劉九龍

(中原運(yùn)維海外工程有限公司,上海 200233)

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是反應(yīng)堆控制和保護(hù)系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)，它安裝在反應(yīng)堆壓力容器頂蓋上，能夠按照指令帶動(dòng)控制棒組件在堆芯內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)、保持控制棒組件在指令高度、斷電釋放控制棒組件并使其在重力的作用下快速插入堆芯，為完成反應(yīng)堆的啟動(dòng)、調(diào)節(jié)功率、保持功率、正常停堆和事故停堆等功能。其中密封殼是反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)壓力邊界組成部分。密封殼是安全1級(jí)部件，抗震1I類部件，RCC-M 1級(jí)部件。

“華龍一號(hào)”采用ML-B型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是一種豎直方向步進(jìn)的磁力提升器。如圖1所示，它由驅(qū)動(dòng)桿組件、鉤爪組件、密封殼、線圈組件、棒位探測(cè)器組件及隔熱套組件組成。

圖1 一體化密封殼與二代加型密封殼對(duì)比Fig.1 Difference between the latch housing of Gen 2+ and HPR1000 NPP

1 “華龍一號(hào)”控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封殼特點(diǎn)

1.1 主要技術(shù)要求

“華龍一號(hào)”ML-B型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封殼由密封殼上段及貫穿件焊接而成。密封殼上段材料為00Cr18Ni10N奧氏體不銹鋼鍛件，等同于RCC-M M3301中規(guī)定的Z2CN19-10(控氮)材料。貫穿件材料為因科鎳-690鎳基合金鍛棒，等同于RCC-M M4102中規(guī)定的NC30Fe鎳-鉻-鐵合金棒材。焊接填充材料采用ERNiCrFe-7Aφ1.2 mm鎳基合金焊絲。

“華龍一號(hào)”ML-B型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)共有密封殼61件，12種規(guī)格，最長(zhǎng)2568 mm，最短2021.5 mm。外徑最大處203 mm，臺(tái)階式內(nèi)孔貫穿整個(gè)密封殼。形位尺寸公差窄，內(nèi)外圓部分同軸度要求0.02 mm，垂直度0.03 mm，有多檔臺(tái)階深孔。其中貫穿件段外圓尺寸需與壓力容器頂蓋組件上的開孔尺寸配做，配做公差0.02 mm。

1.2 與二代加堆型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封殼區(qū)別

相比于以往二代加堆型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封殼，“華龍一號(hào)”控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了一體化密封殼，取消了下部Ω焊接結(jié)構(gòu)，減少了冷卻劑泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

一體化結(jié)構(gòu)的密封殼由奧氏體不銹鋼段的密封殼上段與鎳基合金的貫穿件焊接組成，合格的原材料、異種合金對(duì)接焊及密封殼的機(jī)加工成為“華龍一號(hào)”首臺(tái)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封殼制造成功的關(guān)鍵。

2 “華龍一號(hào)”密封殼制造過(guò)程質(zhì)量影響因素及質(zhì)量控制要點(diǎn)

2.1 密封殼制造流程

密封殼由密封殼上段及貫穿件焊接組成，焊接完成后需進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)、精加工及水壓試驗(yàn)，其中貫穿件段需與壓力容器頂蓋管座孔配做。

2.2 原材料質(zhì)量影響因素及控制要點(diǎn)

2.2.1 密封殼上段、貫穿件及焊材原材料

密封殼上段材料為00Cr18Ni10N奧氏體不銹鋼鍛件，貫穿件材料為因科鎳-690鎳基合金鍛棒，焊接填充材料采用ERNiCrFe-7Aφ1.2 mm鎳基合金焊絲。密封殼上段及貫穿件原材料均為真空冶煉電極棒+電渣重熔鋼錠+鍛造方法制造。

電渣重熔鋼錠具有成分偏析小、鋼水純凈度高，鋼錠致密度高等優(yōu)點(diǎn)。密封殼上段材料鍛件加工后的Ω環(huán)部分液體滲透檢測(cè)不允許任何缺陷顯示，因此對(duì)鋼水純凈度及晶粒度要求較高，晶粒度要求大于5級(jí)，非金屬夾雜物ABCD類粗系≤0.5，細(xì)系≤1.0。貫穿件鎳基合金鍛件容易產(chǎn)生高熔點(diǎn)、高密度的金屬夾雜物及偏析，夾雜物的存在容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。鎳基合金材料粘度大，流動(dòng)性差，導(dǎo)熱性差，鍛造過(guò)程中由于大表面摩擦，和顯著的不均勻的內(nèi)部應(yīng)力和大的溫度差容易產(chǎn)生裂紋。

