路 扬

(哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司，河北秦皇岛 066206)

0 引言

汽水分离再热器为核电站常规岛的重要热力设备。由于核电厂使用的汽轮机组为饱和蒸汽机组，蒸汽发生器产生的饱和蒸汽被送到高压缸作功，高压缸末级的排汽湿度仅能达到14.2%，如果此种蒸汽仍被送往低压缸，将对低压缸产生汽蚀、水锤，大大缩短汽轮机组的使用寿命。为避免出现这种情况，专门设计了汽水分离再热器系统。这样，高压缸的蒸汽作完功后，被送入到汽水分离再热器(Moisture Separator Reheater，MSR)。在MSR 中进行分离和再热，使进入低压缸的蒸汽为过热蒸汽，减低了对低压缸叶片的冲蚀。同时，汽水分离再热系统还起到了合理分配低压缸负荷、减轻高压缸负载的功能。因此，研制新型汽水分离再热器对提高核电机组性能意义重大[1-5]。在汽水分离再热器方面，相关研究包括新型百万千瓦核电站汽水分离再热器的研制主要过程[6]、AP1000汽水分离再热器焊接变形控制方法[7]、1 000 MW核电汽水分离再热器的分离功能分析[8]、汽水分离再热器壳体设计方法[9]以及“华龙一号”核电站汽水分离再热器管子管板封口焊工艺、不锈钢换热管与管板堆焊层的焊接特点和工艺试验过程[10]、汽水分离再热器的无损检测[11]和不同类型接管安全端焊接接头常温断裂韧性对比[12]等。这些研究工作从不同角度上为制定新型汽水分离再热器的结构与壳体组件焊接制造工艺提供技术支撑。针对在新型百万千瓦核电机组汽水分离再热器制造过程中遇到的诸多关键难题，本文介绍为解决这些难题制定的焊接制造工艺方法，为重型汽水分离再热器的制造提供可行焊接制造工艺方案。

1 新型汽水分离再热器结构特性与壳体组件制造工艺

2014～2016年，某公司利用美国TEI技术，为我国VVER型百万千瓦核电机组研制了一台新型汽水分离再热器，并用于我国某核电站3#，4#机组。每个机组使用两套MSR装备。每套MSR装备的长度24.2 m,壳体壁厚32 mm,内径4.2 m,本体总重263 t。该装备主要由壳体组件、高低压封头组件、壳体内件、分离叶片、一级、二级再热器组成，其主要结构如图1所示。

图1 VVER型百万千瓦核电机组汽水分离器的三维结构示意

针对本次新型MSR的制造，将其与AP1000型MSR的结构进行详尽的对比，找出制造难点，制定了合理的解决方案和详细的制造工艺。

本设备的壳体组件是由7段筒体组成，属于薄壁大直径筒体，其壳体壁厚32 mm，材料为SA-516-70，如图2所示。

图2 MSR壳体组件及回转夹具

由于壳体组件的整个筒体上接管数量多，接管布局分散，在滚轮架上滚动时与滚轮间距最近距离仅有0.2 m，所以筒体转动时会发生轴向轻微窜动，存在碰撞风险；并且随着后续装焊壳体内部组件的增加，回转次数会进一步增大，且设备重量逐渐增加，导致壳体外壁出现碰撞和碾压压痕，破坏了接管和筒体。故接管和筒体的防护是该制造工艺的关键技术。设计了一种筒体回转承载夹具(见图2)，其为圆环形构件并带有限位板。将该夹具固定在筒体两端合适位置，并安放在滚轮架上进行安全滚动作业。这样既能控制筒体转动的轴向位移，又能避免筒体外壁受到碾压，有效提高了大型壳体组件装焊精度和效率。

壳体组件制造主要过程为：(1)卷制单段筒体；(2)焊接单段筒体的纵缝；(3)对齐多段筒体，焊接多段筒体组的环缝；(4)筒体开孔并装焊接管；(5)在筒体端部及筒体蒸汽出、入口开孔两侧安装防变形环；(6)内部开孔位置安装X形支撑架，防止接管焊后筒体变形；(7)待热处理、喷砂、防锈处理后拆除内部工装。

2 壳体内部组件装焊制造工艺

新型MSR内部组件的装配和焊接是本设备的制造难点。由于不锈钢内部组件数量多、焊接坡口角度大，与壳体焊接容易产生焊缝收缩，导致壳体圆度不合格，影响叶片和再热器的安装尺寸以及封头与壳体的对接[2-3]。

以往TEI公司设计的MSR制造工艺的控制筒体变形采用以下方法：在装焊内件前先将端部隔板与筒体进行装焊，在端部隔板上开运输口，内部组件从端部隔板两侧开口处运至筒内装焊，如图3(a)所示。这样既能够确保封头的安装尺寸，又起到筒体防变形的控制。对比可知，VVER新型MSR端部隔板未设计可运输内件的通道(见图3(b))。由于大部分内件需用吊梁运至筒内，因此无法提前装焊端部隔板，在没有端部隔板支撑的情况下，筒体端部的圆度会受到内件焊接的影响，易产生焊接变形导致超差。所以内部组件的装焊顺序是保证该设备质量的关键。

(a)已有TEI设计MSR端部隔板

(b)VVER新型MSR端部隔板

2.1 不锈钢内衬板的焊接制造工艺

为了防止锈蚀，本设备要求饱和蒸汽进入MSR蒸汽分布板之前接触的筒体及内件表面为不锈钢材质，壳体内壁设计有3 mm不锈钢内衬板，如图4所示。内衬板由多块拼接，卷制后贴合在壳体内壁蒸汽接触区域。内衬板上设有成组塞焊孔，需要进行不锈钢塞焊填充，并且与其余内部组件之间暴露碳钢表面的位置均需要用不锈钢堆焊，部分焊缝断续焊预留排气孔。在制造时，每张内衬板在壳体内壁组对好以后，首先焊接塞焊孔，再进行拼接位置以及碳钢区域的堆焊，旨在防止因内衬板边缘焊后收缩导致其与壳体贴合不严，无法进行塞焊。

