核电常规岛msr设备的结构分析

核电常规岛msr设备的结构分析

1msr复合式卧式容器设计和制造基于英国标准bs55“非受火焊接压力容器规范”的标准，并与欧洲标准（en）相关。设计中采用了BS及EN标准系列材料,主要材料包括碳锰钢、奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢及镍—铬—铁合金等。MSR是一个内部结构复杂的大型复合式卧式容器,设计成一体化结构,见图1。主要由外壳、防腐壳、包壳、热壳、管束支撑架、分离器、换热器管束等组件组成。其外径为5.41m,长24.317m,宽6.374m,净重342t。产品概况及有关数据见表1。2环缝坡口的弹响刀封头毛坯端部椭圆度25.5～32mm,用强制撑圆方法不能满足加工要求,给环缝U+V型坡口的加工带来了困难。针对这个问题,自行设计了一种弹簧刀,它的原理是:在刀架上装有弹簧,依据封头的实测椭圆度和坡口的图纸尺寸确定弹簧的弹性系数和预伸长量,使封头椭圆度大小在弹簧的变形范围内,刀体上装有滑轮,在车加工时滑轮与封头始终接触,由封头的椭圆度来控制弹簧的伸长和缩短,刀架随弹簧的伸长和缩短前后移动,进刀量也就随着封头的椭圆度变化,这样消除了封头椭圆度的影响,按封头端部的实际形状加工出环缝坡口。3钢板卷制的模拟主壳体是大直径薄壁结构,内径〉5350mm,壁厚30mm。卷制过程中需要采取辅助措施使变形趋向形成圆柱体,为寻求控制钢板在卷制时变形的最佳方法,运用计算机分析软件按照三种情况进行了模拟。即钢板在无任何辅助外力的情况下卷制时的变形;钢板在受到距端部200～300mm处2000kgf和3000kgf向上的拉力时的变形过程;在卷制的顶点处有一支点时钢板的变形。从模拟的结果可看出,当钢板在不受任何辅助外力时的卷制变形,与所期望的相去甚远,无法卷制成一个筒体;而后两种情况,与所期望的非常接近,在实际生产中,选择第二种的方法,并得到了很好的验证,见图2。4主壳体和内部材料的制造工艺和解决4.1装焊焊缝的材质和规格由于主壳体的刚度小,焊接组件多,因此焊接应力大,焊接变形不易控制(见图3)。管束支撑架是由不同材质、不同规格的板材装焊而成。焊缝数量多,焊接变形难于控制。因此,制造中存在以下技术难点:(1)壳体椭圆度大,相邻两个筒节环缝存在很大的装配应力,焊接时极易产生裂纹;(2)由于焊缝的熔敷金属多,焊接应力大,壳体和法兰本身都会产生焊接变形;(3)内件焊接时尺寸精度的控制。4.2主壳体(1)u3000流场针对主壳体大直径薄壁焊接组件多的结构特点,采用增加壳体刚性的工艺措施,每节筒节使用专用的12支点撑圆工装,严格控制待装焊环缝的圆度,因而降低了接头的装配应力,保证了焊接接头的质量,并以此加强筒体的刚度。(2)支撑工装外压工艺焊接MSR壳体上无颈法兰时,要在法兰部位的筒体内打一刚度足够大的专用十字支撑工装,并要托住法兰,把最大开孔的位置置于筒身椭圆度的长轴位置上,但是法兰自身的变形仍是不可避免的,所以法兰焊前一定要留有二次加工余量。法兰焊接完成后再使用专用设备加工到所要求的尺寸精度。4.3连接件制造难度MSR内件包括管束支撑框架,热壳包壳,包壳封头,防腐壳,框架与管束连接件等14个部件,内件之中要求最严,制造难度最大的是内部主框架。它由相互关联的10个部件组成。主框架长约20m,宽2.8m,高5m,重达62.5t。它的制造关键在于冷作精度及焊接变形的控制。(1)结构工艺要求内件主框架分为上、中、下三部分。零件厚度δ=6～30mm。结构如图4,5所示。整体精度要求:整体直线度≤2mm;整体平面度≤2mm;零件垂直度≤2mm(工件高4.8m)。(2)产品的焊接变形主要分为2个步骤MSR主框架难点在于焊接变形与焊接收缩量的控制。控制焊接变形有两种方法。一是反变形,二是防变形。前者与焊接参数,焊接方法等许多因素有关因而不易控制和掌握。而后者是利用各个焊缝之间应力相反,相互抵消来防止焊接变形。本产品以防变形为主要措施,以合理的焊接顺序来控制变形。控制焊接收缩的办法是对不同的节点加入相应的余量以保证焊接尺寸。