CN113751954A - 一种大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置及方法 - Google Patents

一种大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置及方法，该装置包括支撑架(1)、偏心杆(2)和升降机构，支撑架(1)支撑在套筒(5)外壁，升降机构用于控制偏心杆(2)相对于支撑架(1)的升降，偏心杆(2)的上端通过升降机构与支撑架(1)相连，下端设置有支撑块(21)，支撑块(21)的中线与偏心杆(2)的轴线不重合，使得偏心杆(2)的下端穿过抗震块(4)上圆孔(41)后，通过旋转偏心杆(2)，能够使支撑块(21)支撑在抗震块(4)底部。本发明公开的大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置及方法，具有防塌陷效果显著、焊接生产效率高、成本低廉、使用方便等诸多优点。

Description

一种大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置及方法
技术领域
本发明涉及大型薄壁筒体焊接领域，具体大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置及方法。
背景技术
蒸汽发生器是核电站核岛重要设备之一，在核电站运行阶段设备内部常年在高温高压下进行着热传递工作，低温水进入蒸汽发生器后通过沿套筒外壁的导流与高温换热管束进行充分的接触使其形成过热的蒸汽来对汽轮机做功发电。
套筒5为套装在换热管束外侧的大型薄壁筒体，如图8所示，筒壁设有多圈抗震块4，通过抗震块上安装的支撑棒支撑在壳体上使其在高速流体的冲击下能够稳固在换热管束外侧，抗震块4为与套筒5具有相同弧度的长圆形厚板，中心有两处用于安装支撑棒的圆孔41。
套筒5由三节筒体焊接而成，焊后在筒壁开孔，安装抗震块4并将抗震块4焊接在套筒5的开孔位置。
在蒸汽发生器中，套筒5的制造精度要求严格，其圆度和直径直接影响内部换热管束的安装，因此，在焊接时为保证焊缝的强度，通常抗震块4与套筒5的焊接采用坡口焊接，但是坡口焊接产生的热收缩会使刚性较差的薄壁向坡口侧收缩变形，导致套筒5圆度变差，整圈抗震块4焊后会形成套筒5的塌陷，造成套筒5的直径变小，影响与换热管束的安装，如图7所示。
对于抗震块4与套筒5焊接的防变形，传统的做法为在套筒5内侧焊接位置安装一圈紧贴在套筒5筒体内壁的防变形环板6进行环向支撑，待焊接结束再拆除防变形环板6。但这种防变形方法存在以下问题：
1、套筒5共由三节筒体组成，对于大型薄壁筒体在单节的制造时为保证筒体间对接圆度和精度，在每节筒体制造时已在两端安装了防变形环板6，即套筒5在焊接抗震块4前已经安装了6圈防变形环板6，如图8所示，若继续向焊接抗震块4位置对应的套筒5内侧再次安装防变形环板6，需要先拆除原套筒5筒体一侧的防变形环板6，防变形环板6的直径一般大于3米，安装和拆除作业难度大、危险性高，并且耗时较长，严重影响作业效率，此外，由于防变形环板6直径较大，其运输也较为困难，资源浪费严重；
2、每个防变形环板6的重量约为1.5吨，造价高，而套筒5上抗震块4会有多圈，如图8所示，若每圈抗震块4位置在焊接前统一安装防变形环板6，会浪费大量的钢材，极大提高了生产制造成本，目前，为节约成本，通常制造厂会制作2个防变形环板6，通过反复安装和拆除来完成所有抗震块4的焊接，费时费力；并且抗震块4与套筒5为外侧焊接，根据焊接位置要求人员要位于套筒5最顶端施焊，所以受限于防变形环板的数量，仅能安排一人操作焊接，焊接周期长；
3、套筒5在抗震块4安装位置开孔后局部圆度可能会产生微小的偏差，导致防变形环板6安装后与局部抗震块4及套筒5产生间隙，这样对该位置的抗震块4没有起到支撑作用，焊后仍会产生塌陷，造成套筒5内径局部不合格，焊后需对该区域进行校正，增加了制造成本；
4、抗震块4与套筒5坡口填充为多层焊接，多层焊接需要进行层冷却，由于该位置为高空作业，不便于依靠其他设备降温只能自然冷却，层间冷却时间通常为30分钟至1小时，层间降温将会花费大量时间。
