王 勇 王江濤 王仕航

（國核工程有限公司，上海 200223）

冷裝配技術在三代核電堆內構件安裝中的應用

王 勇 王江濤 王仕航

（國核工程有限公司，上海 200223）

三代核電反應堆堆內構件安裝過程中多處采用冷裝配技術，包括堆內構件堆芯支撐鑲塊定位銷的安裝、H/V定位銷暗銷的安裝、DVI導流板襯套的安裝等。利用金屬材料線性熱脹冷縮的特性，模擬整個冷裝配的操作過程，掌握冷裝配的操作要領，實施冷裝配操作，以提高安裝的成功率。

過盈配合 冷裝配 堆內構件

前言

過盈裝配是機械設備零部件裝配中常見的一種裝配工藝。通過工件間的過盈配合，限制其相對移動，從而達到設計的要求。在設備的安裝與檢修過程中，對過盈配合的實施主要采用壓裝、熱裝、冷裝等工藝。冷裝具有便于操作、費用節(jié)約等獨特優(yōu)勢，特別適應小尺寸工件與大尺寸包容件間的過盈配合。冷裝配的原理就是利用金屬在低溫下尺寸線性收縮的特性，使被包容件與包容件間的過盈配合在裝配過程實施時轉化為間隙配合，待裝配完成并恢復常溫后，被包容件被緊緊固定在包容件內，從而使二者之間裝配滿足過盈配合的技術要求。

三代核電的堆內構件安裝過程中需要用到冷裝配工藝，具體部位為：執(zhí)行定位功能的H/V定位銷暗銷的安裝（見圖1），執(zhí)行間隙調整功能的下徑向支撐鑲塊定位銷的安裝（見圖2），執(zhí)行定位功能的導流板襯套安裝（見圖3）。這些被冷裝的工件分為實心的圓柱型棒狀和空心的圓柱型管狀兩種形狀，材質均為耐蝕合金鋼。

圖1 H/V定位銷暗銷的安裝圖

圖2 下徑向支撐鑲塊定位銷的安裝圖

圖3 導流板襯套安裝圖

1 冷裝配的工藝準備

1.1 冷裝配物項信息確定

按照設計，堆芯支撐鑲塊的定位銷孔要以廠家已經加工的φ25.27mm孔為導向孔進行擴孔，最大擴孔直徑不超過φ26.67，過盈量控制在0～0.025mm，配合深度控制在98.4mm左右。

1.2 冷卻介質的選定

冷裝配工藝需用的冷卻溫度，可根據經驗公式

△t=δ/（ε* d）求得。

這里，△t為溫度變化量，δ為配合時的最大過盈量（mm），ε為冷裝件的線膨脹系數，d為配合直徑（mm）。

將銷/襯套的參數代入上述公式中，計算得到需要的最小溫度變化量△t見表1。

表1 需要的最小溫度變化量△t

目前，常用的冷卻介質一般為干冰、液態(tài)氮、液態(tài)氧以及其他特殊設備冷卻。它們的溫度依次為-75℃、-185℃、-195℃、-120℃。根據表1最小溫度變化量需求，綜合液態(tài)氮冷卻的優(yōu)點，選用液態(tài)氮作為堆內構件過盈裝配中的冷卻介質。

1.3 冷卻時間的確定

根據經驗公式：t=αδ+6

其中，t為冷卻時間（分鐘），α為冷卻綜合系數，δ為最大壁厚。

根據上述公式計算，冷裝工件的冷卻時間應不小于表2所示時間。

表2 冷裝工件的冷卻時間要求

1.4 冷裝配工具的準備

為能夠安全快捷地將工件安全冷凍、快捷取出并安裝到位，根據工件尺寸采購和制作了以下物項。

①冷凍箱：采用厚度2mm的鋼板焊接而成一箱型容器，雙層結構，層間用一級膨脹珍珠巖填充以保證保溫效果，夾層厚度約15mm，容器頂蓋邊緣設排氣孔，見圖4。

圖4 冷凍箱

②TP304不銹鋼托盤：工件放在托盤上，托盤能夠整體豎立放入冷凍箱中，托盤提手高于液氮液位。工件冷凍后，將托盤與工件一起提出液氮箱。在提取過程中，工件不會晃動掉落，液氮自然流回液氮箱，見圖5。

