密封焊焊接參數(shù)Table 3 The seal welding parameter of tube plate and heat exchange tube end

表4 檢驗(yàn)項(xiàng)目及數(shù)量Table 4 Test item and number

2.4 管束模塊的組裝、水壓試驗(yàn)及起吊

2.4.1 難點(diǎn)分析

(1)每個管束模塊長度16.5 m，且由22塊支撐管板和2塊管板組成，每張板上有1.4萬多個管孔，要求組裝后穿管前相同位置孔的同軸度保證在?2 mm之內(nèi)，以便實(shí)現(xiàn)換熱管順利穿入，從而避免機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的震動損壞換熱管。

(2)近12萬管孔的脹管質(zhì)量控制。

(3)近12萬管孔的焊接質(zhì)量控制。

(4)管束模塊的水壓試驗(yàn)及在水壓試驗(yàn)過程中發(fā)生泄漏位置的判定。

(5)每個管束模塊重達(dá)110 t，起吊措施及變形控制。

2.4.2 過程實(shí)現(xiàn)

2.4.2.1 管束模塊的裝配

(1)平臺的搭建

為了進(jìn)行管束模塊的裝焊，必須搭建一個高精度的平臺作為裝焊基準(zhǔn)，用工字鋼搭建平臺(也可用枕木)，但必須把整個平面的平面度控制在±2 mm之內(nèi)，確保底部支承水平。同時(shí)考慮水壓試驗(yàn)時(shí)的平臺高度。

(2)主要輔助工件的制作

a)管隔板間連接螺栓：用于管隔板吊裝直立后的定位和間距調(diào)整。

b)同軸度測量工具，見圖5。

圖5 同軸度測量工具Figure 5 The measuring tool for axiality

c)隔板加強(qiáng)板：隔板的尺寸大，板厚僅14 mm，外形尺寸4 820 mm×4 292 mm，吊裝時(shí)易變形，也不利于找正。在吊裝前用螺栓將兩根鉆孔的角鋼緊固在隔板上，確保在裝配中的平面度和垂直度。

d)鋼絲固定工具，見圖6。

圖6 鋼絲固定工具Figure 6 The anchoring tool for steel wire

(3)管束模塊的裝配工藝流程

a)在裝配平臺上劃出模塊的中心線和每塊隔板的位置線，在隔板位置線上用限位塊限位，再依據(jù)限位塊的位置將隔板一一就位。隔板就位時(shí)，在每兩塊相鄰的隔板上用了9根連接螺栓，讓螺紋定位桿均布在隔板板面上，見圖7。

圖7 隔板裝配圖Figure 7 The assembly drawing for separator

b)管板組件的下端面與中間管板的下端面不在同一個平面上，因此端管板組件裝配就位時(shí)就不能放在裝配平臺上，需要單獨(dú)支撐和定位。

c)管系管孔同軸度找正：以進(jìn)出水側(cè)端管板組件為基準(zhǔn)，依次找正中間管板的冷卻管孔的同軸度。由于模塊長度過長、精度要求高(長度超過16.5 m，同軸度要求?2 mm)，如果按照傳統(tǒng)的拉鋼絲方法找正Z軸方向的同軸度，則為了控制鋼絲的撓度而需要加載的重物過重，容易導(dǎo)致鋼絲斷裂。在這種情況下，將經(jīng)緯儀和拉鋼絲的方法結(jié)合起來使用，即解決了鋼絲過長容易斷裂的問題，又彌補(bǔ)了經(jīng)緯儀不能測量X軸坐標(biāo)的缺陷。將經(jīng)緯儀使用在管板冷卻管孔同軸度找正中，還克服了長時(shí)間拉鋼絲造成撓度值變化進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確的缺陷。

d)管束模塊的焊接：焊接時(shí)應(yīng)保證以上尺寸不變，并選擇合理的焊接順序(從中間向四周)以控制變形。對所有內(nèi)外相通的焊縫進(jìn)行PT檢驗(yàn)，對吊耳焊縫進(jìn)行UT檢驗(yàn)，整體清理、補(bǔ)涂。

2.4.2.2 管板-換熱管脹管質(zhì)量控制

(1)清潔度的保證

脹管、焊管工作場地的保護(hù)工作是保證穿管脹管焊接質(zhì)量的重要工作。由于脹管質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)氬弧焊的焊接質(zhì)量受清潔度的控制，在焊接完成的模塊兩端，利用專為核電凝汽器設(shè)計(jì)的保護(hù)倉骨架在外面覆蓋阻燃布，給脹管、焊管時(shí)制造一個獨(dú)立的工作空間以保證脹管、焊管環(huán)境。

