核电钢质安全壳形位公差的控制方法_谢春法.pdf

第 40 卷第 4 期压力容器2023 年 4 月doi:10 3969/j issn 1001 4837 2023 04 012制 造 与 安 装核电钢质安全壳形位公差的控制方法谢春法，刘虎，尹清斌，苗明华(上海核工程研究设计院股份有限公司，上海200233)摘要:核岛钢质安全壳是一个自由站立的圆柱形钢制压力容器，其拼装存在单块弧板质量大、精度要求高、受环境影响大，并且影响后续贯穿件、环吊安装质量等特点，需要采取稳定可靠的公差控制措施来解决大尺寸筒体组对时错缝过大、周长超差、温度影响、吊装变形等关键问题。通过对钢质安全壳施工工艺过程中误差来源的分析，推导预估弧板拼装成模块后公差精度相关计算公式，预设拼装钢质安全壳单块弧板时的公差控制精度，实现模块组对精度满足设计要求的方法，预防因弧板拼装误差累积导致模块组对不符合项出现的问题，使核岛钢质安全壳制造过程各工序形位公差满足设计要求，并用实例进行了说明和验证。关键词:钢制安全壳;拼装;变形控制;安装精度;形位公差中图分类号:TH49;TL364 3文献标志码:BShape and position tolerance control method of nuclear power steel containmentXIE Chunfa，LIU Hu，YIN Qingbin，MIAO Minghua(Shanghai Nuclear Engineering Research Design Institute Co，Ltd，Shanghai 200233，China)Abstract:Nuclear containment is a free-standing cylindrical steel pressure vessels The installation of nuclear island steel containmentvessel has the characteristics of heavy mass of single arc plate，high precision requirements，great environmental impact，affectingthe subsequent through pieces and installation quality of lifting eyes，etc，so it is necessary to take stable and reliable tolerancecontrol measures to solve the key problems such as too large staggered seams，perimeter out-of-tolerance，temperature influence，and lifting deformation during the large size cylinder pair assembly Based on the analysis of the error sources in the constructionprocess of steel containment，the relevant calculation formula for estimating the tolerance accuracy after the arc plates wereassembled into a module was derived，by presetting the tolerance control accuracy during the assembly of a single arc plate of thesteel containment，the method that the accuracy of module assembly meets the design requirements was realized，and the problemsof nonconformities caused by the accumulation of arc plate assembly errors during module pair assembly were prevented，makingthe geometric tolerance of each process in the manufacturing process of nuclear island steel containment meets the design requirements，and this was verified with an exampleKey words:steel containment vessel;installation;deformation control;installation precision;geometrical tolerance收稿日期:2022 07 07修稿日期:2023 03 290引言核岛钢制安全壳(CV)内径 39 62 m，高度65 63 m，由底封头(由64 块不同形状、大小、曲率的弧板组成)、筒体(筒体分 11 圈，每圈由 12 张钢板拼接而成)和顶封头(与底封头相同，由64 块弧板组成)等主要结构模块拼装而成。安全壳共由 260 块不同形状的弧板拼装组成，单块弧板尺寸和质量大、精度要求高，整体拼装难度大，并且钢制安全壳上需要安装大量的贯穿件、附件板、导流支架和喷淋管等附件，增加了整个 CV 拼装公差控制难点。为了减少核电施工关键路径施工工08谢春法，等:核电钢质安全壳形位公差的控制方法程量，从而缓解核岛进度压力，提出后续核电项目贯穿件套筒、设备闸门套筒等安全壳附件在拼装场地安装后再整体吊入核岛场地的方法，所以需要更好地控制钢制安全壳建造各环节精度，减少整体安装后不符合项的产生。