压水堆核电厂堆内构件安装加工件控制

2010-03-24张彩放

中国核电 2010年4期

关键词：核电厂间隙组件

张彩放

（中国核工业二三建设有限公司，广东深圳 518124）

压水堆核电厂堆内构件安装加工件控制

张彩放

（中国核工业二三建设有限公司，广东深圳 518124）

对压水堆核电厂反应堆关键设备的堆内构件安装过程的加工件控制所存在的问题进行深入分析，提出堆内构件安装加工件的测量、加工、检查等控制环节的关键要求，归纳总结了堆内构件安装加工件的控制要素，结合笔者的施工经验，分析堆内构件安装加工件的控制关键点，提出了堆内构件安装加工件质量控制和风险防范的措施，对堆内构件安装加工件控制具有指导意义。

核电；堆内构件；安装加工件；控制

压水堆核电厂反应堆的堆内构件安装是核电工程关键路径上的关键施工活动，具有施工周期长、质量要求高、施工风险大等特点，整个施工过程的风险控制难度很大。核电厂在运行期间，每年停堆检修期间都需要吊出上部堆内构件进行核燃料的更换工作，每10 a进行一次的大修期间需要吊出下部堆内构件进行全面检查，验证在长期满负荷运行状况下的堆内构件间隙变化及堆内构件受损情况，因而堆内构件安装的质量高低关系到核电厂的长期可靠、安全运行。

堆内构件安装施工的关键控制点就在于堆内构件安装加工件的控制。本文的研究目的在于着眼解决核电施工中堆内构件安装加工件控制存在的问题。有针对性地详细分析堆内构件安装加工件的种类、剖析目前施工存在的问题、剖析堆内构件安装加工件控制关键点，探讨堆内构件安装加工件控制的关键因素。结合施工经验，总结了堆内构件安装加工件的质量控制措施和风险防范关键点。

本文对压水堆核电厂反应堆的堆内构件安装加工件的质量控制和风险防范具有一定指导意义，对其他堆型的核电厂反应堆的堆内构件安装也可借鉴参考。

1 堆内构件概述

1.1 堆内构件的组成

堆内构件指在反应堆压力容器内除燃料组件及其相关组件以外的所有其他结构件，由上部堆内构件、下部堆内构件以及压紧弹簧等直属部件组成。上部堆内构件由热电偶柱、控制棒导向筒、上支承板、上堆芯板等组成；下部堆内构件由吊篮组件、二次支承组件、能量吸收器组件等组成。堆内构件总体结构示意图见图1。

1.2 堆内构件的功能

（1）堆内构件是反应堆压力容器内支撑和固定堆芯组件的结构部件，盛装燃料组件与相关组件，并为它们提供定位和预紧力；

（2）为控制棒组件提供可靠的导向，吸收控制棒动态载荷（如落棒冲击能、燃料组件载荷等），并传递给反应堆压力容器；

（3）为堆芯提供冷却剂流道和合理的流量分配，并减少冷却剂无效泄漏；

（4）为反应堆压力容器提供保护，屏蔽中子和γ射线，减少压力容器的辐照损伤；

（5）为堆芯中子注量率测量和温度测量系统提供固定支承和导向；

图1 堆内构件总体结构图Fig.1 Overall structure of reactor internals

（6）为压力容器辐照样品监督管提供固定的位置；

（7）为堆芯跌落提供二次支承。

1.3 堆内构件安装简述

堆内构件安装的施工主线为：下部堆内构件第一次吊入；下部堆内构件与压力容器的对中；管嘴间隙、径向支承座与径向支承键的间隙测量；U型嵌入块的加工；上部、下部堆内构件的对中复测；U型嵌入块的安装（含定位销冷装）；吊篮以下组件的安装；上部堆内构件的控制棒导向筒安装等主要工序。

堆内构件现场安装的特点是“慢工出细活”。施工持续很长周期的工作是间隙测量，施工周期里有大量工作与各种间隙、长度的测量密切相关，共有超过15种测量工作，检查记录接近5 000条。