(2)脹管質(zhì)量的控制

a)采用在管孔布置圖上標(biāo)注的方法以期進(jìn)行質(zhì)量的可追溯，標(biāo)注內(nèi)容包括穿管操作者、穿管時(shí)間、穿管區(qū)域、穿管箱號、脹管操作者、脹管時(shí)間。

b)開箱檢查冷卻管外觀無損傷、無變形，核對制造廠的證明文件。工作人員在進(jìn)入工作場地時(shí)應(yīng)該穿戴干凈的工作套裝、手套和靴子，檢查管子在搬運(yùn)過程中有無損傷缺陷，用棉白布和丙酮清理干凈管子上面的灰塵和油漆標(biāo)記，一個作業(yè)組每次只能穿一根管子，作業(yè)中管子不允許彎曲。

c)脹管機(jī)采用可顯示的電動扭矩脹管機(jī)。為了防止脹管引起管板變形，要求操作者必須按照脹管順序圖進(jìn)行脹管。要求每個班組開始工作時(shí)和每隔1 000根管子就需在工藝試板上確認(rèn)扭矩，確保所有管孔脹管扭距是工藝試驗(yàn)確定的扭矩。每天和每個班組開始脹管前預(yù)先將待脹的管孔和管子用壓力無水風(fēng)槍吹去浮塵，并用丙酮清洗，在干燥條件下脹管。

(3)檢驗(yàn)

a)外觀檢驗(yàn)。

b)用塞規(guī)檢驗(yàn)管口管徑。

c)對工藝試板按規(guī)范進(jìn)行拉脫試驗(yàn)。

2.4.2.3 管板-換熱管焊接質(zhì)量控制

(1)清理

焊接前用溶劑(60%丙酮、40%水)將待焊接部位及周圍至少25 mm范圍內(nèi)清理干凈。

(2)焊接

a)為了控制焊接變形和焊接熱影響，保證每個管孔焊接質(zhì)量，要求操作者必須按照焊管順序圖進(jìn)行焊管，并按管孔焊接順序及記錄圖的順序進(jìn)行施焊。

b)劃分出每次約300個孔的焊接區(qū)域，按照WPS采用不填絲的自動旋轉(zhuǎn)氬弧焊。為了使焊接熱量不集中，采用分散焊接的方法，并且要保證已焊接部位的溫度降至60℃以下才能在附近施焊。

c)為了控制焊接質(zhì)量，每臺設(shè)備、每個班開始焊接時(shí)以及每隔300個孔均要在試板上試焊檢查一次，確認(rèn)焊接參數(shù)和焊接設(shè)備的正確量。

(3)檢驗(yàn)

a)外觀檢驗(yàn)。

b)按ASME第8章對所有的焊縫進(jìn)行著色(PT) 檢驗(yàn)。

c)用塞規(guī)檢驗(yàn)管口管徑。

d)對工藝試板按規(guī)范進(jìn)行拉脫試驗(yàn)和理化、力學(xué)性能、宏觀、微觀檢驗(yàn)。

2.4.2.4 管束模塊的水壓試驗(yàn)及在水壓試驗(yàn)過程中發(fā)生泄漏位置的判定

(1)管束模塊的水壓試驗(yàn)

a)為了節(jié)約成本，管束模塊與水室一起進(jìn)行水壓試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)按規(guī)范進(jìn)行。

b)水壓試驗(yàn)合格后，放凈水，用熱風(fēng)對換熱管內(nèi)部進(jìn)行烘干。

(2)水壓試驗(yàn)過程中發(fā)生泄漏位置的判定

如果有泄漏，需對每根管進(jìn)行真空檢驗(yàn)，直到找到泄漏點(diǎn)，再進(jìn)行水壓檢驗(yàn)，直到合格。找泄漏點(diǎn)的過程是個相當(dāng)繁瑣和費(fèi)時(shí)的事情，我們設(shè)計(jì)了一套真空檢驗(yàn)裝置來判定泄漏點(diǎn)。

2.4.2.5 起吊措施及變形控制

管束模塊重達(dá)110 t，為了保證在起吊時(shí)不變形，制訂了專門的起吊指導(dǎo)書。規(guī)定起吊鋼絲繩夾角不小于60°。經(jīng)過計(jì)算后，還采購了專用的起吊鋼絲繩和卸扣。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

總結(jié)1 000 MW核電機(jī)組凝汽器管束模塊的制造經(jīng)驗(yàn)，有以下技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：

(1)管束模塊組裝技術(shù)；

(2)管板接頸防變形的焊接技術(shù)；

(3)管板與換熱管采用扭矩控制的脹管技術(shù)；

(4)管板與換熱管按國際標(biāo)準(zhǔn)的鈦復(fù)合板管口焊接技術(shù)；

(5)管束模塊整體與水室一起水壓試驗(yàn)后管或管口泄露檢驗(yàn)技術(shù)；

(6)管束模塊整體起吊的變形控制技術(shù)。

4 結(jié)語

我公司成功制造了首臺核電機(jī)組凝汽器管束模塊，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了國際先進(jìn)水平，真正填補(bǔ)了公司凝汽器模塊化制造的空白，提升了我公司凝汽器的制造能力，促進(jìn)了公司的技術(shù)進(jìn)步，有利于市場競爭，而且也為我公司后續(xù)機(jī)組的開發(fā)及制造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。