由于上述原因，目前抗震块与套筒焊接防变形方法效果不佳、成本高，并且焊接效率低，周期长，目前亟需研发一种大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置及方法。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置，该装置包括支撑架1、偏心杆2和升降机构，
所述支撑架1支撑在套筒5外壁，
所述升降机构用于控制偏心杆2相对于支撑架1的升降，
所述偏心杆2的上端通过升降机构与支撑架1相连，下端设置有支撑块21，支撑块21的中线与偏心杆2的轴线不重合，使得偏心杆2的下端穿过抗震块4上圆孔41后，通过旋转偏心杆2，能够使支撑块21支撑在抗震块4底部。
在一个优选的实施方式中，在偏心杆2上设置有螺纹，在支撑架1上设置有通孔11，偏心杆2穿过通孔11，所述升降机构包括螺母3，所述螺母3设置在通孔11的上方，通过旋钮螺母3，实现偏心杆2相对于支撑架1的升降调节。
在一个优选的实施方式中，所述支撑架1包括支撑梁12和支板14，支板14与套筒5外壁接触，支撑梁12位于支板14的上方，所述通孔11设置在支撑梁12上，
所述支板14具有两个，支撑梁12位于两个支板14的中垂面上。
在一个优选的实施方式中，所述支板14底部为弧形，使得支板14与套筒5外壁贴合，弧形的长度大于抗震块4的长度。
在一个优选的实施方式中，在偏心杆2的顶端设置有旋转把手22，便于控制偏心杆2的旋转。
另一方面，本发明还提供了一种大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷方法，采用如权利要求1～5之一所述的防塌陷装置实现，包括以下步骤：
S1、初步固定抗震块；
S2、安装防塌陷装置；
S3、焊接抗震块与套筒；
S4、拆除防塌陷装置。
在一个优选的实施方式中，在步骤S2中，支撑梁位于抗震块上圆孔的正上方，偏心杆的下端穿过圆孔后，旋转偏心杆使支撑块旋转至抗震块底部，旋拧螺母至预紧力矩为40～60Nm，优选预紧力矩为50～60Nm。
在一个优选的实施方式中，在步骤S3中，进行多层焊接，首层焊接后调整螺母预紧力至50～80Nm，使得偏心杆提升0.1～2mm，优选提升1mm。
在一个优选的实施方式中，在步骤S3中，在完成首层焊接、偏心杆提升后，后续的多层焊接过程中，无需等待层间焊缝的冷却。
在一个优选的实施方式中，可以同时对多个抗震块圈层进行焊接，所述多个抗震块圈层彼此不相邻。
本发明所具有的有益效果包括：
(1)防塌陷中，将对抗震块内撑的形式改进为拉拔的形式，使焊缝在焊前及焊接过程中始终承受向外侧的拉力，防塌陷效果更加显著；
(2)在焊缝首层焊接后可通过再次预紧螺母进行反变形控制，进一步降低了焊后塌陷的风险，并且节省了层间控温的等待时间，提高了生产效率；
(3)装置制作简单，成本低廉；
(4)装置重量轻，使用方便，安装简单，单人便可轻松完成安装和拆卸。
附图说明
图1示出根据本发明一种优选实施方式的大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置整体结构示意图；
图2示出根据本发明一种优选实施方式的大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置支承架结构示意图；
图3示出图2中A-A向剖视图；
图4示出根据本发明一种优选实施方式的大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置偏心杆结构示意图；
图5出根据本发明一种优选实施方式的大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置安装和固定结构示意图；
图6示出根据本发明一种优选实施方式的大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置安装和固定结构示意图；
图7示出套筒焊接塌陷及套筒变形示意图；