2.2.2 影響密封殼原材料質(zhì)量的因素

冶煉、鍛造、熱處理、理化試驗(yàn)操作人員在原材料制造、加工、試驗(yàn)過(guò)程中的個(gè)人專業(yè)技能和工作態(tài)度直接影響著原材料的最終質(zhì)量。煉鋼爐、鍛造設(shè)備、熱處理爐、加工設(shè)備、理化試驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定以及運(yùn)行功能都會(huì)直接影響原材料的質(zhì)量。電極棒原材料及冶煉過(guò)程中添加的各種元素材料直接影響鋼錠的化學(xué)成分，產(chǎn)品的最終化學(xué)成分是由電極棒及鋼錠的冶煉過(guò)程來(lái)保證。加工過(guò)程中用到的潤(rùn)滑、冷卻等直接與原材料接觸的介質(zhì)中的鹵素離子也會(huì)污染不銹鋼。合格的煉鋼工藝、鍛造工藝、熱處理工藝對(duì)鍛件質(zhì)量的合格至關(guān)重要。試樣的正確取樣是保證理化檢驗(yàn)?zāi)軠?zhǔn)確反饋鍛件質(zhì)量的前提條件。

2.2.3 密封殼原材料質(zhì)量監(jiān)督控制要點(diǎn)

1)在監(jiān)造檢查時(shí)，應(yīng)檢查冶煉、鍛造、熱處理、理化試驗(yàn)操作人員的資格證書，確保操作人員的個(gè)人專業(yè)技能滿足要求。檢查煉鋼爐、鍛造設(shè)備、熱處理爐、加工設(shè)備、理化試驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)記錄，檢查計(jì)量?jī)x表的標(biāo)定記錄，確保設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、儀表顯示準(zhǔn)確。

2)其次，應(yīng)檢查產(chǎn)品制造過(guò)程中產(chǎn)生的各項(xiàng)報(bào)告。在檢查各項(xiàng)成品化學(xué)成分報(bào)告、理化試驗(yàn)報(bào)告、無(wú)損檢測(cè)報(bào)告滿足技術(shù)條件以外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下報(bào)告：①電極棒的化學(xué)成分報(bào)告，通過(guò)電極棒化學(xué)成分報(bào)告與澆包及成品化學(xué)成分之間的差異，碳錳硅等元素的燒損值來(lái)判斷報(bào)告的合理性;②加工中與鍛件直接接觸的切屑液及冷卻液報(bào)告，避免鹵素元素污染鍛件;③鋼錠的冶煉記錄、鍛造比報(bào)告中的過(guò)程參數(shù)記錄，檢查與冶煉、鍛造工藝的一致性。其中鍛造比反應(yīng)了鍛件的變形量，終鍛溫度決定了鍛件內(nèi)部晶粒度，應(yīng)檢查鍛造比大于3，終鍛溫度應(yīng)大于850 ℃;④固溶熱處理報(bào)告，檢查密封殼上段固溶熱處理保溫溫度控制在1050～1100 ℃，貫穿件固溶熱處理保溫溫度控制在1000～1100 ℃，保溫時(shí)間大于1.5 h，水冷轉(zhuǎn)移時(shí)間小于5 min。

3)檢查各項(xiàng)制造相關(guān)文件的有效性。檢查質(zhì)量計(jì)劃的批準(zhǔn)函，檢查各類熱冷工藝、無(wú)損檢測(cè)規(guī)程、理化試驗(yàn)大綱的審批。在監(jiān)造時(shí)應(yīng)特別重點(diǎn)關(guān)注取樣圖，檢查與技術(shù)條件的一致性，在取樣見證時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注試樣的取樣位置及取樣方向并做好標(biāo)記記錄，在理化試驗(yàn)見證時(shí)應(yīng)仔細(xì)核對(duì)試樣編號(hào)。

