(西安核設(shè)備有限公司,陜西　西安　710021)

板焊結(jié)構(gòu)穩(wěn)壓器是百萬千瓦級(jí)壓水堆核電站一回路冷卻劑系統(tǒng)中的主要設(shè)備，其主要功能是建立并維護(hù)反應(yīng)堆系統(tǒng)一回路的系統(tǒng)壓力；補(bǔ)償一回路因溫度變化引起的容積變化，緩解因溫度變化引起的壓力波動(dòng)，避免冷卻劑在反應(yīng)堆內(nèi)沸騰；通過噴淋和加熱器來保持穩(wěn)壓器內(nèi)水一汽的平衡溫度，把一回路的壓力限制在一個(gè)范圍內(nèi)，并防止一回路超壓。當(dāng)一回路超壓時(shí)，通過安全閥把穩(wěn)壓器內(nèi)的蒸汽卸到卸壓箱內(nèi)。板焊穩(wěn)壓器均采用電加熱式結(jié)構(gòu)，即通過下封頭上的63個(gè)電加熱元件組件來調(diào)整控制一回路冷卻劑的溫度及壓力。板焊穩(wěn)壓器下封頭底部的三組同心圓上分布了63-φ30MF電加熱元件套管孔，63個(gè)電加熱元件套管從封頭底外部貫穿插入穩(wěn)壓器內(nèi)部，用于安裝、防護(hù)和密封電加熱元件組件，見圖1。

圖1　穩(wěn)壓器下封頭裙座筒體組件Fig.1　Pressure regulator lower head skirt cylinder assembly

為了滿足核電站復(fù)雜工況需求，確保安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)要求穩(wěn)壓器下封頭上分布63-φ30MF電加熱套管孔和電加熱套管配合套裝過盈量為0.01～0.03 mm。由于以往公司生產(chǎn)多臺(tái)穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)為鍛焊結(jié)構(gòu)，冷裝工藝技術(shù)和操作過程成熟，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。板焊穩(wěn)壓器是國內(nèi)首次制造，無成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒，如何順利一次成功地將電加熱套管裝入下封頭電加熱套管孔中，成為制造過程中必須解決的一個(gè)工藝難題。針對(duì)下封頭組件形狀復(fù)雜、體積龐大，而電加熱套管直徑小、外形規(guī)則，我們選用冷裝法完成電加熱套管和孔的過盈套裝，并通過試驗(yàn)摸索制定切實(shí)可行、穩(wěn)定可靠的工藝方案保證冷裝質(zhì)量。

1　工藝分析

板焊穩(wěn)壓器下封頭材料為16MnD5+過渡層D309LHR+面層D308LHR多種復(fù)合材料，厚度為(115+12)mm,63-φ30MF電加熱套管孔分布于下封頭球形面的三組同心圓上，孔位特殊，故在套管孔加工過程中因封頭外表面曲率不同形成單邊吃刀，在套管孔入口處孔徑軸線存在微量偏移；在套管孔出口端又遇見母材、堆焊過渡層和堆焊面層面產(chǎn)生了4種不同硬度的加工層，再加上出口端表面曲率不同，套管孔出口端軸心線又產(chǎn)生了微量空間偏移。盡管采用微量法、選用耐磨刀片和強(qiáng)化刀桿消除套管孔徑不同軸因素，但是實(shí)際加工套管孔仍存在0.01 mm同軸度誤差。電加熱套管材料為Z2CND18-12控氮不銹鋼，裝配外徑為φ30MF,見圖2。電加熱套管配裝外徑采用磨削加工，因其材料為Z2CND18-12控氮不銹鋼，導(dǎo)熱性能差，磨屑粘附性強(qiáng)易堵砂輪，磨削區(qū)溫度高，配磨外圓會(huì)產(chǎn)生0.010 mm不圓度。綜上所述，套管孔和套管加工所產(chǎn)生的配合面累計(jì)形狀誤差Δ形狀=(0.01+0.01)mm，是影響冷裝質(zhì)量的因素之一[1]。

