核反应堆冷却剂泵电机支座装配焊接工艺

　　杜雷+刘大为+李雅范+林海燕
　　摘要： 分析了核反应堆冷却剂泵电机支座的装配焊接工艺难点和关键工艺。通过全尺寸模拟件成形和焊接试验，制定出合理的装配焊接工艺方案。实际产品按照此装配焊接工艺进行生产，首次实现了该部件的自主制造。
　　关键词： 核反应堆冷却剂泵；电机支座；装配；焊接
　　中图分类号： TG47；TG457.11；TG441.4
　　Abstract： This paper analyzes the difficulties and key technology of welding assembly of reactor coolant pump motor support. Through the full size simulation and welding test， make a reasonable welding technology. According to the actual product assembly and welding process， for the first time to realize manufacturing the components.
　　Key words： reactor coolant pump； motor support； assembly； welding
　　0前言
　　反应堆冷却剂泵（主泵）是核电站反应堆的＂心脏＂，是反应堆冷却剂系统的主要设备和压力边界设备之一。在以福清方家山项目为代表的＂二代改进型＂主泵中，电机支座作为主泵的安全1级部件之一，其承担了主泵及主泵电机几乎全部的质量总和，在主泵运行中起到支撑和稳固的作用。
　　电机支座部件的国产化是我国核电主设备国产化重点任务之一。我公司通过全尺寸模拟件成形和焊接试验，摸索出符合设计要求的合理的成形、装配及焊接工艺，解决了核主泵制造中的关键工艺难题，从而制造出了满足质量要求的产品。该项技术可用到我公司今后＂华龙一号＂主泵等同类产品制造设计上，充分发挥公司先进设备的利用率，既提高了公司制造技术的先进性，又降低了成本，提高了生产效率，具有重大的经济效益和社会效益。对我公司相关工种操作人员也是很好的锻炼。
　　1电机支座的结构
　　电机支座分为上下两部分，整体采用圆形筒体与法兰接合的回转体焊接结构设计，此种设计可以降低制造成本，节约材料，且因其对称设计，具有受力均匀，结构紧凑，性能质量可靠等特点。但是由于下部支座需装配连接不同直径的泵盖及上部支座，采用了锥度为11°的锥体的设计，如图1所示，且尺寸公差、精度、表面精度要求高，锥体成形过程较为复杂，因此卷制出满足设计尺寸要求的锥体具有一定难度，是支座制造过程中的关键工艺之一。此外，考虑到机座结构复杂、焊缝交错、焊接量大，为避免残余应力过于集中，焊接变形过大，除了进行必要的焊后热处理之外，在焊接坡口设计上大量采用了双面坡口设计；在实际焊接过程中为了保证焊缝质量，某些焊缝应用了多种焊接方法，因此需要确定合理的焊接参数、装配和焊接次序及方向、制定最佳的焊接工艺方案来有效地控制焊接变形，满足图纸尺寸及后续加工要求。
　　2半锥体的卷制及成形工艺过程
　　半锥体结构为2瓣设计，材料选用SA 36M，厚度为50 mm，单瓣卷制形状的精确与否直接关系到2瓣锥体能否顺利对接以及能否满足对接后的圆度要求，因此该部件的制造是十分关键的，其工艺过程是历经数次试验摸索而制定的。