(3)焊接变形及焊接顺序1)采用数控切割机下料,在高精度的专用平台上进行零部件的组装。2)采用对称焊接,穿插焊接,以减少焊接变形;对变形较大的焊接结构,采取防变形及反变形措施;对主要焊缝规定焊接顺序,针对不同的焊缝,制订相应的焊接顺序。3)在产品装焊过程中用各种专用定位、支撑、固定工装及工具,以保证尺寸精度。(4)制造工艺的要点1msr框板与中心板焊接工艺①主框架下部(见图6)装焊要点:将框架下部用专用卡具固定在专用平台上。在装配时所有焊接结点均要贴紧,不能有间隙大;分离器间隔尺寸精度由定距管保证。焊接要点:下部框架板与隔板的焊接顺序如图7。每个结点由4条焊缝组成,先打底焊全部结点,底焊4～6mm后,再焊满。若直接焊满某一结点,边缘结点会开裂。每一结点由4人对称焊接。下部框板与中心板焊缝暂不焊,待总装时开成“十”字节点时焊接,否则变形很大。②主框架中部(图8)工艺流程:侧板拼接→装配中部框架板及中心隔板→两件对扣及反变形→按焊接顺序焊接→两件拆开并校正→装配顶板焊接顺序:多道焊接,电流取下限,控制层间温度,以减少变形,顶板定位焊,并不焊妥。在总装时与其它焊缝穿插焊接,以减少变形。③主框架上部(见图9)工艺流程:包壳拼接→两件对扣→在辊轮架上焊接→钻孔→割接管孔→装接管焊妥→两件拆开校正→装热壳、焊妥。装配要点:接管开孔尺寸要放2mm工艺余量,以抵消焊接收缩量,装焊接管时在包壳开口端加装刚性支撑工装。焊接要点:热壳、包壳材质是BS1449405S17铁素体不锈钢。该钢种焊接时近缝区晶粒易于长大而形成粗大铁素体,焊接接头产生明显的脆化倾向。一般情况下,铁素体不锈钢焊接时采用同质焊接材料,但焊接时要求低温预热以使接头处于富有韧性的状态下,防止产生裂纹。而MSR框架结构复杂,采取预热措施比较困难。针对这种情况,选用了镍基合金焊条,这样在常温下即可焊接。焊接时采用小规范,多层多道焊,尽量避免接头过热。2辊轮安装与焊接装配要点:主框架下部、中部、上部总装时中心线应一致,公差小于1mm,使中部及下部竖隔板在一条垂线上。安装辊轮时,辊轮与顶板、中部隔板尺寸应与BS、LS相应尺寸一致。焊接要点:整体焊接顺序:1→2→3→4,如图10。焊接电流取下限,分多层、多焊道,减少变形。长16m的焊缝分16个焊接区间。禁止多人同时施焊,焊层间应反向。焊接过程中,两端部挂线坠,随时监测变形情况。5环向两侧堆焊材质:管板PS35/098/223～490;堆焊层Inconel625;堆焊方法:带极电渣堆焊,焊带60×0.5mm。5.1堆焊程序管板堆焊前管板表面MT%检查,并将管板外侧周围按图示打上标记(见图11)。此标记是管板堆焊与堆焊层加工深度测量的重要基准。(1)纵向堆焊:从中间向两侧堆焊,见图12。(2)环向边缘部位的加工见图13,周边环向堆焊见图14。(3)堆焊技术要求:1)经工艺评定与试验,对于MSR管板的镍基合金带极电渣堆焊,规格60×0.5mm的焊带,以下各项参数的范围是比较合适的。电流:1000～1500A;电压:24～26V;焊接速度:18～22cm/min;焊带伸出长度:30～35mm;焊剂堆高:20～30mm;焊道搭接量:3～5mm。2)预热温度大于等于100℃,层间温度50～150℃。3)磁控棒与焊带两侧边缘距离:12～14mm,磁控棒与焊件表面距离:6～10mm。4)首道焊接时,两侧磁控电流应相同,其它焊道堆焊时,压道侧的磁控电流应比非压道侧的大0.2A左右。环向堆焊时,不使用磁控。5)中间不允许停弧。如停弧,必须用砂轮磨掉收弧部分,使之平缓过渡。(4)焊后进行580～620℃保温4.5h的退火处理。(5)热处理前后进行100%UT、100%PT检查。6水压试验装置总装就是把主壳体、防腐壳、管束支撑框架、热包壳、新(乏)蒸汽换热器(LS、BS)等20个部件按图纸、技术标准有顺序地组装为一体,进行水压试验,内部烘干,充氮。6.1管架安装(1)准备好的准备11管理框架的准备首先检验标划该组件外形十字中心线,LS、BS十字中心线,对支撑框架与包壳封头进行试装,合格后,做好标记,拆下包壳封头组件。