核电MSR壳体的防变形工装存在问题及改进措施

宗 倩，冀润景，李进江

（中国电能成套设备有限公司，北京100080）

核电MSR壳体的防变形工装存在问题及改进措施

宗 倩，冀润景，李进江

（中国电能成套设备有限公司，北京100080）

分析了核电MSR壳体变形的原因，改进了防变形工艺措施。在壳体上采用防变形辅助工装，并优化了工装的焊接方案。对壳体母材的裂纹缺陷进行了原因排查和分析，采取了一系列针对性改进措施，取得了良好的效果，为同类核电设备的制造方案提供借鉴。

核电；常规岛；汽水分离器；再热器；壳体；防变形；方案；改进

0　概述

随着我国能源结构的不断优化，以及“一带一路”战略的不断推进，建设核电机组或核电设备输出将成为趋势。汽水分离再热器（简称MSR）是核电站常规岛系统中的重要设备，起着对汽轮机高排蒸汽除湿、再热、提高蒸汽过热度、保护低压缸叶片、避免通流效率降低的作用。大功率核电机组的卧式MSR由壳体、分离器及两级再热器组成，且为一体化结构设计［1］。由于MSR筒体的体积大、内件多，装配精度要求高，在制造过程中，如果壳体发生变形，将直接影响内件装配和工地安装，变形严重时，将无法进行矫正，有可能成为不合格品。

在制造环节中，为避免壳体变形，采取了一系列防变形措施。若防变形措施使用不当，不仅起不到应有作用，反而会影响产品制造质量。现以某大功率核电机组MSR的制造为例，对防变形工装焊接部位出现裂纹缺陷的成因进行了分析，找出了防变形工装在装焊中存在的问题，提出了解决方案以及改进措施。通过工程实践，证明改进后的工艺方案是科学合理的。

1　核电MSR的壳体结构及特点

某型MSR依据ASME规范进行设计，壳体结构及布置，如图1所示。壳体和封头材质选用碳钢SA—516Gr.70，壳体的设计压力为1.15 MPa，设计温度为316℃。壳体外径为4 264 mm，卧式筒体由11段筒节组焊而成，筒体长度为25 m，壁厚为32 mm，属于薄壁大直径筒体。封头采用蝶形冲压封头。MSR壳体筒身上布置了数量较多的大直径接管，如循环蒸汽进、出口接管、壳侧疏水出口接管、安全阀接管等。在壳体上还分布了加强板、垫板等数量较多的构件。在筒体内壁与湿蒸汽接触的部位均衬有不锈钢板。汽水分离再热器的循环蒸汽进汽口接管，布置在壳体的底部，出汽口布置在壳体上部。进口及出口接管各有三路［1］。在筒体外壳上共有4个支座，其中1个为固定支座，3个滑动支座，以满足壳体热膨胀的需要。

图1　某大功率核电MSR结构图

2　引起壳体变形的因素及工艺措施

在制造过程中，如果压力容器的几何尺寸与图样要求不一致，或者超出制造标准中的要求，在制造或装配时就易出现变形。产生变形的原因可分三类：应力引发变形、加工误差引发变形以及设计缺陷引起的变形。三类变形的原因树，如图2所示。为防止壳体变形，可分别采用主动性或被动性措施。主动性措施包括通过优化工艺，减小加工或焊接过程的应力变形；被动性措施则包括采用防变形工装，增加工件刚度以控制变形。

图2　壳体制造变形原因树

2.1 MSR壳体制造的特点

（1）MSR筒体属于薄壁大直径筒体，在焊接过程中，易产生焊接变形。（2）MSR壳体上的焊接接管，直径大于800 mm有8个，直径在100～800 mm 有14个，焊接工作量较大。焊接接管前，采用单点火焰进行预热，局部温度的升降较快，易造成接管部位的焊接变形。（3）壳体内件的结构复杂，数量众多，且焊接接头的形式大部分为角向焊接，焊接工作量大，易导致焊接变形［2］。（4）MSR筒体的焊后热处理，原采用两段组焊筒体的分段热处理，现改为焊后整体热处理，这对防变形工装的布置提出了更高要求，如支撑位置不合理或支撑强度不足，会引起热处理后的壳体变形。