圖2　電加熱元件套管Fig.2　Electric heating element sleeve

冷裝就是冷卻收縮被包容件，以形成裝配間隙的過盈連接。為了保證冷裝質(zhì)量，首先需核定電加熱套管的安全冷裝間隙，電加熱套管的安全冷裝間隙Δ冷裝=Δ0+Ymax+Δ形狀[2]。其中Δ0是為了避免冷裝中配合面互相插傷、粘連需要的最小間隙，采用同樣公稱直徑φ30MF間隙配合H7/g6 的最小間隙,查公差表計(jì)算出Δ0=EI-es=0-(-0.007)=0.007 mm；Ymax即為圖紙?jiān)O(shè)計(jì)裝配的最大過盈量，Ymax=0.03 mm；孔徑和套管配合面加工累計(jì)的形狀誤差Δ形狀=0.02 mm，計(jì)算核定電加熱套管安全冷裝間隙Δ冷裝=0.057 mm。電加熱套管配裝直徑僅為φ30 mm,其冷卻收縮量要大于安全冷裝間隙0.057 mm，才能滿足冷裝要求。參照?qǐng)D3金屬材料收縮比得知，冷卻溫度T冷卻<100 K即-173℃，不銹鋼類材料收縮比趨于平穩(wěn)，其冷縮量基本上達(dá)到最大狀態(tài)。參閱常用冷卻劑物理性能表1，選定冷卻劑為液氮，液氮沸點(diǎn)-195.8 ℃(合計(jì)77.2 K)即為電加熱套管的冷卻溫度，根據(jù)金屬材料冷卻冷縮量的理論公式Δ理論=L(L293-LT)/L293(L為被包容件直徑，LT-被包容件在冷卻溫度K下的直徑,L293被包容件在20 ℃(即293 K)下的直徑)，計(jì)算電加熱套管的理論冷縮量。查圖3金屬材料收縮比，確定不銹鋼在冷卻溫度77.2 K時(shí)，其收縮比(L293-LT)/L293=275×10-5，計(jì)算電加熱套管的理論冷縮量Δ理論≈30×275×10-5mm=0.0825 mm。電加熱套管理論冷縮量Δ理論為0.0825 mm，大于電加熱套管安全冷裝間隙0.057 mm,故采用液氮冷卻是合理的選擇[3]。

圖3　常用金屬收縮比Fig.3　Shrinkage ratio of metal materials

冷卻劑在101.325 kPa(1 atm)沸點(diǎn)/℃氣化潛能/(kJ/kg)固體二氧化碳-78.5572液態(tài)氨-183213液態(tài)空氣-194.5209液態(tài)氮-195.8199

電加熱套管冷縮后溫度低，冷裝時(shí)間短，實(shí)測(cè)冷縮量不易實(shí)現(xiàn)，故采用冷卻時(shí)間來保證工件冷卻溫度，以冷卻溫度控制工件冷縮量。為了達(dá)到最好的冷卻效果，采用直接冷卻法，將工件直接置放于帶絕熱層冷卻桶的液氮中。根據(jù)冷卻時(shí)間經(jīng)驗(yàn)公式確定冷卻時(shí)間：

t經(jīng)驗(yàn)=α·δ+(6～8)min

式中：α——工件材料冷卻綜合系數(shù)，單位：min/mm；鋼類材料α=1.2；

δ——被凍零件的特性尺寸，即零件的最大斷面半徑或壁厚尺寸(mm)，工件壁厚3.5mm。

經(jīng)計(jì)算，電加熱套管經(jīng)驗(yàn)冷卻時(shí)間t=1.2×3.5+6=10.2min。但是計(jì)算出的經(jīng)驗(yàn)冷卻時(shí)間僅能參考，不能作為冷裝工藝參數(shù)直接指導(dǎo)冷卻套裝，我們還需通過試驗(yàn)選定適宜的冷卻時(shí)間，以保證冷縮效果[4]。