4)檢查各制造環(huán)節(jié)環(huán)境情況。其中固溶熱處理冷卻水采用地下循環(huán)冷卻水，水溫不大于20 ℃，理化試驗(yàn)室環(huán)境溫度應(yīng)控制在18～28 ℃，濕度控制在30%～70%，液體滲透檢測(cè)環(huán)境溫度不低于10 ℃。

2.3 密封殼焊接過(guò)程質(zhì)量控制重點(diǎn)

2.3.1 密封殼異種金屬對(duì)接焊技術(shù)要求

密封殼異種金屬對(duì)接焊技術(shù)要求如圖2所示。

圖2 密封殼對(duì)接焊Fig.2 Butt welding of the latch housing

密封殼對(duì)接焊采用手工鎢級(jí)氬弧焊打底，自動(dòng)鎢級(jí)氬弧焊滿焊。層間溫度≤120 ℃(設(shè)計(jì)院要求不大于225°),焊后需要進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，400 ℃±10 ℃，保溫時(shí)間10 h。 主要焊接參數(shù)如表1所示。

表1 密封殼異種金屬對(duì)接焊主要參數(shù)Table 1 Welding parameters of the latch housing

2.3.2 密封殼異種金屬對(duì)接焊的難點(diǎn)

密封殼上段與貫穿材料熔點(diǎn)不同，00Cr18Ni10N熔點(diǎn)約為1200～1300 ℃，因科鎳-690熔點(diǎn)約為1343～1377 ℃，熔點(diǎn)低的密封殼上段材料容易滲入過(guò)熱區(qū)的晶界，使焊接接頭質(zhì)量難以保證。兩種材料線膨脹系數(shù)不一致，熔池結(jié)晶時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，容易導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生缺陷。兩種材料的比熱容不一樣，會(huì)使焊縫金屬的結(jié)晶條件變壞，晶粒嚴(yán)重粗化。兩種材料的電磁性不同，會(huì)影響焊接電弧的穩(wěn)定性。密封殼異種合金焊接的批量化生產(chǎn)尤為困難，面臨層間溫度控制不易、粉塵飛濺保護(hù)、焊接變形、周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)、層間無(wú)損檢查頻繁需要零件多次裝運(yùn)和裝夾等難點(diǎn)。

2.3.3 “華龍一號(hào)”密封殼對(duì)接焊的改進(jìn)

“華龍一號(hào)”首臺(tái)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封殼異種合金焊接難點(diǎn)，采用了一種新開發(fā)的焊接、無(wú)損檢測(cè)、轉(zhuǎn)運(yùn)一體整體式布局的專用自動(dòng)焊機(jī)(見圖3)。

圖3 “華龍一號(hào)”密封殼對(duì)接焊專機(jī)Fig.3 The butt welding machine for the latch housing of HPR1000

該專用自動(dòng)焊機(jī)，可實(shí)現(xiàn)龍門架、動(dòng)柱多工位交替使用，每個(gè)工位可單獨(dú)進(jìn)行焊接、打磨等工作。工件內(nèi)部可通循環(huán)冷卻去離子水，以便控制層間溫度。采用浮動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu)，防止長(zhǎng)軸零件焊接熱變形對(duì)質(zhì)量產(chǎn)生影響。該焊機(jī)擁有弧長(zhǎng)跟蹤功能，可根據(jù)待焊表面的高低自動(dòng)調(diào)整焊弧的高度，特別有利于多層焊縫的質(zhì)量控制，極大的有利于焊接質(zhì)量的穩(wěn)定。在焊接時(shí)向密封殼內(nèi)孔注入溫控循環(huán)水，有利于層間溫度控制，極大縮短層間溫度自然空冷時(shí)間，提高焊接效率的同時(shí)也改善了焊縫及熱影響區(qū)的組織晶粒度。自動(dòng)焊過(guò)程中，冷卻水溫度控制在40°～70°。該焊機(jī)對(duì)焊縫處有防塵保護(hù)罩，減少了焊縫打磨粉塵飛濺。該焊機(jī)采用密封殼端固定，貫穿件端浮動(dòng)滾輪的支撐，避免了因焊接變形導(dǎo)致大小端不同心從而影響焊接質(zhì)量的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.4 密封殼對(duì)接焊過(guò)程質(zhì)量控制要點(diǎn)