　　半锥体部件采用滚板机一次卷制而成，下料尺寸精度对成形后的尺寸有很大的影响。该锥体展开下料的扇形板是按照以计算机3维实体图展开放样计算得到精确尺寸为基础，并考虑设备卷制需要，每侧预留400～450 mm的直边余量，根据钢板形状，合理套裁，进行数控半自动切割落料。
　　半锥体的卷制过程中，由于该件板材厚，刚性大，直接置于滚板机上卷制是十分困难的，而且曲率半径也难以保证，为此在卷板前采用放射线展开法对其进行1：1放样展开，每隔150 ～200 mm划出成形母线。然后通过卷板机按照成形线预制半锥体两端部弧形，再利用滚板机配合竖辊卷制半锥体。根据其大、小端口的半径数值，结合滚板机正常工作时上辊下降的数值计算公式，分别得到上辊在大、小端口的下降数值，分别卷制上、下端口至尺寸要求。配合成形线及上、下端口样板不断修正，即可完成半锥体的卷制过程[1]。
　　卷制完成后，为了克服材料回彈，进一步修正成形尺寸精度，对部件进行局部热校形处理。利用金属局部受热后膨胀所引起的新变形，来抵消原来的变形，从而使半锥体尺寸满足图纸要求，如图2、表1、表2所示。随后焊接工艺拉筋，如图3所示，目的是避免后续吊装运输、加工及焊接过程引起的半锥体形状变化。使用气割方法切除直边余量，加工纵缝坡口。
　　3.1焊接工艺规范
　　焊接工艺规范的制定是在充分消化吸收技术转让资料的基础上，结合自身设备及人员能力进行工艺评定，查阅文献[2]，试验摸索出的在满足焊缝质量要求下的适宜参数范围，具体工艺参数如下。母材：SA36M+SA36M；焊接方法：GMAW熔化极气体保护焊；保护气体：80%Ar+20%CO2；气体流量：12～18 L/min；焊接材料：AWS A5.18 ER70S-6 直径1.2 mm；预热温度：最低预热温度100 ℃；电流类型：直流反接；焊接参数见表3。
　　3.2装配及定位焊
　　2瓣半锥体在装配时，充分考虑下序环焊缝坡口尺寸的加工要求，按照严格要求上、下端尺寸，筒体纵缝中部位置其次要求的原则。采用划线定位装配方法，将2瓣半锥体按划好的装配位置线固定后，在合口位置预留2～4 mm 焊接收缩量，然后使用气体保护焊方法进行定位焊实现装配。
　　定位焊焊道的截面尺寸不宜过大，尽量布置在基本焊缝所在位置，严格控制定位焊焊接质量，以便焊缝施焊后能将其全部重熔，确保焊接质量。对于必须布置在非焊缝位置的定位焊缝，焊后进行清理（打磨）表面。
　　在定位焊前及焊缝正式施焊前，相互接触的部件表面及焊口两侧50 mm以内的母材，必须严格清除油脂、铁锈、熔渣等污物以保证焊缝焊接质量。
　　3.3纵缝的焊接
　　为了控制焊接变形，在纵缝焊接过程中，由两名操作者在对称位置同时进行施焊，如图4所示，先焊接内径大坡口一侧的立向焊缝的2/3，然后使用电弧气刨清根、打磨，对清根打磨后的表面进行MT检查合格后，焊接外径小坡口一侧的立向焊缝至焊满，最后将内侧坡口的剩余焊满。采取分段、退步、对称、跳焊法。合理利用产品结构形式，仅完成焊接距离上、下端约250 mm长的焊缝，减少热输入量，从而控制焊接变形。整个过程中实时测量整个锥体大、小端直径的变化，可根据变化值调整焊接顺序，满足尺寸要求。
　　按照上述工艺流程进行了锥体纵缝的模拟件验证焊接，按照产品探伤规程要求对焊缝进行了MT、UT检查，焊缝质量满足设计要求。焊后锥体大、小端圆度满足图纸精度要求，可以进行后续加工。
　　4锥体与法兰的装配和双面坡口环缝的埋弧自动焊接
　　4.1焊接工艺规范
　　对于锥体与法兰施焊其环焊缝时，考虑到其为回转结构、焊缝长度长，因其为主要的承压焊缝，焊接质量要求高，采用埋弧焊无疑是一种优质、高效、劳动条件好、焊后处理简单的焊接方法。
