AP1000汽水分离再热器异形管板制造技术研究

魏占超，于均刚，孟 巍

（哈电集团（秦皇岛）重型装备有限公司，河北 秦皇岛066206）

汽水分离再热器是核电站常规岛的关键设备之一，其作用为：实现高压缸排气的汽水分离及实现高压缸抽气、系统主蒸汽的对高压缸排气的两次加热，以提高核电站的经济性和改善汽轮机低压部分工作条件[1]。每个核电站机组包含两台MSR，每台MSR对称布置4台再热器（包括2台一级再热器、2台二级再热器），其中一级再热器管板是产品制造的关键部件，其结构特殊，管孔间距和孔径公差、垂直度、光洁度、清洁控制均有较高要求，制造难度较大。

1 管板结构特点及技术要求

如图1所示，一级再热器管板为长圆形异形管板，两侧圆弧部分外圆半径R580 mm，中间直段部分长度1 000 mm。管板材质为SA-266Gr.2，其化学成分如表1所示，母材厚度为245 mm，管板一侧中心1 200×900 mm范围内堆焊镍基合金AWS-ER-NiCr-3，化学成分如表2所示，管板母材及镍基合金的机械性能如表3所示。堆焊层最终机加厚度为7 mm。管板钻孔数量1 512个，管孔呈正三角形排列，管孔直径Φ19.30 mm，管孔中心距为26 mm。

图1 一级再热器管板结构简图

表1 管板SA-266 Gr.2化学成分表

表2 堆焊层化学成分表

表3 材料性能表

2 管板镍基合金堆焊

为防止镍基合金堆焊过程中，在起弧、收弧及焊道与母材衔接部位产生缺陷，在堆焊层与管板母材衔接过渡部位特设有整圈凹槽，如图2所示，管板镍基合金堆焊前，采用手工氩弧焊的方法完成凹槽堆焊，打磨与周边母材平齐，在探伤合格后，方可进行镍基合金堆焊，在堆焊过程中，严格控制焊道起弧、收弧及焊道边缘落在凹槽堆焊区域内，从而有效地保证了镍基合金堆焊层与管板母材过渡区域的堆焊品质。

图2 堆焊层及凹槽示意图

综合考虑带极埋弧堆焊与带极电渣堆焊的特点，采取带极电渣堆焊工艺。管板堆焊之前，待堆焊表面进行100%MT或PT检查。详细的电渣堆焊的焊接参数如表4所示。

表4 电渣堆焊焊接参数

由于管板仅单侧进行堆焊，同时管板堆焊层厚度公差控制严格，为此，管板堆焊时，焊接热输入引起的管板变形控制至关重要，为此，从如下三方面采取了防变形措施：

（1）为防止管板单侧堆焊过程引起管板变形，在堆焊之前，利用8块拉筋板将两块管板背靠背连接一起，如图3所示，直至管板完成消应力热处理方后拆开。

图3 管板堆焊过程中连接图示意图

（2）堆焊方向控制：再热器异形管板堆焊层全部堆焊直条，相邻堆焊层焊道方向垂直。每层堆焊时，沿堆焊区域中心线堆焊第一道，然后左右两侧对称交替堆焊，每次每侧堆焊一道。

（3）为保证堆焊层厚度要求，管板堆焊3层，堆焊过程中，两块管板交替堆焊，每完成一块管板一层堆焊后，将管板翻身，堆焊另一块管板相应的堆焊层。

3 管板热处理

为防止管板堆焊过程中应力过大产生焊接缺陷，堆焊后进行消应力热处理，但焊后热处理会引起堆焊层镍基合金耐腐蚀性能降低，为此，热处理时采取如下措施：

（1）根据管板材质、规格等，制定了合理的热处理参数，曲线如图4所示。

图4 热处理曲线

（2）工件摆放在炉膛内合理位置，防止火焰直接喷烧工件，尤其是镍基堆焊部位。

（3）合理布置热电偶，在加热和冷却过程中，控制工件上任意两只热电偶的温差不大于120°。

4 管板深孔加工

管板表面镍基合金堆焊层加工难度大[3]，主要表现在：高温强度高，塑性变形抗力大，加工过程中加工硬化现象严重；导热性差，切削热不易散发，造成切削刃处切削温度很高，加剧刀具磨损；对刀具粘结倾向大，切削过程易产生积屑瘤，造成刀尖磨损，影响加工表面的粗糙度；同时，深孔加工孔径公差、表面粗糙度、管孔中心与管板堆焊层表面垂直度要求严格。