图8示出大型蒸汽发生器套筒结构示意图；
图9示出实施例1焊接过程示意图；
图10示出实施例1焊接过程示意图。
附图标号说明：
1-支撑架；
2-偏心杆；
3-螺母；
4-抗震块；
5-套筒；
6-防变形环板；
11-通孔；
12-支撑梁；
13-筋板；
14-支板；
21-支撑块；
22-旋转把手；
41-圆孔；
141-斜角。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明提供的一种大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置，该装置包括支撑架1，以及安装在支撑架1上的偏心杆2和升降机构，
所述支撑架1支撑在套筒5外壁，
所述升降机构用于控制偏心杆2相对于支撑架1的升降，
所述偏心杆2的上端通过升降机构与支撑架1相连，下端设置有支撑块21，支撑块21的中线与偏心杆2的轴线不重合，使得偏心杆2的下端穿过抗震块4上圆孔41后，通过旋转偏心杆2，能够使支撑块21支撑在抗震块4底部，如图1、图4所示。
进一步优选地，支撑块21为圆柱体，支撑块21的直径小于圆孔41内径0～2cm，增大支撑块21的支撑面积。
在一个更优选的实施方式中，支撑块21上表面边缘具有倒角，避免在支撑过程中，支撑块21的棱角与抗震块4接触，进而在抗震块4表面造成压痕。
在一个优选的实施方式中，在偏心杆2上设置有螺纹，在支撑架1上设置有通孔11，偏心杆2穿过通孔11，所述升降机构包括螺母3，所述螺母3设置在通孔11的上方，通过旋钮螺母3，实现偏心杆2相对于支撑架1的升降调节。
更优选地，所述支撑架1包括支撑梁12和支板14，支板14与套筒5外壁接触，支撑梁12位于支板14的上方，所述通孔11设置在支撑梁12上，
所述支板14具有两个，使用时，将支板14放置在抗震块4的两侧，使得所述支撑梁12位于两个支板14的中垂面上，进而使得支撑块21在支撑过程中，支板14对套筒5外壁的压力均衡。
所述支撑梁12与支板14之间通过筋板13连接，所述筋板13优选为半环形板，如图2、图3所示，更优选为两个半环形板，连接在支撑梁12和支板14的端部，半环形板的设计，相比于其它形状，不仅提高了支撑架整体的支撑强度，还为焊接人员提供了更好的焊接操作空间和视野。
在一个更优选的实施方式中，所述支板14底部为弧形，优选地，支板14底部弧形的半径与套筒5的外径相同，使得支板14与套筒5外壁贴合，防止支板14与套筒5局部接触造成压力过大、套筒5变形，进一步地，所述支板14底部弧形的长度大于抗震块4的长度，使支撑架的支撑范围大于焊缝长度防止局部塌陷。
更优选地，所述支板14的厚度大于或等于套筒5的厚度，使得支板14提供足够的支承应力，进一步防止套筒5弧度变形。
在一个更优选的实施方式中，支板14靠近焊缝的一侧具有斜角141，如图2所示，为焊接人员提供更好的焊接操作空间和视野。
在一个优选的实施方式中，所述支板14和筋板13选用厚度为8～12mm的钢板，所述支撑梁12选用厚度为3～8mm，长度为60～100mm的方管，该规格的支撑梁12、筋板13和支板14在满足抗震块焊接时需要的支撑力的情况下，尽量的降低了支撑架1的重量，使得支撑架1的整体重量在5～10kg以内，从而便于单人对其进行运输和安装。
根据本发明一个优选的实施方式，在偏心杆2的顶端设置有旋转把手22，便于控制偏心杆2的旋转，如图5、图6所示。
另一方面，本发明还提供了一种大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷方法，采用所述的防塌陷装置实现。
该方法包括以下步骤：
S1、初步固定抗震块；
S2、安装防塌陷装置；
S3、焊接抗震块与套筒；
S4、拆除防塌陷装置。
在步骤S1中，通过点焊将抗震块固定在套筒5的开孔位置，抗震块内侧与套筒内壁齐平。
在步骤S2中，将防塌陷装置置于套筒的顶端，如图7所示，支撑梁位于抗震块上圆孔的正上方，偏心杆的下端穿过圆孔后，旋转偏心杆使支撑块旋转至抗震块底部，旋拧螺母至预紧力矩为40～60Nm，优选预紧力矩为50～60Nm，使得支撑块对抗震块提供向外侧的支撑力，以达到降低焊缝处套筒的塌陷趋势的效果。