　　由于埋弧焊焊接电流大，电弧压力大，电弧穿透能力强，在无任何衬托和辅助装置情况下，易造成焊穿或液态金属流失；为防止焊穿，首层焊接采用气体保护焊GMAW进行打底，焊接到10 mm左右厚度时，再使用埋弧焊接；同时在清根后，埋弧焊接背面第一层时，由于焊缝较薄，为防止焊缝熔穿，焊接电流也不宜过大。具体工艺参数如下。母材：AISI 1020 A668M+SA36M；焊接方法：GMAW熔化极气体保护焊+SAW埋弧焊；保护气体：80%Ar+20%CO2 ；气体流量：12～18 L/min；焊接材料：AWS A5.18 ER70S-6 直径1.2 mm、AWS A5.17 EH11K 直径2.4 mm；焊剂F7A4；预热温度：最低预热温度100 ℃；电流类型：直流反接。焊接参数见表4。
　　4.2装配及定位焊
　　法兰和锥体装配时，主要保证2个法兰及锥体上、下两端的同心度。采取立式装焊法，将大径法兰吊装到事先调平并画好位置线的装配平台上，然后按照位置线逐层吊装锥体、上法兰并定位焊固定，如图5所示。
　　定位焊由两名操作者在对称位置在小坡口一侧同时进行施焊，采取分段、退步、对称、跳焊法，分段定位焊接，每段焊接50 mm左右。
　　每个焊缝坡口装配组对时，高度方向留取2～5 mm的焊接收缩余量。在定位焊前及焊缝正式施焊前，相互接触的部件表面及焊口两侧50 mm以内的母材，必须严格清除油脂、铁锈、熔渣等污物以保证焊缝焊接质量。
　　4.3环缝的焊接
　　根据产品结构形式，合理采用变位机配合此焊接过程的实施，方便快捷，使焊接质量稳定性得到进一步提高[3]。
　　将装配好的部件吊至变位机上，变位机旋转，保持平焊位置进行焊接。使用熔化极气体保护焊GMAW进行打底焊，如图6所示，打底金属厚度视间隙大小而定。焊前，接头区域用高压风吹除灰尘，适当方法清除焊接区水分和油污；焊丝伸出长度25～30 mm，始终保持焊丝与接头中心垂直，施焊环缝时根据筒体直径及参数，焊丝沿焊接反方向偏移40～100 mm的偏移量。
　　从第二层开始使用埋弧焊施焊，如图7所示，先焊接内径大坡口一侧至坡口深度的2/3，然后使用机加方法清根，打磨，对清根打磨后的表面进行MT合格后，焊满外径小坡口一侧的焊缝。整个过程中实时测量上、下法兰的变形情况，可根据变化值调整内外坡口的焊接顺序，减小焊接变形对尺寸的影响。
　　按照上述工藝流程进行了锥体与法兰环缝模拟件的焊接，按照产品探伤规程要求对焊缝进行了MT、UT，焊缝质量满足要求。焊后法兰与锥体同轴度、法兰变形满足图纸尺寸及后续加工要求，可以进行后续加工。
　　5结论
　　（1）反应堆冷却剂泵电机支座的制造成功，标志着我公司完全掌握了＂二代改进型＂核电主泵电机支座的制造技术，同时也标志着主泵国产化工作取得重大进展。
　　（2）实现了大厚度锥体的自主成形，并通过多次实践积累了卷制后的火焰校形的经验，最终完全达到了设计精度要求。
　　（3）实现了锥体纵缝的CO2气体保护焊接，有效的控制了焊接变形，焊后尺寸公差满足图纸要求。
　　（4）实现了锥体与法兰之间环缝的埋弧焊接，有效的提高了生产效率，提高了焊缝质量。
　　参考文献
　　[1]卢玉升. 三辊卷板机卷制任意锥筒的调整计算及卷制过程的改进[J]化工设备与管道，2009，46（5）：4-5.
　　[2]史耀武. 中国材料工程大典. 材料焊接工程（第23卷）[M].北京：化学工业出版社，2006.
　　[3]杜永勤，陈孝国，魏 荣. 大坡口悬空埋弧焊工艺[C]//第十一次全国焊接会议论文集（第2册），2005.