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        大型先進核承壓裝備制造基地工藝設(shè)計的優(yōu)化及技術(shù)進展

        2022-09-21 08:13:00郭杭鋒周燁明
        工程建設(shè)與設(shè)計 2022年17期
        關(guān)鍵詞:工藝

        郭杭鋒,周燁明

        (中國聯(lián)合工程有限公司, 杭州 310052)

        1 引言

        21世紀的頭十年,中國聯(lián)合工程有限公司先后承擔(dān)了東方電氣集團南沙基地、哈爾濱電氣集團秦皇島基地、上海電氣集團臨港重裝備基地、中國一重集團棉花島基地和中國二重集團鎮(zhèn)江基地,五大核電重型裝備制造基地的工程設(shè)計工作。

        五大基地的設(shè)計建設(shè)在以下幾方面的工藝設(shè)計中著重提升了核電制造技術(shù),并取得了國內(nèi)外領(lǐng)先的特色專項技術(shù)。

        2 核電制造基地的核電產(chǎn)品規(guī)劃

        2004年4月開始,中國聯(lián)合工程有限公司根據(jù)核電裝備國產(chǎn)化的最新成果及與國際著名核電公司考察交流的技術(shù)匯總,在制造企業(yè)所掌握的二代核電制造技術(shù)基礎(chǔ)上,采納了國內(nèi)核電自主化、國產(chǎn)化最新成果,消化、吸收最新引進的第三代核電產(chǎn)品及技術(shù),為制造企業(yè)提出了新核電裝備制造基地的產(chǎn)品規(guī)劃方案。核電裝備選定了當(dāng)時具有國際先進水平的非能動安全系統(tǒng)的第三代核電技術(shù)AP1000機組為代表產(chǎn)品,同時,兼顧生產(chǎn)秦山二期自主化650MW核電機組,我國新一代安全性好、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的CAP1400機組、160~200 MW高溫氣冷堆機組,EPR(歐洲壓水堆,第三代核電技術(shù))1 750 MW機組;預(yù)留了未來國際先進水平的第四代核電技術(shù)機組——快堆機組重型容器的關(guān)鍵生產(chǎn)條件,同時還預(yù)留了生產(chǎn)1 800 MW等級的核電機組、重水堆機組及其他堆型核電機組核承壓設(shè)備的廠房條件。

        項目還規(guī)劃生產(chǎn)重型裝備,主要是指在冶金、礦山、建材、交通、電力等行業(yè)中,一些超大、超重的機器裝備產(chǎn)品,如大型中、寬厚板軋機、大型轉(zhuǎn)爐、40 MN以上大型壓機、φ8 m以上盾構(gòu)掘進機、23 m3以上礦山挖掘機等,這些產(chǎn)品在國內(nèi),在世界范圍內(nèi)都僅為極少數(shù)工廠才具有加工和制造能力。

        3 大件機加工

        核電容器多為分段鍛件組裝焊接結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)特點為體大而重、形狀復(fù)雜、加工面分散、加工精度要求高、機加工工作量大,制造周期長。采用的加工工藝裝備主要為數(shù)控立式車銑復(fù)合加工中心、數(shù)控龍門移動式鏜銑床、數(shù)控立車、數(shù)控三軸深孔鉆床和數(shù)控落地銑鏜床。

        3.1 反應(yīng)堆壓力容器(RPV)立式一次性整體加工

        核島關(guān)鍵設(shè)備——反應(yīng)堆壓力容器(RPV)為分段鍛件組裝焊接結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)特點為體大而重、形狀復(fù)雜、加工面分散、加工精度要求高、機加工工作量大,制造周期長。200 MW高溫氣冷堆壓力容器與壓水堆壓力容器加工內(nèi)容相似;快堆反應(yīng)堆壓力容器為全不銹鋼結(jié)構(gòu),具有外形尺寸大、壁薄的結(jié)構(gòu)特點。當(dāng)時國際上有兩種反應(yīng)堆壓力容器加工工藝,一種是法馬通FANP夏龍(CHALON)工廠所采用的臥式加工工藝,另一種是日本三菱重工神戶二見工廠所采用的立式加工工藝。