冷裝時(shí)動(dòng)作要迅速，才能保證在配裝間隙消失前裝配結(jié)束。板焊穩(wěn)壓器下封頭組件體積龐大，以臥式置放，冷裝操作時(shí)，套管順利導(dǎo)入管口、套管軸心與套管孔軸心保持重合、工件結(jié)合面清潔、人工操作熟練程度等都是影響冷裝質(zhì)量的因素，因此需要通過冷裝試驗(yàn)摸索，進(jìn)一步完善確定冷裝工藝方案。

2　冷裝試驗(yàn)

針對(duì)冷裝工藝分析，制定冷裝試驗(yàn)工藝，如圖4所示。

圖4　下封頭電加熱套管孔冷裝試板Fig.4　Cold mounting test plate for the electric heating sleeve of the lower head

表2　冷裝試件配裝部分尺寸實(shí)測(cè)值

(2)冷縮試驗(yàn)：配備好盛裝液氮的冷卻保溫桶，加入液氮，封蓋。復(fù)核6個(gè)冷裝試驗(yàn)套管的配裝外徑，用φ0.5的不銹鋼捆綁試驗(yàn)套管，在捆綁的不銹鋼絲提抓端黏附編號(hào)，然后將試驗(yàn)套管放入液氮中臥式埋藏，分別在冷卻時(shí)間2 min、4 min、6 min、8 min、10 min、12 min、14 min、16 min、18 min、20 min快速提取試驗(yàn)套管，用千分尺測(cè)量試驗(yàn)套管配裝外徑冷縮后實(shí)測(cè)值，見表2，與試驗(yàn)套管冷卻前外徑尺寸對(duì)比，計(jì)算出試驗(yàn)套管的實(shí)時(shí)冷縮量，將套管實(shí)際冷縮量數(shù)據(jù)計(jì)入表3中。根據(jù)試驗(yàn)套管實(shí)測(cè)冷縮量數(shù)據(jù)做出套管的實(shí)時(shí)冷縮圖(見圖5)，觀察套管實(shí)時(shí)冷縮圖得知，試驗(yàn)套管在液態(tài)氮中冷卻10 min后，工件冷縮量趨于穩(wěn)定，繼續(xù)冷卻，冷縮量?jī)H在0.01 mm范圍內(nèi)變化，與計(jì)算出電加熱套管的經(jīng)驗(yàn)冷卻時(shí)間10.2 min相吻合。為了達(dá)到最佳的冷卻效果，將套管的冷卻時(shí)間定為16 min。對(duì)比6個(gè)試驗(yàn)套管冷卻16 min后，其外徑冷縮量在0.065～0.095 mm,與電加熱套管的理論收縮量0.0825 mm有微量差異，但是均大于電加熱套管安全冷裝間隙0.057 mm,可滿足冷裝要求。

圖5　套管實(shí)時(shí)冷縮圖Fig.5　Real time cold contraction of sleeve

表4　試驗(yàn)套管外徑冷縮量實(shí)測(cè)值Table 4　The outer diameter of the sleeve cold shrinkage test measured value　單位：mm

(3)冷裝試驗(yàn)：通過冷縮試驗(yàn)，確定了冷卻劑和冷卻時(shí)間，核實(shí)了套管外徑實(shí)際冷縮量可滿足冷裝要求，但是冷裝操作時(shí)，套管順利導(dǎo)入管口、套管軸心與套管孔軸心保持重合、工件結(jié)合面清潔、人工操作熟練程度等都是影響冷裝質(zhì)量的因素，因此通過冷裝試驗(yàn)進(jìn)一步排除這些影響因素，提高冷裝操作的穩(wěn)定性和可靠性。