图4 MSR不锈钢内衬板的铺设和塞焊

2.2 支撑隔板组件定位控制

支撑隔板和U形防冲击板为复合钢板，是内件装焊的主框架，支撑隔板的装焊尺寸要求严格,装配时支撑隔板与筒身单侧有15 mm间隙，通过环形肋板与筒体相连，见图5。

图5 支撑隔板与U形防冲击板焊接防变形工装

焊接时，蒸汽入口一侧为不锈钢复合层，支撑隔板与壳体内侧以及U形防冲击板不锈钢堆焊量大，易发生焊接变形，影响筒体圆度。焊接前需要对支撑隔板以及壳体做好各种防变形措施，隔板沿壳体径向和轴向利用辅助型钢进行刚性固定[3-4]，在壳体外侧对应支撑隔板位置安装防变形环，待后续内件装配形成刚性固定后再拆除防变形支撑。

2.3 叶片底部支撑槽及疏水通道组件焊接变形的预防

疏水通道组件作为分离叶片支撑部分，其与壳体焊后定位尺寸是本产品内件焊接的重要控制点。其焊接存在以下难点。

(1)不锈钢材质，厚度薄、单侧坡口且坡口角度大，易变形。

(2)焊缝多，装焊顺序严格，多处焊缝焊后背侧无法清理，需要气体保护焊接实现单面焊双面成形，氩弧焊热输出量大，焊后易收缩。

(3)叶片安装尺寸严格、公差小，空间狭小，校正困难。

与AP1000型MSR叶片底部支撑槽相对比，两者成型方式(见图6)和成型参数(见表1)均有所不同。

(a)AP1000型MSR叶片底部支撑及疏水通道组件 (b)VVER新型MSR叶片底部支撑及疏水通道组件

表1 AP1000型MSR叶片底部支撑槽对比

AP1000型MSR叶片底部支撑槽成型方式为折弯成型，材料为SA-516Gr70，下料后折弯成型，测量叶片安装尺寸合格后，划线气割开排水孔；新型MSR为焊接成型，材料为SA-240-304，且单侧坡口，坡口角度为45°。经试验证明，焊接后支撑板朝坡口侧发生收缩变形。由于底部排水孔较大，支撑板刚性低，焊后校正难度大，易出现波浪式变形，影响叶片的安装精度。为避免以上问题发生，先将各单件按尺寸进行装配并点焊固定，并与筒身及其他内件连接形成刚性固定，测量安装尺寸无误后，再进行二次多点点焊加固。没有固定的内件待后续与其余内件点焊牢固后，再按照此方法施焊。焊接时控制焊道道间温度，焊后产生应力不会引起较大的超差变形。

2.4 蒸汽入口侧分布板组件焊接工艺

经与AP1000型MSR分布板组件对比，得出以下不同和制造难点。

(1)材质方面：AP1000型MSR分布板为10 mm碳钢材质，新型MSR分布板为20 mm不锈钢材质，二者均与支撑隔板及筒体三面焊接，后者焊后变形趋势大。

(2)结构方面：前者分布板与隔板属于搭接式焊接，安装分布板时只需确保叶片安装尺寸；后者分布板装配尺寸影响着隔板与叶片的位置，需确保安装后沿筒体轴向齐平，来确保隔板安装在分布板上后没有间隙,见图7。

(a)AP1000型MSR分布板与隔板结构

(b)VVER新型MSR分布板与隔板结构

(3)分布板支撑形式方面：前者分布板下部与叶片上支撑槽之间焊有支撑板，可通过调节该支撑板来确保叶片安装尺寸；而后者分布板下表面直接为叶片支撑面，若分布板焊后不平或筒体不圆都会影响叶片安装尺寸。

为解决以上问题，将新型MSR分布板与筒体装点后装配与其连接并与筒体连接的其他内件，形成刚性固定后再进行施焊，焊接时控制电流的热输出量，并且采用对称式焊接控制分布板的变形量。

2.5 分离叶片组件装配工艺

新型MSR叶片规格为：203 mm×1 524 mm，材料为SA-240-304，分为端部叶片和中间区域叶片两种，如图8所示。分离叶片对于MSR来说是一个相当重要的原件，分离效果的好坏将对热效率产生影响[4]。安装前需要对叶片的方向和数量进行详细的确认。端部叶片16片，中间区域叶片1 208片，安装在支撑隔板两侧8个区域。中间区域叶片带有弹性垫片，厚度为19.8 mm，安装时需对叶片进行压缩且每片叶片最大压缩载荷不能超过409 kg。叶片厚度从19.8 mm压缩至19 mm后,方可将1 208片叶片全部放入。叶片数量的允许公差系数为3%，即不得少于1 172片。安装时利用液压千斤顶来调整叶片的压缩，按组安装叶片，并根据千斤顶的规格选择每组叶片数量。

图8 分离叶片剖面图

3 结语

通过采用合理的内件装配顺序和防变形措施，汽水分离再热器中的叶片和再热器安装精度能够得到良好的控制。目前，承制的某核电站3#，4#机组4台汽水分离再热器已顺利制造完成，制造中壳体内件通过相互刚性组对提高了强度，良好地控制了不锈钢薄板的焊接变形，确保了叶片和再热器在壳体内精确的安装尺寸。制定的焊接制造工艺和相关技术，为新型汽水分离再热器中壳体组件顺利制造提供了技术保障，也为同类产品的制造提供了宝贵的经验。