CPR1000 堆型CRDM 耐压壳更换工艺研究

朱志强，章日俊，王 东，王了一

（中核检修有限公司，上海 201100）

0 引言

CRDM（Control Rod Drive Mechanism，控制棒驱动机构）安装于安全壳内的反应堆压力容器顶盖上，是一种竖直方向步进运动的磁力提升机构。它按照指令带动控制棒组件在堆芯内上下运动，完成反应堆的启动、调节功率、保持功率、正常停堆和事故停堆等功能，是核电厂重要安全设备之一。CRDM 耐压壳通过“螺纹连接+焊接”固定在压力容器顶盖上，是核电厂一回路压力边界设备，直接影响反应堆的安全运行。

在核电厂运行一段时间后，受复杂工况的影响，可能出现CRDM 耐压壳需要更换的情况。目前CRDM 耐压壳更换技术主要掌握在国外厂家手中，国内还未完全掌握全套技术。下面结合某核电厂CRDM 耐压壳的更换经验，对CRDM 耐压壳更换工艺总结，完成关键技术难点分析与应对（图1）。

1 CRDM 耐压壳更换整体技术路线

根据控制棒驱动机构的结构，耐压壳是通过螺纹连接在压力容器顶盖顶部贯穿件上，并通过密封焊形成一回路物理边界。更换耐压壳必须完成耐压壳的切割、拆除、接管座坡口加工、重新安装及过程检查，经分析形成CRDM 耐压壳更换工艺：耐压壳切割前的检查→耐压壳切割前的准备→切割耐压壳→拆除耐压壳→拆除隔热套管→耐压壳切割后的检查→接管座加工坡口→耐压壳安装前的检查→安装隔热套管和耐压壳→焊接耐压壳→耐压壳焊接后的检查。

（1）耐压壳切割前的检查。对隔热套管相对于正常状态的整体变形情况进行检查，包括变形量、变形方位、影像记录。在管座上标记出原耐压壳Canopy 焊缝起弧点和收弧点的位置。

（2）耐压壳切割前的准备。在待切割耐压壳底部敷设防火布，周边用聚乙烯薄膜、防火布保护。

（3）切割耐压壳。通过计算确认并标记耐压壳的切割位置线，使用专用工具进行耐压壳的切割。本项工作难点在切割线确认和切割工艺，详见第下文。

（4）拆除耐压壳。清理耐压壳切割位置毛刺，清洁切割位置。连接吊车、倒链、弹簧秤、吊带，完成耐压壳的拆除，目视检查接管座螺纹表面情况，并用专用螺纹通止规检查，必要时进行处理。由于耐压壳与接管座材质为不锈钢，耐压壳拆除咬死风险极大（拆除工艺详见下文）。

图1 CRDM 控制棒驱动机构示意

（5）拆除隔热套管。耐压壳拆除后，需要取出发生变形的隔热套管，结合现场实际情况，本项目隔热套管需要进行切割，才能顺利拆除。通过顶升隔热套管，在套管与接管座之间塞木块或胶皮，使用电动切割机切割隔热套管，防止切割振动造成的二次伤害，具体工艺本文中不做详细论述（图2）。

图2 隔热套管切割保护示意

（6）耐压壳切割后的检查。在耐压壳拆除后，对CRDM 接管座切割位置毛刺清理，检查切割后接管座代加工坡口位置的外形尺寸、厚度。

（7）接管座的坡口加工。通过计算、论证，结合CRDM 接管座图纸尺寸要求，确定现场坡口加工需求，使用专用坡口加工设备完成接管座坡口加工。坡口加工工艺和设备是核心，其工艺分析详见第2.3 节。

若坡口尺寸不在焊接工艺评定范围，需要坡口实际状态制定模拟焊接试验程序和产品焊接程序，并提交设计方审查。由于耐压壳焊接使用填充环，根据以往经验，工艺评定件焊接后尺寸，焊接位置厚度大于焊接前，不需要重新制定工艺评定。

（8）耐压壳安装前的检查。对CRDM 接管座坡口进行液体渗透检查；使用专用螺纹通止规对CRDM 接管座螺纹进行检查；清洁CRDM 接管座，包括内部、螺纹和坡口位置。

