球形容器（安注箱）板材成型论述

球形容器（安注箱）板材成型论述

何斌

中原运维海外工程有限公司

摘要：安注箱是核电站工程核岛关键设备，安注箱为球形设备,内盛有硼水,硼水被压缩氮气覆盖,以便在必要情况下快速注入反应堆堆芯,对反应堆堆芯进行充分冷却,是安全系统中重要的组成部分。安注箱主要由上封头、下封头、6片相同的瓜瓣、人孔、溶液出口及3个仪表接管所组成，该设备直径5110mm，全容积66.2m³，设备重量约51.34吨，主要材质为026Cr19Ni10N，该类型安注箱设备为国内首次制造，制造期间曾出现大量由于制造工艺及检验手段而导致交货进度延误的问题，此类型安注箱是在国内同类项目的基础上进行了制造关键点和难点系统性分析，采用改进的制造方法，有效的提高了设备制造质量和进度的控制，使之满足卡拉奇现场的需求。

关键字：安注箱；制造；改进；

1. 安注箱的简介

安注箱为核二级设备，是完整的球形结构，无内部构件，由简单的球体与裙座组成，当核电站一回路系统的管道或设备发生破损事故后，由安全注入系统向一回路注入高硼冷却水，防止堆芯因失水而造成烧损，提供事故状态下堆芯安全注入功能。安注箱总容积66.2m³，液相容积45.3m³，最高工作压力4.55MPa，外部温度150°C，抗震等级1级^[1]。

1.1安注箱的主体材料

安注箱的主体材料采用026Cr19Ni10N（控氮不锈钢板材），壁厚为64mm，考虑到封头和瓜瓣压制后的减薄量，材料厚度选为68mm。承制的制造厂首次实施此形状控氮不锈钢板材，与具有成熟制造经验的长筒卧式碳钢材料安注箱相比具有一定的难度。

1.2安注箱的焊接材料

安注箱选用的焊丝材料为ER308L,焊条为E308L。

2. 改进问题的提出及解决

安注箱由于设备直径相对较大，因此在制定的制造方案为分为四个部件分别制造，然后整体组织的方式，即中部筒体、上封头、下封头和裙座四个部件，其中中部筒体有6片相同的瓜瓣组装焊接而成。为了减少压型整体组装时坡口的错边量，采用整体画米字线，以对曲率进行严格控制和精准测量。

安注箱瓜瓣整体组装时，由于单片瓜瓣重量接近7吨且直径大，因此在整体组装时保证6条焊缝的间隙均需满足要求是较大难点。

2.1上下封头及中间筒体压型、组装难度大

安注箱的封头和瓜瓣为冷压成型，应变量3%-5%，由于设备能力的限制，下模无法采用整体模形式，需采用压边圈加下模圈的形式，如果一次冲压成型，将造成局部鼓泡、边缘褶皱等问题，为解决上述问题，经过多次讨论后决定采用分3次分布分段压制，达到了较好的成型尺寸精度。同时压制完成后进行预装，6个瓜瓣依次进行编号，便于正式组装时更好搭配。

2.2采取的详细措施

安注箱的筒体各部件，即上下封头、瓜瓣，将凹凸模具固定在四柱液压机上，将下料完成的板料大头一端送进凹模上，在吊车的配合下，由一端开始逐段送入并逐段压制，为了避免瓜瓣局部产生过大变形和褶皱，不能一次性压制到设计弧度，每次压一段要移动一次板料，距离大小要与前次重合三分之一左右，分为3次压制成型。

压制的过程中需要随时用做好的标准样板进行检查尺寸，通过调整压力来达到所需要的曲率，压型后对其净料线（即水平投影轮廓线）进行检查，若有必要应对线型进行纠正，需确认纠正后的瓜瓣净料线与需求的瓜瓣水平投影完全重合。

板料压型是一项较为复杂且精细的工艺，因为板料反弹的原因，即板厚不同，回弹量也不同，不同板厚的板材压到同一曲率，薄板回弹量大，厚板回弹量小，压下的速度快时回弹量大，慢的回弹量小，压此彼放，想要达到完全吻合较不容易。同时因为分段压制面积的不同，小面积的回弹量小，大面积的回弹量大，因为在压制范围四周，受到未被压制部分的牵连原因造成，牵连小的回弹量小，牵连大的反之。所以鉴于这个原因，选择压力机吨位需要宁大勿小，压制完成后，由于各种原因需要矫正，而在矫正的过程中，矫正时需从宽度方向开始，再从长度方向开始，因为弧欠要比弧过更容易矫正，需按照宁欠勿过的原则逐渐进行。

