秦山核电二期工程包括两台600 MW的反应堆,是继我国第一座300 MW核电机组后,我国第一座独立自主设计、建造的商用核电厂.反应堆采用目前世界上技术成熟、安全可靠的压水堆型,每个堆的反应堆冷却剂系统包括两个对称的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,波动管将反应堆冷却剂系统主管道的一环热段与稳压器连接起来,管段呈空间曲线结构,如图1所示.主管道热段波动管接管嘴的理论中心标高为+8.920 m,稳压器下封头波动管接管嘴的理论中心标高为+13.278 m.   波动管由五段牌号为Z2CND18-12的控氮无缝热轧钢管现场焊接组成,管径为φ355.6×35.7 mm,总长度约为19.1 m,总重5.73 t.   波动管属于核一级设备,连接着主管道和稳压器, 是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、高压及温度变化, 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,施工技术复杂.
  波动管的对接环焊缝为RCCM1级,质保等级为QA1级,抗震等级为Ⅰ级,波动管清洁度、存放区和工作区都为Ⅱ级.
1  波动管的安装焊接
1.1 波动管安装前的准备工作
  在波动管施工前,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600 MW反应堆冷却剂系统波动管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.波动管安装、焊接方案必须经监理公司及业主审查,批复后方可用于指导现场施工.   
(3)波动管焊接工艺评定.波动管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.   
(4)焊工资格.为了确保波动管焊接质量,现场从担任主管道焊接工作的焊工中挑选了2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波动管的焊接工作.   
(5)设备就位情况.波动管各管段应在稳压器就位前运入安装区域;焊接工作应在主管道一环热段焊接完成及稳压器最终就位后方可进行.   
(6)现场条件.为了保证波动管安装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)材料验收.原材料(波动管、焊材等)经过验收且质保文件和复验报告齐全.   
(8)施工工机具.应对波动管焊接时所用的焊机标定情况进行认真检查,两次标定间隔不得大于三个月.
1.2 波动管的安装
  波动管由五根管段现场焊接而成,共六道现场焊口,最终将反应堆冷却剂系统主管道的一环热段与稳压器连接起来.每一管段都有编号,管段的两端都打有标记,RCP010/02管段B、C两端的坡口及RCP010/05管段E端的坡口已加工完毕,RCP010 /01管段的B端、RCP010/03管段的C端、RCP010/04管段的E端留有约70 mm的现场安装调整余量,在RCP010/01管段的A端、RCP010/05管段的F端留有40 mm余量以满足水压试验的要求.波动管安装操作顺序如下:   
． 波动管定位放线标记;   
． 波动管预组装及管段划线;   
． 坡口的加工和尺寸检查;   
． 波动管的组装、调整、点焊;   
． 波动管RCP010/01、RCP010/02、RCP010/03管段之间B、C焊口的焊接及RCP010/04、RCP010/ 05管段之间E焊口的焊接;   
． 波动管RCP010/01~03和RCP010/04~05两焊接管段水压试验;
． 波动管最终A、D、F三道焊口的组对焊接.   
(1)波动管定位放线及标记
  根据稳压器波动管管段及焊口布置图和稳压器波动管几何尺寸及坐标示意图,在稳压器波动管间的地板和墙面上标记出冷态时波动管的理论中心线.标记从稳压器下封头的波动管接管嘴中心线开始到一环主管道热段波动管接管嘴中心线为止,标记点的坐标见表2.   
