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        冷裝技術(shù)在核電設(shè)備中的應(yīng)用①

        2018-07-11 08:46:44
        中國核電 2018年2期
        關(guān)鍵詞:穩(wěn)壓器電加熱封頭

        (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)。

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