2壳体支撑块上表面的相对标高对组装合格的主壳体标划十字中心线,使两侧中心线处于同一水平面上,利用经纬仪测量壳体支撑块上表面的相对标高,详细纪录测量尺寸。每个支撑块上装一个专用滚轮,滚轮使用螺栓固定在支撑块上,并通过滚轮下的垫块高度与支撑块的标高匹配,调整工装滚轮,保证十四个滚轮在同一标高面上,在壳体的两侧支撑块上装设侧向导向支撑,如图15所示。3齿轮与壳体的垂直结构根据管束支撑框架尺寸摆放引入支架,保证三件互相平行且与壳体中心线垂直。调整支撑架上的滚轮开档及横梁的高度,保证滚轮与壳体内的滚轮在同一直线上且高度一致。工件就位并与牵引系统连接,如图16所示。(2)包装1辅助吊点安装工件就位后,将起吊梁拆下,吊钩重新挂在管束框架中间部位,但是不可将工件吊离轨道。当引入致辅助吊点的钢绳靠近壳体边缘时,将辅助吊点移至最左端吊点之处,当此吊点靠近壳体边缘时,仅靠牵引力进行套装。当引入至框架上的三个吊点露出壳体顶部的三个大开孔时,停止牵引。卸掉所有牵引装置,再用吊梁通过顶部开孔将框架吊起,并调整基本就位,见图17～19。2中心偏移控制尺寸及位置是需用光学经纬仪进行测量。①保证主壳体顶部三个法兰与框架包壳顶部接管中心线对中,以中间接管为基准进行调整,中心偏移控制±2mm;②利用可调垫块、螺旋千斤顶调整纵向倾斜及环向偏移,测径向偏移,保证框架中心线与主壳体中心线对中;③测量壳体顶部法兰与框架接管上部端面相对尺寸,同时,测下部框架支撑板距壳体支撑块尺寸,根据测量尺寸,确定基准垫块尺寸;④对号装配垫块,要求垫块上的螺孔与框架支撑板上的腰孔对正。6.2特殊的专网工艺及工作原理在框架两侧搭建站位平台。装焊两侧支撑管。先试装,确定尺寸,保证支撑板与框架板之间隙要求。如图20。开孔位置不能偏移,要保证与框架中心线尽量重合。在MSR内部,以支撑框架中垂线为定位基准的工艺方案,设计制造了专用划线工装。工作原理如图21所示。采用手工气割,割前做好内件的防污染保护,对坡口要打磨,PT检验,对开孔要用模拟工装进行检验。6.3包装bs(1)吊梁的准备和牵引调整管束框架中心的支撑辊轮处于正确的高度位置上。工装准备:专用吊梁;专用引入支撑架(使用经纬仪测量,保证工装横梁上的滚轮与壳体内辊轮处于同一直线且高度一致);专用牵引梁;牵引系统。如图22所示。(2)管板抗压盖调整面对框架右端板内表面间距≥40mm,同时保证管板背面对框架左端板外表距离≥10mm,必要时通过加工压盖进行调整(压盖预留2mm加工余量)。引到位后BS上表面进行防护。6.4ls包装套装所采取的工装引入过程与BS大致相同,工作原理如图23所示。6.5msr压力试验(1)试验压力BS51bar保压30min;LS18.8bar保压至主壳试压结束;主壳体18.8bar保压30min。(2)控制水温下降氯化物最大含量1ppm;氟化物最大含量0.15ppm;在20℃时的最大传导率为20s/cm;水不混浊也不能含有沉淀物;不能用抗腐蚀作用的抑制剂;水温不能低于7℃。要求水温不低于7℃,为保水温要求采取以下措施:试压区设隔离屏障,预防冷气流侵入及热量过量散失;试压区内利用4台热风机(风机水压后可用于壳内干燥);在主壳体底部周围加装多组红外加热器(24组,每组10kW)。(3)降压阀口、底部管路排水试验系统如图24所示。试验全部合格后,应遵照上述过程泄压。通过打开底部泄压阀待压力降至零时,再打开各自顶部开口。顶部开口保持与外界大气相通,然后通过底部管路排水。水压过程中要注意保证LS和BS的内部正压力,防止由于主壳体压力变化而造成管束的变形,即LS和BS先于主壳体加压,后于主壳体泄压排水。(4)氮气压力的确定采用“干燥热风循环吹干”的工艺方法,如图25所示。由四套鼓风机(型号4-72-4A,流量4012m/h),电加热筒通风管道,风机支架组成。烘干前各腔内的风应尽量排净,达到干燥标准后把妥各自的包装封盖及充氮阀门,然后用3倍空间体积的氮气先对各腔吹扫,当内部氧气含量达到要求值时,关闭风门,进行再加压充氮,达到压力后关闭阀门。如图25所示。氮压力定不低于0.1bar。需装备及氮源:充氮装置两套,氮汇流排两套(8头/套),氮源:170瓶