(2)波动管预组装及管段划线
  在波动管的五个管段中,只有RCP010/02(BC)管段B、C两端的坡口都已加工好.因此,预组装时先调整固定RCP010/02管段,以该管段作为预组装其它管段的基准,即先将该管段放在临时可调支承上,通过临时可调支承的调节使其中心线与放出的波动管冷态中心线重合.然后将RCP010/03(CD) 表1 母材材质及规格 焊材材质及规格 焊接位置 评定标准  Z2CND18-12N  φ355.6×35.7 mm  OK16.30   OK63.25  φ1.6    φ3.2 φ4.0 5G1T 891S-40000-JT2  Z2CND18-12N  φ355.6×35.7 mm  OK16.30   OK63.25  φ1.6    φ3.2 φ4.0 2GT 891S-40000-JT2  321 δ=60 mm  OK16.30   OK63.25  φ1.6    φ3.2 φ4.0 1G 891S-40000-JT(补焊) 表2 序号 1 2 2 2 3 4 4 4 5 6 6 6 7 X -4.441 -4.423 -4.307 -4.236 -4.212 -4.212 -4.185 -4.103 -3.970 -2.908 -2.646 -2.905 -3.616 Y 2.774 2.815 3.127 3.474 3.839 7.547 7.859 8.162 8.446 10.279 11.249 12.219 12.929 Z 9.288 9.314 9.475 9.585 9.638 9.874 9.895 9.915 9.936 10.071 10.149 10.240 10.319 序号 8 8 8 9 10 10 10 11 12 12 12 13 14 X -3.717 -4.687 -5.655 -6.365 -6.402 -6.521 -6.605 -6.652 -6.709 -6.797 -6.861 -6.884 -6.884 Y 12.988 13.248 12.988 12.278 12.213 11.969 11.711 11.443 10.889 10.042 9.433 9.212 9.212 Z 10.326 10.405 10.495 10.574 10.578 10.596 10.613 10.631 10.667 10.944 11.596 12.463 13.278 注:坐标系的坐标原点为压力容器下底部中心.
  管段放在可调支承上,通过临时可调支承的调节,使该管段中心线与放出的冷态中心线X、Y坐标值重合,而Z值要比放出的基准中心线Z值标高低380 mm,以便于该管段C端划线.RCP010/01(AB)管段B端的划线方法与此相同.
  同样,将RCP010/05(EF)管段放在临时可调支承架上,在F端适当位置装上抱箍,抱箍上有四个对称的吊耳,用四个倒链将抱箍吊耳与房间顶部稳压器支承一次预埋件上焊的吊耳相连.首先通过调整使该管段的F端与稳压器上波动管接管嘴同心,由于该管段E坡口已加工好,可通过调节临时可调支承或调节倒链,使该管段的E端中心X、Y与放出的E端中心X、Y坐标值重合,而管段整体标高低于基准中心标高380 mm.然后,将RCP010/ 04(DE)管段放在临时可调支承架上, 对该管段的E端进行划线.
  (3)坡口的加工和尺寸检查
  根据预组装的结果,并考虑焊接收缩量,分别标出RCP010/01(AB)管段的B端、RCP010/03(CD)管段的C端、RCP010/04(DE)管段的E端需切除的余量长度,标记好后将管段移到合适的位置,采用专用设备切除管段的余量. 根据焊接坡口形式图(见图2)对以上坡口进行坡口加工和尺寸检查.
  (4)波动管的组装、调整、点焊
  根据波动管设备间内标记出的理论冷态中心线,通过临时支承的调节,分别将RCP010/04(DE)、RCP010/05(EF)管段调整到其理论中心线位置,并检查E焊口的组对情况,点焊后应满足:内错边量小于0.5 mm,组对间隙在1~4 mm之间.同样,分别完成RCP010/01、RCP010/02、RCP010/03管段的组装.
  (5)波动管RCP010/01、RCP010/02、RCP010/03管段之间B、C焊口的焊接及RCP010/04、RCP010/ 05管段之间E焊口的焊接   组装合格后即可分别对RCP010/02、RCP010/ 03管段的C焊口,RCP010/01、RCP010/02管段的B焊口及RCP010/04、RCP010/05管段的E焊口进行焊接,在焊接过程中应监测由于焊接变形引起的管段位置参数的变化.