        針對壓水堆壓力容器和快堆反應(yīng)堆壓力容器的結(jié)構(gòu)特點及制造要求,考慮核電“制造零風(fēng)險”的特殊要求,在上海電氣臨港重裝備制造基地核島廠房的工藝設(shè)計中,配置了兩種加工工藝及設(shè)備,即數(shù)控落地銑鏜床臥式多步加工工藝和數(shù)控立式車銑復(fù)合加工中心的立式一次性整體加工工藝。其中,數(shù)控立式車銑復(fù)合加工中心(見圖1),由于其設(shè)備是全球第一臺針對AP1000反應(yīng)堆壓力容器的立式一次性整體加工工藝要求而專門設(shè)計開發(fā)的大型先進加工設(shè)備,尚存在技術(shù)、質(zhì)量、進度等風(fēng)險。

        圖1 數(shù)控立式車銑復(fù)合加工中心圖示

        其主要技術(shù)參數(shù)為:

        1)最大從工作臺中心回轉(zhuǎn)直徑(立柱不移動時)11~12 m;

        2)最大回轉(zhuǎn)直徑(立柱外移至最遠端)20 m;

        3)滑枕在工作臺面上最大工件加工高度12.5 m;

        3)工作臺的最大承重600 t;

        4)工作臺直徑10 m。

        3.2 封頭異形孔的數(shù)控鏜銑加工

        由于核島重型裝備中,蒸發(fā)器下封頭上的帶角度管接頭孔及核泵連接口、穩(wěn)壓器上電加熱器套管孔以及反應(yīng)堆壓力容器頂蓋組件上的CRDM(控制棒驅(qū)動機構(gòu))管孔眾多,尤其是AP1000機組的反應(yīng)堆壓力容器頂蓋組件上,更增加了溫度傳感器及中子測量管孔(老機組都布置在底封頭),因此,封頭上異形孔的加工量大增。以往都采用數(shù)控落地鏜銑床配可傾回轉(zhuǎn)工作臺及工裝輔助的加工工藝。工藝設(shè)計采用數(shù)控龍門移動式鏜銑床(見圖2)一次性立式加工,采用角銑頭等附件可精確達到加工要求,加工效率高、質(zhì)量好。

        圖2 數(shù)控龍門移動式鏜銑床示意圖

        主要技術(shù)參數(shù)如下:

        1)工作平臺寬7 m;

        2)工作平臺長20 m;

        3)工作臺面到主軸端面距離8.5 m;

        4)機床總長度,約33 m;

        5)機床總寬度,約16 m;

        6)地面上機床總高度,約16.25 m。

        3.3 筒體的數(shù)控鏜銑加工

        為滿足超重超長型的加氫反應(yīng)器的加工,新增2臺數(shù)控落地鏜銑采用并排布置(分別為φ260 mm數(shù)控落地鏜銑床和φ300 mm數(shù)控落地鏜銑床),同時在固定工作臺四周鋪設(shè)落地槽鐵。加工時,工件可以橫向、豎向以及斜向擺設(shè),可以滿足不同加工部位的需要,橫向擺放時,兩臺數(shù)控落地鏜銑床可以同時對其進行加工。

        φ260 mm數(shù)控落地鏜銑床主要技術(shù)參數(shù):(1)主軸直徑260 mm;(2)銑軸外徑400 mm;(3)X軸工作行程——立柱14.5 m;(4)Y軸工作行程——主軸箱6 m;(5)Z軸行程——滑枕2 m。

        φ300mm數(shù)控落地鏜銑床技術(shù)參數(shù):(1)主軸直徑300 mm;(2)銑軸外徑400 mm;(3)X軸工作行程——立柱24.5 m;(4)Y軸工作行程——主軸箱9 m;(5)Z軸行程——滑枕2 m。