堆内构件安装工作的难点：

（1）U型嵌入块的加工和安装；

（2）上部、下部堆内构件对中复测；

（3）管嘴的修磨（必要时）。

其中施工关键控制点：

（1）U型嵌入块定位销的加工和安装；（2）管嘴修磨的控制（必要时）。

2 堆内构件安装加工件问题剖析

2.1 堆内构件安装加工件概况

堆内构件安装加工件主要有以下类型：（1）压力容器径向支承座检查、修磨；（2）堆内构件U型嵌入块加工；

（3）堆内构件U型嵌入块现场研磨；

（4）U型嵌入块定位销销孔铰制；

（5）U型嵌入块定位装销加工、安装（液氮冷装）；（6）堆内构件能量吸收器组件导向柱加工；（7）堆内构件管嘴修磨（现场检查间隙超差时）。

堆内构件安装加工件和关键施工路径密切相关，设计要求的加工允许误差很小。

堆内构件典型加工件U型嵌入块的结构见图2。

2.2 堆内构件安装加工件问题剖析

图2 U型嵌入块结构图Fig.2 Structure of U-shape embedded block

以U型嵌入块间隙检查为例：检查径向支撑间隙，其中切向间隙值BL、BR、TL、TR允许偏差要求0～0.025 mm，径向间隙值TM、TN、TJ、TK允许偏差±0.14 mm，4个方位的检查测量要求相同，测量示意见图3。

堆内构件安装加工件其余的偏差情况及目前存在的问题如表1所示。

图3 径向支撑间隙检查Fig.3 Clearance inspection for radial bearing

表 1 堆内构件安装加工偏差情况Table 1 Reactor components installation process devistions

3 堆内构件安装加工件控制关键点

3.1 基础间隙、长度数据的准确测量

基础数据的测量精确度是堆内构件安装工作的基础，决定了后续安装工作的成败。管嘴间隙、嵌入块间隙、销孔内径、能量吸收器长度等数据测量，是整个测量工作的关键。嵌入块研磨余量大小的确定对后续的安装工作起了很大的影响，余量大了会加大现场的研磨工作量，增加安装难度，余量小了引起间隙的增大，可能会导致嵌入块报废。

3.2 机加工尺寸的精确控制

（1）U型嵌入块的机加工尺寸的余量控制。加工薄了就报废，余量留过大，加大了现场研磨工作量，增加了施工难度和工期。

（2）U型嵌入块的加工是堆内构件安装工作的重点。加工要求很高，形状较复杂，加工难度大，容易发生不符合项甚至报废，必须派有经验人员全程跟踪。

（3）定位销的过盈量控制。由磨床采用逐步逼近法加工，销子外径尽量控制接近下公差。

（4）能量吸收器组件导向柱加工长度控制。需要考虑焊接收缩量因素，并严格按照焊接要求施工，控制焊接变形。

3.3 现场施工的规范操作控制

施工操作的规范化是质量保证和风险防范的重要环节，包括质量检查工作的规范化、表格化都有利于安装质量的控制和管理。

4 堆内构件安装加工件质量控制和风险防范措施

通过堆内构件安装加工件目前存在的问题和控制关键点的分析，结合笔者在堆内构件施工技术管理方面的多年现场施工经验，提出以下几个方面的建议。

4.1 人员培训

人是安装工作的执行者，安装工人素质的高低直接影响安装质量，关系到安装工作能否顺利进行。培训的内容主要有质量意识、安全风险、技能训练等方面，技术人员和施工班组分开培训，交叉讨论。

技能培训主要内容：

（1）间隙的准确测量。要求能熟练掌握各种测量工具，精确测量时测量值与标准值偏差不得大于0.01 mm；

（2）对中复测的培训。要求能熟练掌握对中器材的使用，能快速准确读数；

（3）研磨的培训。需要训练在研磨过程中使用电动工具对平面进行修磨；

（4）专项培训。如定位销的低温冷却控制及快速冷装操作；

（5）专用工具的制备和使用。培训包括：压力容器U型支承座检查研磨板、三爪内径千分尺、钻孔工具、铰刀（建议采购进口的高速螺旋机用铰刀）、自制管嘴打磨深度测量工具和检验样板、能量吸收器加工长度测量基准杆、销子冷装的液氮保温箱及安装夹持工具、销子装入深度控制工具等。