  (6)水压试验
  在上述RCP010/01、RCP010/02、RCP010/03及RCP010/04、RCP010/05管段之间的焊接完成后,应分别对两大焊接管段进行水压试验,试验压力为25.8 Mpa.分别在波动管RCP010/01~03和RCP010/ 04~05两管段的两端焊上水压试验用封头,并在位于高处的封头上安装压力表、截止阀,在另一端封头处连接水压试验泵.升、降压按水压试验升压过程曲线进行,如图3所示.水压试验过程中,应对波动管母材及焊缝进行仔细检查,不得有冒汗、渗漏现象,如发现冒汗、渗漏现象应进行补焊,补焊合格后重新进行水压试验.
  (7)最终三道焊口的安装、焊接
  水压试验合格后,首先将RCP010/01~03管段调整至要求的坐标,测出A、D端需要切除的余量,并进行坡口加工.然后,将RCP010/04~05管段调整至要求的坐标,测出D、F端需要切除的余量并进行坡口加工,其中F端余量的确定应考虑焊接收缩量.
  将加工好坡口的管段调整至要求的坐标并就位,此时波动管A端与主管道波动管嘴的组对应满足内错边(≤0.5 mm)及组对间隙(1~4 mm)的要求,并采用点固棒进行四点固定;同样波动管F端与稳压器波动管嘴的组对也应满足内错边(≤0.5 mm)及组对间隙(1~4 mm)的要求,并采用点固棒进行四点固定. 由于RCP010/04~05管段的F端留有一定的焊接收缩量△,在F端焊接时由于焊接收缩作用,RCP010/04~05管段将整体垂直向上收缩△,因此在组对D焊口时须将RCP010/01~03管段D端与RCP010/04~05管段D端管道中心在水平面内左右方向对齐,在垂直面内RCP010/04~05管段D端中心线应向下偏移一个焊接收缩量△,如图4所示.根据制造图纸的建议及现场工艺评定的结果,现场选用L=6.0~6.5 mm.
  首先进行F焊口的焊接,在焊接F的过程中,利用百分表时刻对焊口D的组对情况进行监测,当F焊口焊接厚度超过50%以上,且D焊口的错边满足要求时(≤0.5 mm),采用点固棒点焊固定D焊口(组对间隙:1~4 mm),并同时开始焊接A、D两焊口,此时F焊口暂停焊接,当A、D两焊口的焊接厚度超过50%以上,方可继续进行F焊口的焊接工作.
  波动管最终焊缝应打磨平整,其壁厚减薄量应满足公差要求,并防止打磨过热.焊缝检查完毕并做好标识后,用彩条布予以缠绕保护.
1.3 波动管的焊接   
(1)波动管焊接要求
  根据波动管现场焊接技术条件的要求,波动管焊接过程中必须注意以下事项:   
． 坡口表面应清洗干净,无水、油脂、氧化物和其他可能影响焊接质量的物质;   
． 焊接作业应避免在相对湿度大于90%、打底焊时风速大于2 m/s、手弧焊时风速大于10 m/s等恶劣的环境下进行;   
． 环境温度如果低于-10℃,则禁止施焊,焊件的温度至少保持在+5℃;   
． 焊接过程控制层间温度<173℃;   
． 采用窄焊道焊接方法,并注意及时调整施焊顺序以控制焊接变形;   
． 层道间应清理干净,坡口两侧边缘100 mm范围内均匀涂抹白垩粉,以防止飞溅并防止电弧焊烟尘和熔渣的污染;   
． 打磨时,应防止在打磨中出现过热区;   
． 禁止在波动管表面起弧,TIG焊焊接应具备远距离起弧装置;
． 在任何情况下,严禁波动管与铁素体接触;   
． 焊口不允许强行组对,在第一道及最后一道焊缝上禁止锤击. (2)波动管的焊接参数
  现场根据焊接工艺评定确定出的电流的种类、直流电的极性或脉冲电极性、电参数的范围以及Ar气流量,制定了焊接工艺参数,2GT位置(即垂直固定管)焊接时所采用的焊接工艺参数见表3.   (3)波动管焊接过程检查
  在焊接过程中,为了保证焊接质量,应对下述内容进行过程检查:   
． 焊接区域湿度检查:湿度≤90%;   
． 焊接参数检查:控制在焊接工艺卡规定的范围内;   
． 焊道层间温度检查:应在173℃以内;   
． 检查变形监测仪表的读数.