（9）安装隔热套管和耐压壳。安装隔热套管；检查填充环与耐压壳之间的焊点宽度尺寸，焊点宽度≤3mm；检查填充环与耐压壳之间的间隙，间隙值应＜0.04 mm；检查填充环两个端头相接处的间隙，间隙值应＜0.6 mm；检查耐压壳上部的吊环已经紧固，紧固力矩为250 N·m，连接环吊将耐压壳翻转到垂直位置。连接吊车、气动平衡装置吊装耐压壳，在距离接管座50～100 mm 处停止，使用气动平衡装置缓慢将耐压壳落在接管座上，用专用夹紧工具缓慢将耐压壳沿螺纹拧在接管座上；在距离耐压壳最终位置约10 mm 时，检查同心度，保证耐压壳与接管座偏移量不大于0.1 mm。螺纹完全啮合后将耐压壳拧松1/4 圈，再用力矩扳手紧固至420 N·m，检查填充环与管座之间的间隙，在0.04～0.25 mm。

（10）焊接耐压壳。按照焊接程序要求，使用CRDM 自动焊机完成耐压壳焊接（图3）。

图3 CRDM 耐压壳焊接位置

（11）耐压壳焊接后的检查。对耐压壳焊缝进行目视、液体渗透检查，并完成水压试验验证，完成耐压壳的更换。

2 技术难点及解决措施

2.1 CRDM 耐压壳切割线及工艺

2.1.1 耐压壳切割位置线确认

根据CRDM 耐压壳安装图，耐压壳坡口出距耐压壳大径下表面距离12.5±0.1 mm，Y 形填充环厚度1.4～1.6 mm。

从价值最大化考虑，耐压壳切割应不对耐压壳与接管座造成不可修复性伤害，优先保证接管座的坡口形状和尺寸，并预留一定加工余量。切割片厚度应＜1.4 mm，结合调研情况，优先选用1 mm 厚切割片（图4）。在完成待更换耐压壳关键尺寸复查后，现场切割位置线为切割片上表面距耐压壳大径下表面距离12.5 mm。

图4 CRDM 耐压壳切割示意

2.1.2 耐压壳切割设备简介

压力容器顶盖上耐压壳布置紧密，最近距离304 mm，结合接管座待切割位置直径164 mm，切割设备最大运行轨迹应在Φ444 mm 内，加工精度0.05 mm，振动可控、切割稳定。本次处理耐压壳切割设备包括夹持结构、手动旋转支架、手动进给机构、气动切割机，通过手动调整进给量，手动旋转启动切割机，完成密封面焊缝的切割。切割片选择Φ80×25.4×1 mm。

2.1.3 耐压壳切割工艺

（1）准备至少2 个焊接模拟件：一个用于切割练习，一个为见证件。

（2）将切割设备半环固定在接管座上，调整切割片上表面到耐压壳大径段下表面距离12.5 mm。手动旋转切割支架，在圆周上间隔45°均布8 个位置点使用12.5 mm 量块复测验证，确保12.5 mm 的距离要求。

（3）每次进给0.5 mm 旋转一周切割焊缝，逐圈切割直至完成。切割过程中喷冷却剂，防止切割过热。

2.2 CRDM 耐压壳拆除和检查

耐压壳拆除的难点如何防止旋出过程中不锈钢螺纹咬死。结合耐压壳安装经验，有3 个重大影响因素需要控制：①耐压壳自重；②避免旋转力矩受力不均；③拆除力矩过大。

（1）采用气动平衡装置，消除重力影响。

（2）采用专用旋转抱箍，避免受力不均。

（3）逐步增加旋松力矩，严格控制拆除力矩不超过1.2 倍紧固力矩。

连接吊车、倒链、弹簧秤、气动平衡装置、吊带。吊车缓慢提升至吊带底部低于耐压壳吊环约200 mm，对中吊车吊钩和耐压壳上部的吊环，保证吊钩与耐压壳在一条铅垂线上，对中效果将直接影响耐压壳能否顺利拆除。拉动倒链至弹簧秤示数约380 kg（耐压壳理论重量380 kg），将耐压壳力矩紧固抱箍固定在耐压壳上，使用力矩扳手旋松耐压壳，初始旋松力矩为420 N·m，如不能旋松，逐步增加旋松力矩（每次增加20 N·m），最大不超过500 N·m（拧紧力矩的1.2 倍）。后续通过手动旋转拆除耐压壳，拆除过程中，通过拉动倒链，使弹簧秤的示数控制在380±30 kg。