圖5 TP304不銹鋼托盤

③防凍手套：抓取冷凍后的工件，快速安裝。

④液氮：從市場采購或租賃，根據液氮盛具的不同，將液氮倒入或通過管道放入液氮箱。

2 冷裝操作的模擬

為提前發(fā)現定位銷安裝的意外風險和進行數據收集，綜合考慮定位銷冷裝部位的重要性和施工難度，選取堆芯支撐鑲塊定位銷安裝進行模擬試驗。從重要性上分析，堆芯支撐鑲塊屬于堆內構件下部徑向支撐系統(tǒng)，具有限制堆芯吊蘭下部旋轉和位移的作用。堆芯鑲塊支座為壓力容器上的焊接件，屬于核I級設備，必須避免在定位銷孔加工和定位銷安裝過程中出現難以挽回的錯誤，以保證一次安裝成功。從安裝難度上分析，現場加工，堆芯支撐鑲塊銷孔受加工空間和加工機具限制。銷孔加工深度較深，銷安裝過程中出現卡塞的風險大。

基于試驗成本和可取用材料難易上的考慮，實際選用了物理性能差別不大的304不銹鋼進行銷孔和銷的模擬加工及銷的液氮冷裝。

2.1 模擬裝配工序

銷孔加工→銷孔清潔及外觀檢查→銷孔直徑和深度測量→根據過盈量確定銷的加工直徑→銷粗加工→銷的排氣槽和倒角加工→銷精加工測量→冷裝工具準備→銷的外觀檢查和直徑測量→將銷放入托盤置于冷凍箱中→注入液氮浸沒工件→記錄時間→15分鐘后取出銷測量直徑后迅速將銷放回冷凍箱→銷孔清潔及外觀檢查→30分鐘后將銷取出測量直徑→安 裝銷→銷末端沉入銷孔深度測量。

加工兩組銷孔和銷進行模擬裝配，裝配信息見表3。

表3 兩組銷孔和銷的裝配信息

2.2 模擬件試裝配中的注意事項

（1）模擬圓柱銷直徑測量點應選取上中下多部位測量，測量值之間的差值不能大于0.01mm；多人測量取其平均值；圓柱銷應平直、無彎曲；端部應保證有一定的倒角。

（2）定位銷孔用三爪內徑千分尺測量時應測量上中下多部位數值，3個以上人員測量進行測量驗證。

（3）冷裝銷的冷卻尺寸變化可以反復測量幾次，找出合適的冷卻時間。

（4）冷裝銷的清潔度應該達到B級清潔度標準。

（5）液氮容器的清潔度應達到B級清潔度標準。

（6）取冷裝銷需佩戴防護手套，手套不允許有起毛、線頭等易被帶入銷孔的東西。

（7）排氣孔應起到排氣功能，以免出現“彈銷”現象。

（8）冷裝銷按編號存放在托盤上，安裝時應與鍵槽上的對應編號相匹配。

（9）廢棄的液態(tài)氮應采用掩埋處理，禁止隨意傾倒、拋灑。

3 冷裝過程實施

下面以鑲塊與徑向支撐座之間的裝配為例，詳細描述整個裝配的工藝過程，位置關系如圖6所示。

圖6 裝配的位置關系示意圖

將加工完成的鑲塊按編號安裝在徑向支撐座上，利用上下2個定位螺釘將鑲塊與徑向支撐座緊固在一起。緊固前，應檢查二者之間的接觸情況是否達到75%的接觸面積，同時要對鑲塊進行松動試驗檢查，以消除鑲塊上定位螺栓孔與支撐座上對應的螺栓孔間存在尺寸偏差。因為尺寸偏差過大，將導致鑲塊與徑向支撐座側面間存在間隙現象。松動試驗檢查完成后，利用臨時工裝將磁力電鉆固定，調整好磁力電鉆的方位和角度，利用專用鉸刀對準鑲塊上的導向孔，將徑向支撐座上的銷孔φ25.27mm逐步鉸孔至φ26.67mm，鉸孔深度L=110mm?，F場實際使用的鉸刀分為5個規(guī)格，分別是25.65mm、25.91mm、26.16mm、26.42mm、26.67mm。