为满足上述管板表面镍基合金堆焊层加工难度大、深孔加工精度高的要求，采用数控三轴深孔钻床及BTA钻头进行加工，加工过程中采取的工艺措施如下：

（1）BTA钻头的选型

为满足管板深孔加工精度要求，选用直径为Φ19.30 mm单通道式BTA钻头，并控制钻头的精度等级为H5级。同时，采用目前广泛应用的TiAIN涂层，在不降低刀具强度的条件下，提高了刀具的表面品质、表面硬度、耐磨性和刀具的切削寿命。通过对国内外多家钻头进行钻孔试验对比，选择最优的钻头，既保证了产品的品质，又降低了加工成本。

（2）切削参数的选择

切削参数的选择取决于管板的材质、刀具的寿命、生产效率等因素，钻孔时切削速度不宜过高，过高的切削速度会产生大量的切削热，这些切削热集中在切削刃处会加剧刀具的磨损。但切削速度低于最佳速度时，钻孔表面粗糙度变差。进给量过大，刀具磨损厉害，进给量过小，不容易断屑。管板钻孔过程需经过镍基合金堆焊层与母材两种不同材质，故在钻削过程中对于每种材质采用不同的钻削速度，具体参数见表5，以达到相同的加工效果。在钻头接触堆焊层表面到钻穿堆焊层选用了较低的转数和进给，这样一方面有利于定心，同时减少钻头的磨损，而当钻削母材区域时采用较高的转数和进给量，保证了钻孔品质和效率。

表5 切削参数

（3）切削液的选用

在管板深孔加工过程中，容易粘刀，产生积屑瘤，导致材料加工硬化，切削力增加，刀具与切屑摩擦严重，大量切屑热产生。同时BTA钻头为内排屑结构，要求及时地通过高速流动的具有较高压力的切削液带走切屑[4]。所以，深孔加工过程需选择抗粘结性好、流动性能好、高温润滑性好的切削液。为此，利用多组切削效果对比试验，选择最优的切削液，获得较好地效果。

5 管板清洁控制

为满足产品的清洁要求，有效保证产品管子-管板焊接、胀接品质，管板最终机加之后需进行严格的清洁处理，主要工序如下：

（1）对管板除管孔部位进行喷砂处理，表面质量检查合格后，进行防腐处理；

（2）利用含有缓蚀剂的核电去离子水进行清洗，并及时烘干；

（3）使用蘸有丙酮的核电白色无纺布进行擦拭，直至无纺布不变色；

（4）对管板孔内表面进行Smear擦拭试验，试验结果不得含有铅（Pb）、汞（Hg）、锡（Sn）、锑（Sb）、锌（Zn）、砷（As）等低熔点金属。同时，钠（Na）、钾（K）、氯（Cl）、氟（F）的含量分别≤0.5 mg/m2，油分的含量≤10 mg/m2。

6 结束语

在一级再热器管板制造过程中，尤其针对镍基合金堆焊、深孔加工等关键工序，通过大量的工艺试验，获得合理的工艺和技术参数，从而制定有效地制造工艺方案，有效地保证了产品的品质，产品顺利通过监造、业主的验收。

[1]朱继洲.压水堆核电厂的运行[M].北京：原子能出版社，2000.

[2]固定式压力容器安全技术监察规程[K].北京：新华出版社，2009.

[3]刘逢博.基于镍基高温合金加工工艺的研究与应用[J].机电产品开发与创新，2010，23(5):143-145.

[4]魏 明.秦山300MW核电蒸汽发生器管板深孔加工及试验研究[J].锅炉技术，1996（11）:8-12，31.