1CV 安装公差控制中误差来源分析分析钢制安全壳弧板预制、拼装、整体吊装就位等各施工工艺过程，得出钢制安全壳就位后误差来源主要包括:测量误差、弧板预制误差、CV 拼装误差、CV 结构变形、CV 结构温度变形、CV 结构就位偏差等。下面分别对不同的误差来源进行探讨。1 1测量误差分析钢制安全壳预制、拼装、整体吊装就位等各施工工艺过程伴随着测量活动，在测量过程中不可避免带入测量误差，该误差在不同工序之间可能存在累积效应，最终导致不可忽略。根据对整个施工流程分析，测量误差主要来源于仪器本身误差，包括:测距固定误差、比例误差，圆水准器轴和竖轴不平行产生的误差，测站定向、对中误差，照准误差，圆水准气泡不居中误差，人眼分辨能力局限1 等。公差控制过程中，对测量误差需进行分析，采取措施可以切断或减少误差在各工序中的累积。分析弧板制造过程测量精度较高，且在拼装阶段可以通过复测措施消除累积效果，其不是公差控制的重点。而拼装阶段测量误差和模块就位过程测量误差对公差控制的影响明显，需要采取措施抵消该部分的影响。核电测量微控制网布置通常选用仪器精度:测距精度 1 mm+1 5 106，测角精度 1，标高精度 0 3 mm/km。考虑到拼装场地测量控制网按照相对精度方案设置，根据现在作业条件、测量方案和各核电项目控制精度经验评估控制点相对精度 2 mm，不再做相应估算。根据拼装阶段的特点，需要在规划布置好的拼装场地进行放样。在放样过程中，为避免多个控制点误差带入观测结果和施测便捷，在检查封头、筒体半径和方位角时都是采用在圆心设站，将相对坐标系引测至拼装结构内，达到控制钢质安全壳结构相对精度的目的。1 2拼装阶段误差分析考虑到贯穿件等附件集中在 CV 筒体上，以筒体公差控制方法为例进行分析。在 CV 各项形位公差中需要特别关注周长控制，这是组对效果的重要参考。环缝错边量取值按照 ASME 表NE 4232 1中选取，对满足错边要求的焊缝，可按照 ASME 表 NE 4232 1 的要求进行处理，保证至少 31 的斜度。对错边量超过 t/8，需要开启不符合项。每一圈弧板共 12 块弧板拼装成筒体后，通过错边量可以推算出半径最大偏差 5 6 mm，实际控制时，要求第 1 环筒体的下口周长应与底封头上口的周长偏差31 4 mm;环与环之间周长偏差31 4 mm。依据拼装工序流程，周长拼装精度可以根据以下公式推导获得:S=n(L+a)(1)式中，S 为筒体周长;n 为纵缝数量;L 为单块弧板长度;a 为焊接间隙。根据误差传播定律，在同精度观测时，观测值代数和(差)的中误差，与观测值个数的平方根成正比。间接测得量 S=f(x1+x2+x3+)，其中，x1，x2，x3为相互独立的直接测得量。绝对误差传递公式:S=|fx1|x1+|fx2|x2+|fx3|x3+(2)标准偏差传递公式:=(|fx1|)2x1+(|fx2|)2x2+(|fx3|)2x3+(3)依据误差传播定律对式(1)求导整理后得:S=n(L+a)(4)依据式(4)，增加焊缝收缩变形量 对周长精度控制影响，获得标准差传递公式:=nE2+2+2(5)式中，为筒体周长拼装精度;E 为弧板制造精度;为焊接间隙控制控制精度;为焊缝收缩变形量。根据制造文件，弧板制造精度 5 mm，焊接间隙控制在(0 mm，5 mm)区间，焊缝收缩变形量 可以根据公式(6)2 估算:=0 1A/t(6)式中，为筒体焊缝收缩量;A 为焊缝横截面积;t 为板材厚度。根据公式(5)可以估算周长误差为 67 mm。可以看出，单一地采用控制各弧板的间隙的方法18PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.40，No.4，2023来控制钢质安全壳周长是存在较大风险的，所以必须增加相应的约束条件，其中有效的方法是控制弧板内径偏差。设计图纸对半径公差限差要求为 44 5 mm，根据半径控制方法，采用最小二乘法对半径进行拟合，周长拼装精度可以根据以下公式推导获得:S=2R(7)式中，R 为单块弧板内壁到圆心的距离。由式(7)求推导后，依据误差传播定律可得:=22r+2(8)式中，r为半径公差;为半径测量精度。数据统计分析时，可以采用下式:=2(r ro)2/N(9)式中，为筒体周长拼装精度;r 为每个平均等分测量相应的半径;ro为半径实测值;N 为钢质安全壳上、下口平均等分数量。依据设计图纸对半径公差限差要求为445 mm，可以利用公式(8)估算周长误差为 140 mm，可见用设计图纸公差控制周长存在很大可能性，出现不符合项，在拼装前须进行公差控制范围的估算。根据式(8)估算，为了控制环与环之间周长偏差31 4 mm，组对筒体上、下口半径偏差较差控制在 10 mm 以内，才能实现周长公差要求。1 3焊接变形对拼装的影响每圈筒体共由 12 块弧度板拼接而成，纵缝焊接过程中，收缩变形表现为沿焊缝纵向收缩和沿焊缝横向收缩两种形式，其中纵缝收缩变形主要表现为沿焊缝横向收缩。控制焊缝变形通常是焊工均匀对称分布，采用多层多道焊接，使用较小的焊接电流，尽可能减少焊接热输入，在控制焊接变形的同时，也保证了焊接质量。纵缝每个工位采取从下向上分段退步焊法，环缝采取分段同向焊接的方法。上述方法可以有效控制焊缝局部变形，但是焊缝横向收缩趋势不会改变。焊缝横向收缩可以采用经验计算公式估算2，可以参考公式(6)。通常，解决变形的做法是在最后一块弧板下料时留有足够的加工余量，其他 11 块板拼装调整合格后，根据测量数据进行下料，此方法解决了焊接收缩变形和间隙累积误差等问题。1 4温度变化对周长和半径的影响钢质安全壳内径 39 624 m，设计周长为124 479 m。温度变化按钢结构未受约束自由伸长来考虑，温度变化对周长的影响按下式估算:L=cL(T1 T2)(10)式中，L 为筒体周长温度热胀冷缩变化量;c 为钢材的膨胀系数;L 为筒体周长;T1，T2为钢质温度变化前后的温度值。钢质安全壳材料为 SA 738 Gr B，钢材的膨胀系数取 11 106