(1)密封殼對(duì)接焊質(zhì)量影響因素

持證焊工及輔助工的個(gè)人專業(yè)技能、焊接設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定以及運(yùn)行功能、焊接材料和母材本身的質(zhì)量、焊接工藝評(píng)定及焊接工藝、焊前清潔度、焊接過(guò)程中防塵、施焊環(huán)境溫度濕度等都對(duì)焊縫的質(zhì)量有影響。

(2)密封殼對(duì)接焊過(guò)程質(zhì)量控制要點(diǎn)

在焊接前，仔細(xì)檢查密封殼上段及貫穿件坡口尺寸并確保焊前無(wú)損檢驗(yàn)合格。檢查操作人員相應(yīng)證書，檢查焊工相應(yīng)的資格證書在有效期內(nèi)并檢查連續(xù)施焊記錄。檢查操作人員定期培訓(xùn)記錄，確保操作人員可以依照焊接要求嚴(yán)格執(zhí)行。檢查焊機(jī)及輔助設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)，檢查設(shè)備保養(yǎng)記錄，檢查需要計(jì)量標(biāo)定的電流電壓表、氣瓶流量表、測(cè)溫儀等標(biāo)定記錄，確保設(shè)備合格有效。檢查領(lǐng)用原材料密封殼及貫穿件是否匹配，檢查標(biāo)識(shí)一致性并核查焊材爐批號(hào)。

裝焊時(shí)檢查密封殼上段與貫穿件之間間隙及同心度是否合格。在焊接過(guò)程中，仔細(xì)核查各項(xiàng)焊接參數(shù)與焊接工藝的一致性。檢查焊接過(guò)程中環(huán)境溫濕度及層間溫度，核查滾輪架上無(wú)異物，檢查環(huán)境中粉塵污染情況。嚴(yán)格控制層間溫度及各項(xiàng)焊接參數(shù)，防止熱輸入過(guò)大。

焊接完成后重點(diǎn)監(jiān)督焊后各項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)。另外需額外關(guān)注焊縫咬邊情況及焊縫高度是否高出母材表面。

2.3.5 密封殼焊接射線檢查“黑線”顯示

首臺(tái)“華龍一號(hào)”控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封殼對(duì)接焊縫在加工后的最終射線檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，在00Cr18Ni10N側(cè)熔合區(qū)的膠片上存在一條較為明顯的黑度較大的顯示，此顯示連續(xù)分布在整個(gè)焊縫中。在UT超聲波及焊后射線檢測(cè)時(shí)未發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象。射線底片上影像從00Cr18Ni10N側(cè)至焊縫依次變亮，從底片上觀察發(fā)現(xiàn)變化呈現(xiàn)梯度變化?！昂诰€”距離焊縫背面約2.5 mm，寬度約0.2～0.4 mm(見圖4)。

圖4 密封殼對(duì)接焊縫射線檢驗(yàn)“黑線”示意圖Fig.4 Schematic ofthe “black line” for the X-ray inspection of the butt weld of the latch housing

經(jīng)過(guò)1∶1焊縫模擬件試驗(yàn)驗(yàn)證，該“黑線”顯示位于手工焊與自動(dòng)焊相結(jié)合的位置。各項(xiàng)理化性能試驗(yàn)均合格，室溫拉伸、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、硬度檢驗(yàn)均合格，證明該“黑線”顯示不是缺陷。經(jīng)設(shè)計(jì)院與廠家分析，“黑線”是由于手工焊打底和自動(dòng)焊蓋面造成異種金屬的不同稀釋和晶粒度在射線底片上的顯影。同時(shí)通過(guò)在模擬件上選擇尺寸為0.2 mm的刻槽，該刻槽小于底片上像質(zhì)計(jì)靈敏度極限(0.25 mm)。通過(guò)RT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，底片上清晰可見人工刻槽缺陷，排除了該“黑線”顯示的存在影響缺陷判斷的可能。經(jīng)設(shè)計(jì)院及第三方無(wú)損專家審查，認(rèn)可該結(jié)論。

2.4 密封殼機(jī)加工質(zhì)量控制重點(diǎn)

2.4.1 密封殼加工難點(diǎn)