1.4 波动管的焊接质量检查
  在波动管的焊接过程中,根据技术要求及现场实际情况共进行了如下无损检验(见表4).   
． 焊缝目视检查.焊缝表面目视检查(VT)应符合技术要求.
． 尺寸检查.焊缝表面粗糙度Ra≤6.3 μm,壁厚减薄量应满足公差要求.   
． 表面液体渗透(PT)检查.表面着色探伤检查(PT)应符合技术要求.   
． 射线探伤(RT)检查.焊缝应经100%射线探伤检查(RT),Ⅰ级为合格.
  波动管共6道现场焊口,分别在三个阶段进行了RT检验,共拍片108张.监理公司由无损检验工程师对全部RT底片进行了审查,一次合格率100%.
  RT所用的各项参数见表5.
1.5 波动管的焊接见证件
  根据核安全法规和技术规格书的要求,为了验证波动管焊缝的质量和保证现场焊接实施条件与焊接工艺评定试验所确定的焊接工艺相一致,每个反应堆冷却剂系统,都应分别在水平轴线固定管及垂直轴线固定管两种位置制备焊接见证件接头,并在波动管现场施焊第一条焊缝后,完成第一个焊接见证件,施焊最后一条焊缝后,完成第二个焊接见证件.见证件所用的母材为厂供无缝热轧直管,其规格为φ355.6×35.7 mm,每管段长不小于150 mm,与现场实际产品同规格、同牌号、同一炉批号,并由焊过相应产品焊缝的焊工完成,采用与产品焊缝相同的焊接参数和相同类型的焊接设备. 表3 波动管焊接工艺参数 母材牌号 Z2CN18.12N 材料规格 φ355.6×35.7mm 焊接位置 2GT 焊接方法 HWS/HD 机械化程度 手工 焊接接头坡口图:略 Ar气流量:内:5-10L/mm;外:8-10L/mm 钨极尺寸:φ3.0 焊接 方法 焊材牌号 直径 (mm) 极性 焊接电流 (A) 电弧电压 (V) 层/道 脉冲WS OK16.30 φ1.6 DC+ 基值40 脉冲65 - 1/1 WS OK16.30 φ1.6 DC+ 80~100 - 2/2-3,3/4-5,4/6-8 HD OK63.25 φ3.2 DC- 85~115 - 5/9-11,6/12-14,7/15-18,8/19-22 HD OK63.25 φ4.0 DC- 110~135 - 9/23-26,10/27-31,11/32-36, 12/37-42 表4 焊接状态 坡 口 打 底 充氩层 焊 厚 50% 焊 厚 100% VT 在整个焊接过程中,对每层、每道焊缝都进行了仔细的检查 PT(比例) 100% 100% 100% 100% 100% RT(比例) - - 100% 100% 100% 表5 胶片牌号:AgfaD3 胶片级别:Ⅱ级 片数:双片 像质计位置:片侧 所用射线源:Ir192 透照方法:双壁单影 验收标准:891S-41100-JT9 焊接方法:TIG/SMAW 合格级别:Ⅰ级 表6 焊缝拉伸试验结果 温度 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ5(%) ψ(%) 室温 615 535 39 54 360℃ 450 400 20 - 表7 熔敷金属化学分析(wt%) C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu Co 0.030 0.269 1.55 0.013 0.007 12.27 19.80 2.02 0.25 0.034   现场每焊完一个焊接见证件后,都在规定的两个月内尽快地完成了对其的各项检验(包括无损检验和破坏性试验)和评定,结果全部满足设计要求,证明了这种焊接工艺是稳定可靠的,波动管的焊接质量满足设计要求.5GT焊接见证件的机械性能及化学试验结果如下(见表6和表7).