        3.4 管板的數(shù)控深孔三軸加工

        管板深孔加工使用數(shù)控深孔鉆床進行加工??紤]了AP1000機組管板加工的特殊要求,采用了以下參數(shù)。

        1)加工方式:槍鉆/BTA。

        2)鉆孔直徑12~32 mm/15~65 mm。

        3)最大有效鉆孔深度1.2 m。

        4)主軸1工作范圍6 m×4.5 m。

        4 成型

        根據(jù)第三代核電60年使用壽命的要求,核島重型容器均采用鍛件,一般僅規(guī)劃預(yù)留了大型卷板機及加熱爐的位置。但考慮高溫氣冷堆反應(yīng)堆壓力容器的制造,兼顧二代改進型蒸發(fā)器上筒體冷卷、吊籃不銹鋼筒體、高溫氣冷堆筒體溫卷及大型石化容器筒體熱卷的要求,二代改進型核電機組的蒸發(fā)器上筒體為板焊結(jié)構(gòu),并要求采用不改變板材機械性能的卷制工藝。為兼顧考慮板焊式加氫反應(yīng)器等石化容器的生產(chǎn),以及堆內(nèi)構(gòu)件吊籃筒體的制作,專門選用了高效、節(jié)能、精密的冷卷、溫卷三輥卷制工藝。新增了液壓水平下調(diào)式三輥卷板機,主要技術(shù)參數(shù)如下:

        1)設(shè)備額定壓下能力45 000 kN;

        2)冷卷最大厚度160 mm;

        3)熱卷最大厚度280 mm;

        4)冷卷最大預(yù)彎板厚160 mm;

        5)熱卷最大預(yù)彎板厚280 mm;

        6)卷制材料屈服極限≥400 MPa。

        5 熱處理

        核島重型容器工件熱處理在熱處理爐內(nèi)進行。重型跨一端連接有30 m長的大型熱處理爐,臺車承載1 400 t。在重型跨和中型跨之間設(shè)熱處理爐1臺,臺車承載700 t。在中型跨和輕型跨之間設(shè)熱處理爐1臺,臺車承載150 t。為與大型卷板機的熱卷配套,在輕型跨的西端設(shè)置了加熱爐1臺,臺車承載300 t。熱處理爐均采用全纖維大板塊爐墻,高速調(diào)溫?zé)欤瑺t壓及風(fēng)氣比全自動控制、微機控溫等一系列先進技術(shù),使?fàn)t體質(zhì)量減輕,節(jié)能效果顯著。燃料采用天然氣。各熱處理爐的參數(shù)根據(jù)產(chǎn)品綱領(lǐng)作了優(yōu)化配置,主要有:

        1)30 m×8 m×8.5 m 臺車式熱處理爐,技術(shù)參數(shù):(1)爐膛壁尺寸(長×寬×高)30 m×8 m×8.5 m;(2)臺車承重1 200 t(含工件質(zhì)量);(3)工件最大尺寸φ7 m/φ6.3 m×29 m;(4)全爐最高使用溫度950℃。

        2)15 m×12 m×10.5 m燃氣臺車式熱處理爐,技術(shù)參數(shù):(1)爐膛壁尺寸(長×寬×高)15 m×12 m×10.5 m;(2)臺車承重700 t(含工件質(zhì)量);(3)工件最大尺寸14 m×11 m×9.5 m;(4)全爐最高使用溫度950℃。3)17 m×5 m×9 m 燃氣臺車式加熱爐,技術(shù)參數(shù):(1)爐膛內(nèi)壁尺寸(長×寬×高)17 m×5.5 m×9 m;(2)臺車承重300 t(含墊鐵);(3)工件最大尺寸(長×寬×高)16 m×4 m×8 m;(4)全爐最高使用溫度1 200℃±20℃;(5)控溫方式包括上位工控機集散控制、進口智能儀表控制、手動控制3種方式;(6)能耗指標(biāo)為滿載熱效率≥32%(優(yōu)于國家特等爐標(biāo)準(zhǔn));(7)供電電源為AC 380 V(±10%),50 Hz。

        6 裝配

        蒸發(fā)器內(nèi)件安裝要求在清潔區(qū)進行。U形管系的穿管、機械脹管、管子管板封口焊、液壓脹管、管束清洗等均需在清潔室內(nèi)進行。穿管后,管系加工工藝設(shè)計采用了機械脹管機定位,全位置自動TIG管子管板焊機用于管子管板全位置氬弧焊接,液壓脹管機脹管,機械手清洗管束等一系列的成熟、先進工藝。上海臨港基地的設(shè)計專門針對裝配用的大型清潔室進行了較以往核島裝備基地的優(yōu)化。

        核島蒸發(fā)器的管系制造是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵,要求在空調(diào)溫度的清潔室內(nèi)完成管系的一系列制作。據(jù)多次考察,國外大型清潔室主要有3種形式,分別為法馬通大型清潔室、西班牙ENSA大型清潔室和韓國斗山大型清潔室。