冷裝試驗(yàn)分為故障冷裝試驗(yàn)和順利冷裝試驗(yàn)。為了模擬實(shí)裝工況，冷裝試板臥式置放操作臺(tái)并壓緊，首先用內(nèi)弧刮刀沿管孔入口和出口刮除微型毛刺，沿入口端和出口端用160#紗布再次磨砂，手摸感覺滑溜，然后用亞麻布沾丙酮前后拉推清洗內(nèi)孔，用白色亞麻布檢測(cè)無污物即可，然后分別進(jìn)行故障冷裝試驗(yàn)和順利冷裝試驗(yàn)。

故障冷裝試驗(yàn)：在冷裝過程中，套管可能會(huì)在入口、中途和出口端出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，選用1#、3#、5#編號(hào)孔進(jìn)行冷裝卡阻試驗(yàn)。按表5進(jìn)行了故障冷裝試驗(yàn)，并通過下一步順利冷裝試驗(yàn)來驗(yàn)證冷裝卡阻后修復(fù)方案的可行性。

表5　故障冷裝試驗(yàn)Table 5　Fault cold mounting test

順利冷裝試驗(yàn)：在冷裝過程中，控制冷裝時(shí)間、做到操作熟練流暢是保證順利冷裝的關(guān)鍵，通過冷裝試板中孔位編號(hào)6、4、2、5、3、1的冷裝試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化冷裝流程、篩選確認(rèn)最佳的冷裝時(shí)間，以保證冷裝順利完成?？紤]到操作空間影響，冷裝順序從右到左進(jìn)行。先將套管進(jìn)行清潔、標(biāo)志，放入液氮中冷卻計(jì)時(shí)，同時(shí)清潔管孔，待套管冷卻至16 min，戴上防凍手套，快速提出工件，手握托平對(duì)正，目視垂直，上下左右微量擺動(dòng)套管導(dǎo)入內(nèi)孔，分別以快速、適中和緩慢用力一次推入，聽到哐當(dāng)?shù)囊宦暎麄€(gè)過程即完成。 順利冷裝試驗(yàn)見表6。

表6　套管順利冷裝試驗(yàn)Table 6　Cold mounting test of sleeve

(4)強(qiáng)度檢測(cè)：對(duì)順裝的套管進(jìn)行拉脫試驗(yàn)，各套管冷裝后均滿足要求。

結(jié)合以上理論知識(shí)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，冷裝工藝及相應(yīng)參數(shù)確定正確、可行，操作過程規(guī)范，滿足要求。

3　制定冷裝工藝方案

綜合上述試驗(yàn)，制定了冷裝工藝方案，如下：

(1)工藝裝備：備專用刮刀一把、鉚工榔頭一個(gè)、紫銅棒φ29.5×300一根、木棒φ20×300一根、油光銼刀一把、160#砂布、亞麻布、防凍手套、清洗劑丙酮、冷裝用保溫桶φ800×600一個(gè)、冷卻劑液氮。

(2)人員配備：鉚工2名，站在與下封頭相連接的筒體內(nèi)，分別手持銅棒和榔頭，負(fù)責(zé)應(yīng)急從封頭內(nèi)壁往外擊打退出套管； 裝配鉗工1名，專門負(fù)責(zé)冷裝；檢驗(yàn)工1名，負(fù)責(zé)應(yīng)急檢測(cè)。

(3)冷裝操作

1)冷裝工況：將下封頭上三圈套管孔從內(nèi)到外按逆時(shí)針方向依1～63#編號(hào)，套管孔實(shí)際長(zhǎng)度分別為外圈30個(gè)孔深L=167 mm，中圈26個(gè)孔深L=151 mm，內(nèi)圈7個(gè)孔深L=142 mm；冷裝過盈量為(0.01～0.030) mm，套管和套管孔配裝外圓表面粗糙度為Ra 0.8 um，套管外徑不圓度為0.01 mm,套管孔同軸度在0.01 mm，冷裝按內(nèi)圈、中圈、外圈順序依次進(jìn)行。