4.2 间隙、长度准确测量措施

间隙和长度的准确测量是过程控制的关键环节，采用以下措施：

（1）班组2人独立测量，使用同一工具，测量前后应对量具进行校验检查；

（2）加强漂移数据分析和识别剔除；

（3）专业质检、监理人员全程旁站并独立测量抽查；

（4）记录表格规范化，始终保留现场实测数据：拍照、扫描，以便跟踪和复核；

（5）下部堆内构件第一次吊入反应堆容器前，若有条件建议用三维测量仪检查管嘴的外径和反应堆容器的接管内径，计算机模拟成型比较后复核管嘴的间隙，防止堆内构件吊入时间隙太小导致的吊装风险；

（6）定位销孔的直径测量：用相同的测量工具对同一孔不同深度位置进行测量，要将销孔的整个形状测量出来，找出最小直径D，作为销子的加工基准；

（7）自制专项测量的专用工具：如堆内构件管嘴打磨深度测量，打磨检查样板等。

4.3 堆内构件管嘴修磨控制措施

当现场测量堆内构件管嘴间隙值小于要求值，又无法通过对中位置调整来满足设计要求时，需对下部堆内构件管嘴进行修磨。主要原因在于堆内构件与压力容器这两大设备是由两个厂家生产，堆内构件制造是在得到压力容器厂家提供的数据后才进行管嘴加工，厂家通常会把堆内构件管嘴的外径控制在上公差或稍微超大一些，防止出现间隙过大更难处理的情况，因此安装现场出现堆内构件管嘴需要修磨的概率较高。

堆内构件管嘴修磨控制措施如下：

（1）测量足够的基础数据，扩大测量的点数，将要修磨的管嘴按切向分成24等分，在实际操作控制时每一等分又在厚度方向测3个点；

（2）制备修磨需专用工具。修磨前用薄铝板（厚度为2～3 mm）做一个半径为1 753.2 mm的检查模板，在管嘴修磨前利用管嘴本身的柱面进行校核修磨定型模板。

（3）用检查模板检查管嘴，将每一次检查的区域在管嘴侧面标记出来，将管嘴与模板的间隙记录下来，作为修磨过程中和修磨后检查的基础数据。

（4）制作专用的深度测量工具，如图4所示。

图4 管嘴修磨深度测量专用工具Fig.4 Special tool for measuring the nozzle thinning depth

（5）以管嘴间隙设计值作为基准值，计算各区域需打磨的深度。划线前在管嘴表面做PT检查。

（6）将管嘴进行均分：径向分为3层，周向分为24个区，共72个小区域，每个区域一个参考点，可适当增加参考点。用记号笔在管嘴表面划线，如图5所示。

（7）建立“修磨基准孔”。用φ3 mm钻头（钻头端部应作适当修磨尖细）在每个划线小格中间钻修磨的基准孔，孔的深度为需修磨量控制基准，测量孔深并作记录。每一次测量时应先在未钻孔管嘴表面处将专用测量表校零，钻孔深度应比控制预定值小约0.05 mm。若某个孔钻深超差大了，用黑色记号笔将孔标记出，在该孔旁边再钻一个符合要求的孔。

（8）所需基准孔钻好后，在孔深处涂上红丹。然后开始逐层修磨，从孔较深的区域开始修磨，每一层修磨量控制在0.10 mm以内。

（9）在修磨过程为确保管嘴形状，用专用测量表、模板检查，与原始数据进行比较。

（10）开始时可用带式抛光机或碟式抛光轮进行修磨，当总修磨量剩0.10 mm以内时只能采用碟式抛光轮进行修磨。

（11）按照上述的步骤逐层进行修磨，直到接近预定的修磨总量，此时若还有黑色标记的孔则用抛光轮修磨圆滑过渡。

（12）修磨完毕将基准孔打磨平后，用模板检验管嘴的圆柱度，局部采用抛光轮修磨或“油石”进行研磨，确保表面粗糙度基本达到R6.3 μm。

（13）完成修磨后，将管嘴表面清理干净并做PT检查。

（14）把下部构件清洁干净，将其吊入反应堆容器内。用塞尺逐一检查管嘴间隙值，间隙值在要求范围内管嘴修磨工作即告完成，若间隙值不满足要求则进行下一轮修磨，一直到间隙值合格为止。

钻孔的质量取决于专业者技能（包括钻头打磨和钻孔的控制）。管嘴形状的保持是通过逐层修磨，确保每一层的修磨量严格控制在0.10 mm以内且保持整个修磨区域均匀。修磨过程中需用模板检查并与原始值对比，保证在每一层修磨过程中保持管嘴形状。