实际使用420 N·m 力矩旋松了耐压壳，旋出过程中弹簧秤显示重量为350～370 kg，旋出后重量为384.5 kg。弹簧秤控制在360 kg 左右是旋出较为顺畅。拆除后接管座螺纹存在轻微毛刺、个点磕碰。

2.3 CRDM 接管座坡口加工

由于国内不具备短期完成接管座坡口加工能力，本项目CRDM 接管座坡口加工由国外专业服务商实施完成。

2.3.1 坡口加工尺寸确定

坡口加工基本尺寸确定遵循以下原则：①加工后CRDM接管座与新耐压壳的匹配性，新耐压壳安装后填充环与管座之间的间隙在0.04～0.25 mm；②CRDM 接管座与耐压壳坡口组对及尺寸满足焊接工艺要求；③CRDM 接管座加工图仅作辅助参考及验证。坡口加工涉及的关键尺寸为Ca、Da和e（图5）。其中，Da为接管座坡口位置的外径，Du为耐压壳坡口处的外径，Ca为接管座上端面到坡口上端面的距离，Cu为耐压壳与接管座配合面到耐压壳坡口的距离。本项目根据国外专业服务商技术文件，要求加工后保证尺寸：①外径Du-1≤Da≤Du；②坡口厚度1.4≤e≤2.3 mm（e 为焊缝去除毛刺后的厚度）；③高差1.4≤Ca-Cu≤1.8 mm。所有加工尺寸Da、Ca需要根据待安装耐压壳完工尺寸来确定。

图5 CRDM 接管座关键尺寸

CRDM 接管座关键加工尺寸分析：

（1）外径Du-1≤Da≤Du，保证接管座与耐压壳坡口组对错边满足焊接要求。

（2）坡口厚度e：1.9 mm≤e≤2.16 mm，满足焊接工艺评定要求。CRDM 耐压壳安装阶段焊接工艺评定的覆盖范围值1.9 mm≤e≤2.16 mm，如果e 值在安装工艺评定范围内，按正常工艺评定进行焊接。如果e 值不在工艺评定范围，则根据现场实测厚度制作工艺评定件，重新进行工艺评定合格后，再进行焊接。

（3）高差1.4 mm≤Ca-Cu≤1.8 mm，保证新耐压壳安装后填充环与管座之间的间隙在0.04～0.25 mm。结合Y 形填充换理论厚度1.5 mm，实际加工过程中应保证1.54 mm≤Ca-Cu≤1.75 mm。

2.3.2 坡口加工设备简介

本项目坡口加工设备由国外专业服务商提供，具有特点：

（1）基本参数：电压220 V（50 Hz），气源0.5～0.7 MPa（5～7 bar），转速60±20 r/min，加工精度0.01～0.05，加工外径Φ162～165 mm，加工高度128～133 mm。

（2）定位基准：CRDM 接管座上表面，即耐压壳与接管座装配面。

（3）装配基准：CRDM 接管座内孔。

（4）成形刀具一次加工到位。

（5）设备外形尺寸小于Φ400 mm。

3 结论与建议

3.1 结论

本研究通过对CRDM 耐压壳结构特点和现场条件分析，制定耐压壳更换整体技术路线，在此基础上进一步分析CRDM 耐压壳更换的关键点和难点，成功完成CRDM 耐压壳更换。针对CRDM 耐压壳切割难点，分析切割线确认原则、切割设备要求，制定专项工艺，保证切割质量；针对CRDM 耐压壳拆除咬死难点，采用重力平衡装置、专用旋转抱箍、力矩分层控制，顺利完成拆除；针对CRDM 接管座坡口加工，分析关键加工控制尺寸，反向论证工艺数据。通过总结CRDM 耐压壳更换过程中现场实测数据，专项设备工艺特点及关键阐述，可进一步研究扩展运用于核电运行阶段CRDM 耐压壳更换，为CRDM 耐压壳更换专用设备或类似设备更换专用设备研发打下知识基础，为CRDM 耐压壳焊接工艺进步研究提供工艺、数据参考。

3.2 建议

（1）对CRDM 耐压壳切割装置进一步研究，形成远程遥控自动化切割设备，满足强辐射环境下应用。

（2）对CRDM 耐压壳坡口加工关键数据基础上进一步研究CRDM 耐压壳焊接组对核心数据要求，进一步研究CRDM 耐压壳焊接工艺范围，形成自有核心工艺数据。

（3）对CRDM 耐压壳坡口加工设备进行开发，自主开发并掌握CRDM 耐压壳更换的全套设备和工艺。