1)密封殼形位尺寸公差窄，內(nèi)外圓部分同軸度要求僅0.02 mm，垂直度0.03 mm，深孔尺寸公差僅0.06 mm，多段臺(tái)階深孔加工難度大，如圖5所示。

圖5 密封殼Ω環(huán)尺寸圖Fig.5 The Ω ring size of the latch housing

2)密封殼Ω環(huán)異形結(jié)構(gòu)及較高的形位尺寸公差導(dǎo)致加工難度大，一旦加工錯(cuò)誤，補(bǔ)救措施較少，容易產(chǎn)生報(bào)廢情況。Ω形結(jié)構(gòu)加工后尺寸測(cè)量較難，較依賴數(shù)控程序及機(jī)床本身精度。

3)密封殼貫穿件段外圓尺寸需與壓力容器頂蓋組件上的開孔尺寸配做，配做公差僅0.02 mm。

2.4.2 密封殼加工質(zhì)量控制要點(diǎn)

1)在加工內(nèi)外圓同軸度要求較高的尺寸時(shí)，因外圓加工較內(nèi)孔加工容易，采用內(nèi)孔為基準(zhǔn)，在外圓最終精加工前，將工件以內(nèi)孔為基準(zhǔn)找正后采用三抓內(nèi)卡盤夾緊在數(shù)控機(jī)床上，采取小吃刀量慢進(jìn)給方式，每加工一刀就復(fù)測(cè)一遍尺寸，直至尺寸合格。對(duì)于同側(cè)同軸度要求尺寸，采用最終精加工一刀落的方式保證同軸度。對(duì)于有垂直度的端面，以內(nèi)外圓為基準(zhǔn)，找正夾緊后加工端面。對(duì)于采用同一基準(zhǔn)的尺寸，一次裝夾，一起加工。同時(shí)做好刀具對(duì)刀工作，檢查車間刀具對(duì)刀記錄，檢查刀具使用時(shí)間，避免刀具過(guò)度使用。在對(duì)刀校準(zhǔn)間隙期間加工，導(dǎo)致尺寸超差。

2)中部Ω環(huán)的加工。在制造產(chǎn)品前，用Ω焊接見證件試驗(yàn)件在產(chǎn)品密封殼加工機(jī)床上模擬Ω環(huán)的加工，加工后在三坐標(biāo)檢驗(yàn)儀上測(cè)量精確尺寸，以驗(yàn)證數(shù)控程序的正確性。數(shù)控主程序一旦確定，不再更改。Ω環(huán)加工完成后采用測(cè)量卡板透光檢驗(yàn)Ω形狀，采用專用測(cè)厚量具測(cè)量Ω環(huán)厚度，每完成一件測(cè)量一件，合格后再下機(jī)床。

3)在配做貫穿件與壓力容器頂蓋配合段尺寸時(shí)，放置多段中心滾輪架，以保證配車段與密封殼其余外圓尺寸的同心度，減小轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)因自重產(chǎn)生的撓曲。裝夾產(chǎn)品時(shí)用薄片不銹鋼軟包覆產(chǎn)品，同時(shí)在配車貫穿件段刀具前放置擋屑板，避免切屑劃傷密封殼其他最終加工表面。

3 結(jié)論

本文從“華龍一號(hào)”控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封殼制造過(guò)程中的原材料、焊接、機(jī)加工三個(gè)方面入手，通過(guò)分析密封殼制造過(guò)程中影響原材料、焊接、加工的質(zhì)量因素及難點(diǎn)，針對(duì)性地提出了在監(jiān)督檢查制造過(guò)程的質(zhì)量控制要點(diǎn)。

在原材監(jiān)造及報(bào)告審查中，除檢查各項(xiàng)產(chǎn)品報(bào)告及工藝、質(zhì)保文件以外，還應(yīng)重點(diǎn)檢查電極棒化學(xué)成分、切屑液、鍛造比、熱處理等報(bào)告。在密封殼異種金屬焊接采用改進(jìn)的焊接設(shè)備基礎(chǔ)上，從焊前、焊中、焊后三方面提出了焊接過(guò)程質(zhì)量控制的要點(diǎn)。在機(jī)加工過(guò)程中，通過(guò)合理裝夾、選取合適基準(zhǔn)面、采用專用量具等方式，確保加工尺寸合格。