2)孔體清潔及微毛刺清除：用內(nèi)弧刮刀沿管孔入口和出口刮除微型毛刺，沿入口端和出口端用160#紗布再次磨砂，手摸感覺滑溜，用亞麻布裹木棒沾丙酮前后拉推清洗內(nèi)孔，用白色亞麻布檢測(cè)無污物后，再用亞麻布重點(diǎn)摩擦入口、出口端，手摸光滑即可。

3)套管冷卻：復(fù)核套管編號(hào)和外徑尺寸，用丙酮清洗、亞麻布擦拭干凈，用細(xì)不銹鋼捆綁套管，在捆綁的不銹鋼絲提取端黏附套管編號(hào)，將套管以平臥狀態(tài)放入冷裝桶中冷卻。冷卻桶離封頭距離2 m左右，以便鉗工提取套管。一次放入7～10件套管冷卻為宜，工件埋藏在液氮里，液氮表面開始發(fā)生劇烈翻騰和蒸發(fā)現(xiàn)象，5 min后逐漸平穩(wěn)，冷卻至16 min，準(zhǔn)備裝配。

4)快速裝配：鉗工戴好防凍手套，先看好套管標(biāo)志，核對(duì)孔位，再快速提取套管，手握托平對(duì)正使套管軸線和孔心重合，目視垂直，上下左右微量擺動(dòng)套管導(dǎo)入內(nèi)孔，一次用力迅速推入，聽到軸向定位哐當(dāng)聲，一個(gè)套管的冷裝就在3～5 s內(nèi)順利完成。

5)應(yīng)對(duì)冷裝中的“卡阻”問題：如果冷裝操作中出現(xiàn)“卡阻”，不能用力擊打硬裝，而是由封頭內(nèi)側(cè)兩人協(xié)作，一人扶正紫銅棒，一人用榔頭擊打，若套管出現(xiàn)松退，可連續(xù)擊打7～8次退出。經(jīng)打出來的套管，局部都帶有輕微的劃痕，上C6140A車床，用薄銅皮墊著保護(hù)，找正后用油光銼修磨，再用160#砂布砂光修復(fù)。內(nèi)孔用羊毛輪黏附拋光劑修復(fù)光滑，檢測(cè)套管和孔尺寸及形狀公差，符合要求后重新冷裝。

針對(duì)內(nèi)側(cè)擊打未出現(xiàn)松動(dòng)的套管，已形成脹抱現(xiàn)象，不宜再擊打套管，上鏜床以套管找正，用鉆頭鉆削套管，套管與管孔預(yù)留0.3 mm黏附量，用柱狀砂布輪打磨去除黏附層，恢復(fù)管孔精度，重新配磨套管進(jìn)行冷裝。

4　結(jié)束語

在實(shí)際的制造過程中，通過試驗(yàn)篩選套管和套管孔的機(jī)加加工方案，提高了套管和套管孔精度；合理地選定冷卻時(shí)間取得套管最佳冷縮效果；徹底地清潔配裝面、清除微毛刺；為便于冷卻過程的操作，采取內(nèi)圈、中圈到外圈的冷裝順序，選用連續(xù)流暢的冷裝流程，做到操作熟練、迅速，縮短了冷裝時(shí)間；提前設(shè)置好應(yīng)急預(yù)案應(yīng)對(duì)冷裝“卡阻”問題，成功地完成了方家山、福清、昌江6臺(tái)穩(wěn)壓器的下封頭組件電加熱套管冷裝工作，解決了板焊穩(wěn)壓器制造中的一個(gè)工藝難題。保質(zhì)保量地完成套管冷裝工作，標(biāo)志著我公司在板焊穩(wěn)壓器制造領(lǐng)域內(nèi)的又一次技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)了核電站反應(yīng)堆核心設(shè)備國產(chǎn)化的供貨目標(biāo)。