鉸孔過程務必保證孔的垂直度與圓柱度。在模擬試驗時，鉸刀的操作者應該熟練掌握操作要領，如鑲塊上的初始導向孔與徑向支撐座上的定位孔位置上的偏差過大，應進行綜合評估，切不可盲目鉸孔；位置偏差可控，應在鉸孔過程中補償性修復；鉸孔過程中嚴禁磁力電鉆的偏移。

鉸孔完畢后，利用三爪內徑千分尺精確測量孔的內徑。在孔的深度方向上取多點測量并記錄數值。利用2-3人測量孔的直徑，然后將數值匯總，確定孔的內徑D。需要注意，確定的內徑數值應征得所有參與測量人員的認可。

利用測量的孔徑D和孔的深度L加工圓柱銷，圓柱銷加工尺寸為D+0.025。根據模擬試驗的結果，綜合各種因素，現場工程師將圓柱銷的收縮量確定為0.07mm，將加工好的冷裝銷裝入托盤（見圖5）中，分2批次將16個冷裝銷放入液態(tài)氮容器中的托盤上冷卻。冷卻37分鐘，取其一件迅速用游標卡尺測量冷裝銷的外徑是否滿足收縮量要求。如果滿足，應快速插入對應的安裝位置，可利用橡皮錘輕輕敲擊，使其迅速安裝到位。采用同樣的操作過程，逐一安裝16件圓柱銷。注意，此時的操作一定要按模擬操作時一樣“手感”進行，如果發(fā)現冷裝銷不能輕易插入，應迅速拔出并繼續(xù)冷卻，直至可以輕易裝入對應的銷孔。整個裝配過程應注意動作迅速，減少冷裝銷在空氣中的暴露時間。同時，要保證圓柱銷在液態(tài)氮容器中有足夠的冷卻時間。

對于管狀的襯套安裝來說，冷裝配操作與圓柱銷狀的實心圓柱銷冷裝沒有大的區(qū)別。襯套加工后的尺寸：內徑φ24.13mm，外徑φ48.32mm，導流板沉孔內徑φ48.25mm，沉孔深度d=38mm，設計配合過盈量0.064mm，實際過盈配合量0.07mm；液態(tài)氮中的冷凍時間為35分鐘，實際測量冷凍后，收縮量為0.14mm；裝配過程采用與圓柱銷同樣的方法，6個襯套在車間輕易完成，最終成功完成襯套與導流板之間的裝配工作。

4 結束語

利用冷裝配工藝實現H/V定位銷暗銷、支撐鑲塊定位銷、DVI導流板定位襯套安裝時過盈配合的設計要求，證明了設計上的可操作性。通過實際操作，發(fā)現應用在堆內構件安裝中的冷裝配工藝具有如下特點：冷裝配操作較為簡潔，操作工人容易掌握操作要領；液態(tài)氮容易獲??；冷裝銷在液態(tài)氮中的線性收縮性能很好，整個降溫過程均勻，降溫過程不易發(fā)生氧化與畸變。同時，通過模擬操作與正式安裝操作，操作人員逐步掌握了冷裝配過程中的冷卻時間控制、工件測量方法、過盈量的評估、操作風險因素控制等多方面的知識，為后續(xù)類似工藝積累了經驗。

[1]中國國家標準化管理委員會.GB/T5371-200 4 極限與配合 過盈配合的計算與選用GB/T5371-2004[S].2004.

[2]汪大年.金屬塑性成形原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[3]劉凌.過盈連接裝配與研究[J].機床與液壓，2011，（4）：47-48.

Col d Assembly Technology in the Application of Reactor Vessel Internals Installation of Generation III Nuclear Plant

WANG Yong, WANG Jiangtao, WANG Shihang
（State Nuclear Power Engineering Company (SNPEC), Shanghai 200223, China）

The cold assembly technology is applied to many installation processes of reactor core internals of Generation III nuclear plant, which refers to the installation of dowel pin of reactor vessel internal core support clevis, installation of dowel pin for H/ V alignment pin, and the installation of DVI flow deflector. With the linear expansion and contraction features of metal materials, it can simulate the whole operation process of cold assembly, so as to grasp the operation essentials of cold assembly, conduct cold assembly processing operation and improve the success rate of installation processing.

Interference fit, Cold Assembly,Reactor Vessel Internals