由壳体变形的原因分析可知，影响MSR壳体变形的因素，主要是焊接应力引发的变形。在壳体制造过程中，应采取相关措施，重点是减小焊接及热处理过程中的壳体变形。

2.2 工艺上的防变形措施

（1）主动性措施，是对焊接方法进行选择或优化焊接方案。在筒体焊接或筒体与接管焊接时，选择实心焊丝，采用MAG焊接方法，保护气体选择80%Ar+20%CO2的混合气体。这种焊接方法可实现快速焊接，相比较其他焊接方法，该焊接方法的焊接热输入量最小，对控制焊接变形极为有利。另外，由于焊接过程中没有熔渣及粉尘的参与，有效地保证了焊接环境的清洁度，满足了接触介质的表面不允许残留碱性物质的要求。在内件焊接时，综合考虑了焊缝的表面成形和焊接变形等因素，根据内件的焊接位置及焊缝结构，选择了实心焊丝及MAG焊接方式或TIG焊接方式［2］。

嵌入式接管与筒体的环向焊缝，是具有较大拘束度的焊接焊缝，采取了分段对称焊的方式。对于直径大于800 mm的接管焊缝，按图3（a）所示，进行分段焊接。焊接顺序为1，1'→2，2'→3，3'→4，4'，其中1，1'～4，4'分别由2名焊工同时进行焊接。对于直径为500～800 mm的接管焊缝，按图3（b）所示，进行分段焊接。焊接顺序为1→2→3→4。对于两侧焊脚相等的双面角焊缝，在焊接时，进行两侧的对称焊接。焊接接头的焊道排布，如图4所示。焊接顺序为1→1'→2→2'→3→3'。采用多层焊取代单层焊，每层选用较小的焊接热输入［2］。

图3　接管焊接顺序图

图4　角焊缝焊道排布

（2）被动性措施，是采用辅助工装防止壳体变形。为防止筒体径向的焊接变形，在筒节焊接时辅以撑圆工装，在消应力热处理后再进行拆除，并在接管端口处预留余量，如图5所示。为防止在开孔及接管焊接过程中的筒身变形，需在热处理前，在壳体外部装焊多道防变形环形工装。在大接管两侧，采用了防变形环与筒体外壁贴合+环向间断焊的方式，防变形环与筒体间为刚性连接，如图6所示。

图5　壳体内部的防变形支撑环

图6　壳体外部的防变形工装

3　拆除防变形工装后情况及缺陷成因

某型百万核电机组的A编号MSR壳体，在完成焊接并进行整体热处理后，拆除了筒体上的防变形工装，并对原工装间断焊的位置进行MT检测，共发现17处裂纹，缺陷深度在3～7 mm，已超出检测标准的技术要求。尽管对此类缺陷的修复有着成熟的工艺和经验，但壳体母材出现裂纹缺陷，是属于较大质量问题。因此，必须对裂纹的产生原因进行分析，并需采取相关措施，避免裂纹的再次产生。

根据MSR壳体的制造工艺，针对所发生的问题，进行了原因分析和情况排查。

（1）经查阅相关施焊记录，在防变形环施焊前，按焊接工艺要求进行了预热。在以往MSR的壳体制造中，曾出现过拆除内部临时支撑后，壳体母材产生了裂纹等问题，因此，对于工装焊接、拆除等过程中采取的防护措施，相当重视，所以，由于防变形环焊接而引起母材裂纹的可能性不大。

（2）以往热处理炉较小，壳体为分段热处理，经热处理炉的升级改造，现已改为整体热处理，所以，很容易认为新的热处理工艺存在问题，导致了裂纹的出现。然而，通过对已完成焊接，尚未进行热处理B编号的MSR壳体进行检查，在拆除部分防变形环后，同样发现裂纹13处，因此，可以判断裂纹是在热处理之前就已产生。

（3）在防变形环的拆除过程中，曾采用气刨拆除的方法，因气刨量过大，伤及了母材，碳弧气刨的急速加热和冷却，在刨削表面及附近区域产生了增碳、粘渣和热影响区，引起母材组织和硬度变化，因此产生了缺陷。针对这些问题，规定在后续工装拆除时，气割或气刨距产品表面的距离，至少留5 mm，然后再采用机械或砒磨的方法去除剩余部分，也不能采用导致产品表面材料撕裂的方法，去除临时性附件（如锤击等）。在A编号的MSR壳体防变形环拆除过程中，也是严格工艺要求执行的。因此，母材的裂纹缺陷，不可能是拆除工装的不规范引起的。