        工藝設(shè)計考慮到蒸發(fā)器大型化的發(fā)展趨勢、廠房造價、管系制造時間、廠房起重能力利用、能源消耗,以及海邊鹽分及濕度均較大、工件易銹等因素,優(yōu)化設(shè)計了新的大型清潔室,如圖3所示。

        圖3 優(yōu)化設(shè)計后的大型清潔室

        7 特大、超重件的起吊及運輸

        考慮生產(chǎn)產(chǎn)品的整體及部件質(zhì)量,合理確定了廠房各跨的起重能力及軌高,廠房物流及生產(chǎn)工藝布局,建立了大件起吊運輸便捷、物流簡潔高效的生產(chǎn)系統(tǒng)。廠房剖面圖如圖4所示。

        圖4 廠房剖面圖

        超重型跨采用上層700 t及(350 t+350 t)或850 t及(425 t+425 t)的起重能力,以滿足機組大型化(CAP1400蒸發(fā)器的質(zhì)量超過750 t)的要求,下層300 t的起重能力;重型跨采用上層500 t,下層150 t的起重能力,既滿足了核島產(chǎn)品、石化容器等超大、超重產(chǎn)品及部件的起吊要求,又提高了工作效率,還降低了工程造價。

        8 立式裝配及水壓試驗

        為了提高核電站運行經(jīng)濟效益,國內(nèi)外第三代、第四代核電機組的設(shè)計均朝著大型化、重型化、一體化方向發(fā)展。核島設(shè)備的尺寸越來越大,質(zhì)量越來越重,加工要求也越來越高。核電設(shè)備制造朝著立式機加、立式裝配、立式水壓等立式加工工藝方向發(fā)展,尤其是AP1000、CAP1400、高溫氣冷堆機組的自主化制造方案基本傾向采用立式加工及地坑內(nèi)立式水壓試驗方案。

        國外核電裝備基地大多設(shè)有地坑。如日本三菱12.5 m×12.5 m×6 m、西班牙ENSAφ12 m×8 m、韓國斗山φ10 m×15 m等。僅法國阿?,m的FANP夏龍采用地面試驗的方式。

        上海臨港核島廠房700t超重型跨內(nèi)設(shè)立φ13 m×10 m的地坑,如圖5所示。地坑設(shè)有承重蓋板及承重支撐,以便在地坑長期不用于裝配或試驗狀態(tài)可轉(zhuǎn)化為蒸發(fā)器生產(chǎn)場地,地坑蓋板承重要求按該區(qū)域布置最大可能單支座承載425 t重產(chǎn)品制造工位考慮。

        圖5 上海臨港核島廠房立式裝配及水壓試驗地坑示意圖

        地坑使用工況:

        1)作為工作場地。蓋板蓋上并支撐,蓋板形成平整工作表面,做生產(chǎn)場地使用。

        2)高溫氣冷堆反應(yīng)堆壓力容器立式裝配及水壓試驗。蓋板打開,布置好產(chǎn)品支撐后,吊裝高溫氣冷堆反應(yīng)堆壓力容器本體放入地坑,支撐好后吊裝內(nèi)件或頂蓋,進行內(nèi)件裝焊或水壓試驗。

        3)AP1000-RPV立式水壓試驗。蓋板打開,布置好產(chǎn)品支撐后,吊裝AP1000-RPV本體放入地坑,支撐好后吊裝頂蓋,進行水壓試驗。

        4)大型石化容器、氣化爐的立式裝配。

        9 結(jié)語

        本文通過對五大核電重型裝備制造基地設(shè)計優(yōu)化過程進行總結(jié),闡述了大型先進核承壓裝備制造基地設(shè)計要點及技術(shù)進展,主要包括核電產(chǎn)品的產(chǎn)能規(guī)劃及大件機加工、成型、熱處理、裝配、特大及超重件的起吊及運輸、立式裝配及水壓試驗等關(guān)鍵工藝。通過國內(nèi)外先進制造工藝和設(shè)備選型的對比,進行設(shè)計優(yōu)化改進,并取得了很好的工程建設(shè)成果,為我國大型先進核電裝備制造技術(shù)取得重大突破、躍升到國際先進水平作出了積極貢獻,對后續(xù)大型先進核承壓裝備制造基地的建設(shè)與設(shè)計有重要參考價值。

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