秦山核电二期工程、秦山核电二期扩建工程和岭澳核电二期工程都采用上述方法对管嘴进行了修磨，修磨时都成功控制了尺寸和形状。

图5 管嘴修磨区域及划线示意图Fig.5 Skematic of nozzle thinning region and lineation

4.4 安装操作过程程序化，检查内容表格化

施工现场需要强调操作过程程序化，检查内容表格化，有利于质量控制和风险防范。例如堆内构件吊装阶段的电子称使用：每一次吊装都应接好电子秤，观察重量及摩擦力的变化情况并作出记录，以供下一次吊装时参考。不管情况如何，摩擦力变化值超过2 500 N时，应立即停钩，查明情况后再作决定。

检查内容表格化并要求施工、检查人员在相应栏目签字，这有利于质量的跟踪管理要求。

4.5 高风险施工活动专业化

中国核工业第二三建设公司的模式是由堆芯施工专业化公司（核反应堆安装公司）来负责各核电项目的所有堆芯施工活动，对高风险施工作业活动实施专业化作业，采用模式是培养建立U型嵌入块定位销安装的专业施工小组结合施工专家制度来控制。

专业施工小组按每组5人，配备2个施工小组。施工小组集中演练销孔的铰制、定位销加工控制、定位销冷装操作。专业施工小组对训练所积累数据进行分析改进，注重操作流程、心理素质、工具使用的专门训练，把U型嵌入块、定位销安装的高风险作业处于受控。

4.6 应急预案措施模式化

由于施工中会出现一些预料之外的质量问题或不符合项，为了规范问题的处理，有利于问题的及时妥善解决，避免在关键路径上耗费反复的论证环节，本着“实事求是”有针对性的原则，提出以下建议：

（1）施工单位和设计单位要坦诚交流，对堆内构件安装控制参数和关键环节达成共识。例如：定位销排气槽的布置和加工，我们的合理化建议被设计院采纳，排气槽由原来只有一个，深度0.36 mm；修改为120°均布三个排气槽，深度0.50 mm，降低了现场定位销安装时排气不畅产生“气锤”现象的风险。

（2）把堆内构件施工几个阶段的质量和安全风险分析标准化，措施规范化；对可能出现的问题和拟采取的应急预案及处理方法模式化。建议在施工启动前的方案评审阶段能达成共识，以免现场出现预料中的问题再临时抽调专家讨论，耽误时间。

（3）施工过程须对存在的质量、安全风险采取针对性的预防措施，在实施过程加强检查力度，尽量防止问题的出现或在问题出现的初级阶段就及时发现并修正。

5 结束语

堆内构件安装是核电厂施工关键路径上的关键设备，正常计划施工周期长达180天。堆内构件施工过程的难度和风险都是核电施工中最大和最难控制的，做好堆内构件安装的质量控制和风险防范显得尤其关键，而堆内构件加工件的控制又是施工过程的控制关键环节。

本文提出的堆内构件安装加工件的质量控制和风险防范措施已在秦山核电二期、秦山核电二期扩建工程、岭澳核电二期工程得到了充分的应用，且在应用中逐步完善。它对堆内构件安装技术和施工管理的整体控制具有较高的指导作用，对类似施工活动质量管理和风险控制也具有一定借鉴作用。

本文提出的控制方法对堆内构件的安装起有“防洪堤”工程的效果，对探讨如何合理缩短堆内构件施工工期和优化施工逻辑也同样具有参考作用。

[1] 核动力研究设计院. 堆内构件安装技术要求.

[2] 黄国炤. 秦山二期工程堆内构件现场安装技术[J]. 核电，2004，5.

[3] 压水堆核电厂堆内构件安装施工及验收规范.

[4] 王兆良. 堆内构件安装. 大亚湾核电站建设经验汇编[M]. 北京：原子能出版社，1996.

Dimensional control and check of fi eld machining parts for reactor internals installation

ZHANG Cai-fang
（China Nuclear Industry 23rdConstruction Co., Ltd., Shenzhen of Guangdong Prov. 518124，China）

Some key issues of dimensional control for reactor internals installation are analyzed, and important technical requirements of crucial quality control elements on the measurement, machining, and checking of reactor internals filed machining parts are discussed. Moreover, provisions on quality control and risk prevention of reactor internals filed machining parts are presented in this paper.

nuclear power；reactor internals；installation machining parts；control