通过原因分析和排查，可以判定裂纹产生于接管焊接过程中。制造厂对壳体进行应力分析发现，筒身开孔、接管及其弧形加强板的装焊过程中，在壳体内部产生了较大焊接应力，防变形环的安装位置与大接管的距离较近，因此，防变形环与筒体间焊缝承受很大的焊接变形拉力。同时，在焊接接管加强板时，受变形环阻挡，需在变形环的局部位置，切割1个豁口，该豁口又容易造成应力集中。受焊接应力的影响，防变形环与母材的焊接处被拉裂，使筒体母材产生了裂纹。经整体热处理后，部分裂纹还发生扩展，这就是防变形环拆除后，母材出现裂纹并扩展的主要原因。另外，防变形环与筒体间每组焊缝的焊脚高度和焊角不够，造成内部接管的支撑强度不够，也是导致焊接过程中变形应力过大而产生裂缝的原因。

4　防变形工装的改进及效果

通过分析发现，大接管焊后的应力较集中，同时，防变形环工装的设计也不尽合理，导致母材区域热应力集中而出现裂纹。尽管通过清缺补焊，对裂纹缺陷进行了处理，但有必要制定措施，避免后续机组的MSR的壳体制造再次出现母材裂纹。通过对壳体应力分布及裂纹分布情况进行分析，结合工艺经验制定了相应的改进措施。

（1）改进大接管焊接预热工装。采用圆形喷嘴加热工装，如图7所示。由单点火焰加热改为多点火焰加热，保证了接管焊接过程中对温度的要求，避免了预热温度不均及温度降低过快等问题。

图7　圆形喷嘴加热工装

（2）对防变形环与壳体外壁的焊接方式进行优化。将原间断焊接位置的焊缝进行加长和加厚，对接近接管部位的焊缝改为双面焊。

（3）适当增加接管两侧防变形环之间距离，使防变形环避开接管加强板，避免防变形环局部需开豁口而导致应力集中。

（4）增加接管开孔支撑、内部米字支撑、防变形环之间加装槽钢，以加强支撑强度，如图8所示。

图8　MSR壳体部分工装布置简图

通过对工装方案的优化，在后续机组的MSR壳体制造过程中，再未出现此类伤及母材并出现裂纹等情况，使问题得到了解决。

5　结语

大功率核电机组MSR壳体属于薄壁大尺寸筒体，在制造过程中，产生变形的主要因素，是焊接、热处理等产生的应力变形。经优化焊接工艺，并设置了合理的防变形工装。防止了因应力集中而引发的母材缺陷。

针对某大功率核电MSR制造过程中出现的问题，提出了相应的优化措施。可对其他核电设备或同类产品的制造，提供有益的参考。

［1］罗吉江.海阳核电汽水分离再热器的技术特点［J］.电站辅机，2014，35（1）：1-5.

［2］冯劢.AP1000汽水分离再热器焊接变形控制［J］.锅炉制造，2014（4）：38-40.

Problems and Improvement Measures of Anti-deformation Fixture of Nuclear MSR Shell

ZONG Qian，JI Run-jing，LI Jin-jing
（China Power Complete Equipment Co.，Ltd.，Beijing 100080，China）

Influence factors of shell deformation of nuclear MSR have been analyzed，and anti-deformation measures have been improved.Anti-deformation auxiliary fixture have been adopted on the shell，and the welding plan of the fixture is optimized and improved.Causes of the shell base material crack have been investigated and analyzed；a series of improvement measures has been taken，which obtained good results，thus provides important reference for the manufacture of similar nuclear power projects.

nuclear power；conventional island；moisture separator；reheater；shell；anti-deformation；plan；improvement

TL353+.13

B

1672-0210（2016）01-0021-04

2015-11-13

宗倩（1982-），女，工程师，毕业于东华大学机械制造及其自动化专业，从事核电设备监造及技术方面的管理工作。