在步骤S3中，进行多层焊接，首层焊接后调整螺母预紧力至50～80Nm，使得偏心杆提升0.1～2mm，优选提升1mm。
发明人发现，首层焊缝较薄，焊缝温度较高时焊缝根部处于较软状态，继续预紧能够达到更好的反变形效果，其中，使抗震块内侧突出套筒1mm效果最佳，可以实现更好地防止套筒焊接的变形和塌陷。
进一步地，在步骤S3中，在完成首层焊接、偏心杆提升后，由于支撑块持续的向抗震块提供外凸于套筒的支撑力，后续的多层焊接过程中，无需等待层间焊缝的冷却，从而能够进行高效率的焊接。
步骤S4中，焊接完成，等待焊缝处冷却后进行防塌陷装置的拆除。
拆除时，只需要松脱螺母，旋转偏心杆，即可将偏心杆从圆孔中取出，进而完成防塌陷装置与蒸汽发生器套筒的分离。
不同于传统焊接过程中仅能够单人对一个抗震块圈层进行焊接，根据本发明，可以多人同时对多个抗震块圈层进行焊接，大大提高了生产效率。
所述多个抗震块圈层彼此不相邻，例如，4名焊接人员同时进行焊接，4人分别对第1、3、5、7圈抗震块圈层进行焊接，每人焊接1个抗震块圈层。
多个抗震块圈层彼此不相邻的设置，避免了焊接热量过于集中造成套筒变形的风险。
实施例
对核电华龙一号蒸汽发生器套筒抗震块进行焊接。
核电华龙一号蒸汽发生器套筒内径A为3110mm，允许公差为±5mm，抗震块焊接塌陷量X要求≤2.5mm，抗震块共8圈，每圈12件共计96件。
在套筒5完成开孔后安装抗震块，抗震块内侧与套筒内壁齐平，点焊固定，抗震块位于套筒顶端进行焊接。
选择4名焊接人员每人使用一套防塌陷装置，沿安全梯上至套筒顶端进行焊接。
所述防塌陷装置包括支撑架1、偏心杆2和升降机构，支撑架1支撑在套筒5外壁，偏心杆2的上端通过升降机构与支撑架1相连，下端设置有支撑块21，支撑块21的中线与偏心杆2的轴线不重合。
在偏心杆2上设置有螺纹，在支撑架1上设置有通孔11，偏心杆2穿过通孔11，升降机构包括螺母3，螺母3设置在通孔11的上方，通过旋钮螺母3，实现偏心杆2相对于支撑架1的升降调节。
支撑架1包括支撑梁12和支板14，支板14与套筒5外壁接触，支撑梁12位于支板14的上方，通孔11设置在支撑梁12上，支撑梁12与支板14之间通过筋板13连接，筋板13为圆弧形。
所述支板14具有两个，支撑梁12位于支板14的中垂面上。
所述支板14底部为弧形，弧形的长度大于抗震块4的长度。
安装防塌陷装置中，将装置支撑架1放置在套筒5外侧且与待焊的抗震块对中，调整好位置并确保支撑架支板14与套筒5外壁贴合，将两偏心杆旋转把手22均旋转至支撑架1中心侧，此时支撑块21与抗震块圆孔41同轴，将偏心杆2插入抗震块圆孔41并确保支撑块21完全穿过抗震块4；随后将量偏心杆向外侧转动，用力矩扳手预紧螺母3并始终保持两旋转把手22均朝支撑架1外侧，预紧力矩为50Nm。
开始焊接抗震块4与套筒5间焊缝，首层焊接后待焊缝温度较高时可继续预紧螺母3至偏心螺杆提升1mm，力矩在50Nm～80Nm之间，随后的焊接过程中不需要等待层间焊缝的冷却。
焊接完成，等待焊缝处冷却后进行防塌陷装置的拆除，拆除时，只需要松脱螺母，旋转偏心杆，即可将偏心杆从圆孔中取出，进而完成防塌陷装置与蒸汽发生器套筒的分离。
在整个蒸汽发生器套筒抗震块焊接过程中，4名焊接人员先分别位于第1、3、5、7圈上同一列抗震块位置进行焊接，1、3、5、7圈焊接完成后，进行第2、4、6、8圈同一列抗震块的焊接，如图9、10所示，待该列8件全部焊接完成，转动筒体开始下一列的焊接直至全部抗震块4与套筒5块焊接完成。
在拆除防塌陷装置时，对松脱螺母需要的力矩进行测量，力矩为100Nm～150Nm，说明焊缝受到了较大的收缩控制应力，防塌陷装置提供了强力支撑，防塌陷效果显著。
对焊接后的套筒进行测量，内径A为3110～3112mm，抗震块塌陷量X为0～1mm，满足要求。
传统的防变形环板支撑焊接方式，采用在内侧安装2圈防变形环板来进行抗震块防变形控制，待2圈抗震块全部焊接完毕进行防变形环板拆除并重新安装至下2圈抗震块位置继续焊接的形式，焊接过程只能2人操作，其中2圈防变形环板安装和拆除耗时约3天，每个抗震块焊接和控温约4～5h，每2圈抗震块焊接耗时约6天时间，所有抗震块焊接完毕共计(3+6)×4＝36天。