2 波动管安装焊接经验
  监理公司对波动管安装方案先后进行了五次审查,都有难以操作的问题存在,问题的焦点在于设计文件要求五段管段焊接完成后须进行水压试验及坡口加工要考虑焊接收缩量,这给现场安装带来了极大的难度.
2.1 波动管安装焊接方案的确定
  波动管应遵守RCC-M 1级设备的设计和建造规则,根据RCC-M B5000的规定,波动管应在出厂前进行水压试验.但根据波动管采购技术规格书及安装技术规格书的要求,波动管现场组焊后,应由管道安装承包者进行现场水压试验,合格后方可与稳压器及主管道进行焊接.水压试验的压力为25.8 MPa,高于22.8 MPa的主系统冷态功能试验压力.
  监理人员结合现场实际情况认真研究了安装技术规格书及参考电站的安装经验后认为,如果波动管五段焊成一体水压试验后再与主管道和稳压器组对焊接A、F焊口,容易出现由于波动管的制造、安装、焊接变形等原因而影响最后两道焊口的组对,甚至出现强制对口的严重后果.由于安装方案难以通过, 业主组织包括设计、监理、施工单位及国家核安全部门的有关专家经过共同探讨形成如下决定:1)鉴于波动管整体水压试验后再与主管道及波动管焊接的方案难以操作,可将波动管分成两大段分别进行水压试验,即RCP010/01、RCP010/02、RCP010/03三管段焊成一体及RCP010/04、RCP010 /05两管段焊成一体后两大焊接管段分别单独进行水压试验,然后将两大管段与设备进行焊接.2)最后三道焊口A、D、F的划线要考虑焊接收缩量,焊接过程中分三个阶段对焊口进行RT检验,该三道焊口最后参加主回路水压试验.
2.2 波动管焊接收缩量的预留
  随着波动管焊接工作的进行,监理人员发现施工单位为了便于最后三道焊口的组对,不打算对该三道焊口预留焊接收缩量.这与安装技术规格书及波动管方案讨论会形成的决议不符.鉴于该问题的严重性,监理人员向业主及设计院发出了书面报告,要求设计院对该问题给予明确.在业主组织的包括设计、监理、施工单位及国家核安全部门有关专家参加的第二次波动管安装方案讨论会上,设计院经过计算认为:如果最后三道口不预留焊接收缩量,应力指数将上升一倍,疲劳问题尚须进一步计算分析.关于最后三道焊口组对困难的问题,有关专家经过共同探讨形成了如下方案:1)F端坡口的加工应考虑焊接收缩量,A、D端不预留焊接收缩量.2)波动管A端与主管道波动管嘴正常组对并点焊固定;同样波动管F端与稳压器波动管嘴正常组对并采用点固棒进行四点固定;D焊口组对时,RCP010/01~03管段D端与RCP010/04~05管段D端管道中心在水平面内左右方向对齐,在垂直面内RCP010/01~03管段D端中心线应向上偏移一个焊接收缩量△,如图4所示.3)先进行F焊口的焊接,由于焊接收缩,当D焊口上下的错边满足要求时(≤0.5 mm),采用点固棒点焊固定D焊口,暂停F焊口的焊接并同时开始焊接A、D两焊口,当A、D两焊口的焊接厚度超过50%以上时,可同时进行三道焊口的焊接工作.
  上述安装方案既便于现场施工操作又满足波动管的力学要求,最终波动管的安装符合技术规格书的规定.
3 小结
  1号机组波动管从2000年7月19日开始施工,至2000年12月19日全部结束,历时六个月,共8道焊口(包括两个见证件),共拍片136张,一次拍片合格率100%,高质量地完成了波动管的安装、焊接工作.负责此项工作的监理人员从人、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,并且在安装过程中提出了许多宝贵建议被现场采纳,为保证波动管的安装、焊接质量做出了自己的贡献,也为今后核电建设积累了宝贵的财富.
参考文献
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