因为不锈钢材质相对较易变形的特性，每段压制需都需要注意板料压制完后可能在边缘有起褶皱的现象，同时也可能在局部有凹凸不平的现象，所以压制时不能急于求成。

封头及瓜瓣压型完成后，更大的难题在于整体的组装，涉及到瓜瓣装配间隙控制、焊接变形、球形内径、错边量等一系列难点，所以需要保证加工的焊缝坡口需要较高的平行度，为此需要设计辅助瓜瓣装配、调整和检查的工装，在实施瓜瓣拼装时便于调整，为了解决瓜瓣难以固定的问题，采用了瓜瓣直立向上，焊缝为垂直于水平方向，在瓜瓣外侧下方增加支撑点，在中心建立焊接操作平台，将中心固定平台和瓜瓣内部支撑筋固定在同一个工作平台上，整个固定平台和操作平台形成一个整体。

在瓜瓣组装前，对上下封头和中间筒体各个端面进行内径测量，每个端面测量多组内径尺寸，作为端口错边量匹配的基础尺寸，原则上每个瓜瓣按照编号排序进行组装，在无法保证错边量的情况下，根据整体数据分析，重新进行匹配以保证减少错边量。同时，对考虑到UX坡口不便于实施自动焊，经更改坡口形式为不对称X型坡口，顺利可实现内侧电弧焊，外侧埋弧焊，降低了工作量，提供了效率。

在瓜瓣组装时，依次垂直起吊放入平台中，首先固定地面的位置，通过点焊保证下口尺寸，上端口使用起吊时的吊耳利用锁链收口，时刻注意调整上下端口瓜瓣间的间隙，锁链的调节良好的控制了每片瓜瓣间的间隙。同时，此整体平台在组装完成一套中间筒体时，可将半成品的筒体抽出来，便于多台份生产的情况下，节约组装时间和工装材料的费用。

在瓜瓣组装完成后，需先进行内侧的手工焊，因为控氮不锈钢焊接变形较大的原因，需要6条焊缝由6名焊工同时实施焊接，且焊接速度尽可能保持同步，同时需严格注意层间温度的控制。

由于瓜瓣6条焊缝尺寸长、焊缝大的特点，出现焊接缺陷的几率较大，而不锈钢焊缝其晶粒比碳钢粗大的原因，伴随着超声波散射衰减增大，平均晶粒直径亦增大，得不到充分的信噪比，在焊缝和母材界面产生的折射和模式变换由于焊肉上金属晶粒成长方向影响到传播路径产生扭曲变化，使得对反射点位置推测精度降低，所以使用UT检测焊缝缺陷位置的难度极大。经过充分研究讨论后，决定采用RT平面定位、UT深度定位相、PT分层检测的方法，3种检测手段相结合。在挖除到预估的缺陷位置时，再次使用RT的CO60与X光机相结合，对挖除区域和未挖除区域均进行RT检测，确认已经挖除缺陷后再进行补焊，良好的避免了多次返修的情况发生。

3. 结论

此类型安注箱在所承制的制造厂为首次制造，同时是核电站预装设备，具有制造进度风险大，交货期紧张的特点，由技术特点和制造难度可以看出，设计文件的发布，到合同签订后的设计转化、文件审批、原材料采购、瓜瓣及封头压型、整体组装、整体焊接等过程均存在不同程度的风险，也体现出首次制造所面临的挑战。

采取工艺措施后，瓜瓣之间的间隙、瓜瓣与封头之间的间隙均得到了有效控制，同类项目时最大错边量尺寸超差的情况，现均保持在3mm以内（要求值不得大于3mm），同时也尽可能的减少了焊缝多次返修的情况发生，避免了装配时不符合项的发生及处理不符合项花费的时间，保证了设备的实用性和可靠性前提下与国内项目安注箱同月供货。

参考文献

[1]徐同喜等，安注箱图纸，北京：中国核电工程有限公司，出版年：2014

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