在本实施例中，整个焊接过程4人操作，安装和拆除防塌陷装置耗时0.5小时，每个抗震块焊接耗时2～3小时，每列抗震块焊接平均耗时0.7天，所有抗震块焊接完毕共计8天时间，相比于传统的焊接方式，效率提高了4.5倍。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置，其特征在于，该装置包括支撑架(1)、偏心杆(2)和升降机构，
所述支撑架(1)支撑在套筒(5)外壁，
所述升降机构用于控制偏心杆(2)相对于支撑架(1)的升降，
所述偏心杆(2)的上端通过升降机构与支撑架(1)相连，下端设置有支撑块(21)，支撑块(21)的中线与偏心杆(2)的轴线不重合，使得偏心杆(2)的下端穿过抗震块(4)上圆孔(41)后，通过旋转偏心杆(2)，能够使支撑块(21)支撑在抗震块(4)底部。
2.根据权利要求1所述的大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置，其特征在于，
在偏心杆(2)上设置有螺纹，在支撑架(1)上设置有通孔(11)，偏心杆(2)穿过通孔(11)，所述升降机构包括螺母(3)，所述螺母(3)设置在通孔(11)的上方，通过旋钮螺母(3)，实现偏心杆(2)相对于支撑架(1)的升降调节。
3.根据权利要求2所述的大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置，其特征在于，
所述支撑架(1)包括支撑梁(12)和支板(14)，支板(14)与套筒(5)外壁接触，支撑梁(12)位于支板(14)的上方，所述通孔(11)设置在支撑梁(12)上，
所述支板(14)具有两个，支撑梁(12)位于两个支板(14)的中垂面上。
4.根据权利要求3所述的大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置，其特征在于，
所述支板(14)底部为弧形，使得支板(14)与套筒(5)外壁贴合，弧形的长度大于抗震块(4)的长度。
5.根据权利要求1所述的大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷装置，其特征在于，
在偏心杆(2)的顶端设置有旋转把手(22)，便于控制偏心杆(2)的旋转。
6.一种大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷方法，采用如权利要求1～5之一所述的防塌陷装置实现，其特征在于，
包括以下步骤：
S1、初步固定抗震块；
S2、安装防塌陷装置；
S3、焊接抗震块与套筒；
S4、拆除防塌陷装置。
7.根据权利要求6所述的大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷方法，其特征在于，
在步骤S2中，支撑梁位于抗震块上圆孔的正上方，偏心杆的下端穿过圆孔后，旋转偏心杆使支撑块旋转至抗震块底部，旋拧螺母至预紧力矩为40～60Nm，优选预紧力矩为50～60Nm。
8.根据权利要求6所述的大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷方法，其特征在于，
在步骤S3中，进行多层焊接，首层焊接后调整螺母预紧力至50～80Nm，使得偏心杆提升0.1～2mm，优选提升1mm。
9.根据权利要求8所述的大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷方法，其特征在于，
在步骤S3中，在完成首层焊接、偏心杆提升后，后续的多层焊接过程中，无需等待层间焊缝的冷却。
10.根据权利要求6所述的大型蒸汽发生器套筒抗震块焊接防塌陷方法，其特征在于，
同时对多个抗震块圈层进行焊接，所述多个抗震块圈层彼此不相邻。
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