張 斌 鄒國(guó)強(qiáng)

（1.西安核設(shè)備有限公司 西安 710021）

（2.中廣核工程有限公司 深圳 518114）

彎頭作為主要管件之一，具有改變管線(xiàn)方向和提高管路柔性的重要作用，但同時(shí)是設(shè)備和管線(xiàn)中的應(yīng)力集中部位，是薄弱部位應(yīng)引起高度重視。核電廠(chǎng)過(guò)剩下泄熱交換器隸屬于化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)RCV系統(tǒng)），其主要功能是當(dāng)RCV系統(tǒng)正常下泄管線(xiàn)不能運(yùn)行時(shí)，使用過(guò)剩下泄通道，用設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)RRI系統(tǒng)）的冷卻水將下泄流從反應(yīng)堆冷端溫度冷卻到約55 ℃，以便后續(xù)設(shè)備正常工作[1]。該換熱器屬于核安全2級(jí)設(shè)備，制造嚴(yán)格按照HAF003體系開(kāi)展各項(xiàng)工作。該設(shè)備為臥式、U形殼、U形管的雙U形結(jié)構(gòu)，通過(guò)4個(gè)支撐支座固定在支撐架上，其殼程由上、下殼體及尾部彎頭組成，U形管穿過(guò)上、下殼體及尾部彎頭與管板焊接，制造中尾部彎頭位置將預(yù)留，完成穿管后才能最終合攏，彎頭與筒體合攏焊接需要專(zhuān)用的彎頭焊接連接裝置進(jìn)行固定，保證總體錯(cuò)邊量不超標(biāo)[1]。因而該設(shè)備的尾部彎頭不能采用整體彎頭的設(shè)計(jì)，設(shè)備外形如圖1所示。

圖1 過(guò)剩下泄熱交換器模型

從設(shè)備結(jié)構(gòu)和其制造工藝路線(xiàn)不難看出，尾部彎頭既是連接上、下筒體的必要過(guò)渡，也是影響設(shè)備殼側(cè)介質(zhì)流動(dòng)的關(guān)鍵部件。尾部彎頭的形狀直接影響設(shè)備冷水的流場(chǎng)，對(duì)流動(dòng)阻力的貢獻(xiàn)較大，對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑能否在預(yù)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到技術(shù)指標(biāo)有重要的意義。尾部彎頭的制造質(zhì)量直接決定著設(shè)備核安全功能的實(shí)現(xiàn)，既是制造的關(guān)鍵工序之一，也是保證核安全設(shè)備質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)[2-3]。

1 原設(shè)計(jì)方案

為了盡量減小焊縫長(zhǎng)度，盡量避免形成交叉焊縫，原設(shè)計(jì)的思路為：首先焊接曲率較小的前部半殼體，隨后完成穿管，最后完成曲率較大的外部半殼體的焊接。其中后半部由2個(gè)90°的半殼形彎頭拼焊組成180°的半殼形彎頭；前半部由2個(gè)45°的半殼形彎頭加中間1個(gè)90°的半殼形彎頭拼焊而成。尾部彎頭的原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 尾部彎頭原設(shè)計(jì)方案

彎頭的成型方法一般有沖壓-對(duì)焊、熱推制、冷推制、煨制、擠壓和壓型等，成型方法多樣，各有特點(diǎn)。尾部彎頭的外形直接受制于U型管區(qū)最小彎曲半徑，過(guò)剩下泄熱交換器內(nèi)側(cè)的彎曲半徑基本等于殼側(cè)彎頭管徑，為了保證質(zhì)量，成型方式適合采用單片成型后進(jìn)行拼焊的方式完成尾部彎頭的制造[4]。沖壓-對(duì)焊成型多采用熱沖壓成型方法，其中最主要的工序?yàn)橄铝?、熱壓和?duì)焊接，焊接對(duì)成品彎頭的外觀(guān)質(zhì)量影響最大。

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，投入了大量人力和物力成本，均未能制造出符合圖紙要求的尾部彎頭組件，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)制造影響非常大。尾部彎頭成了設(shè)備無(wú)法按期交付的“攔路虎”，技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)反復(fù)討論分析失敗原因，主要有：

1）180°外彎頭半殼體是由2個(gè)90°半殼體拼焊而成，壓制單個(gè)彎頭過(guò)程中由于模具受力不平衡，經(jīng)常出現(xiàn)成品彎頭表面質(zhì)量差、尺寸回彈、報(bào)廢率較高等情況。經(jīng)優(yōu)化采用圖3方法成型后，壓制過(guò)程中受力平衡，外形尺寸基本符合圖樣要求；

圖3 尾部彎頭原設(shè)計(jì)成型改進(jìn)

2）45°半殼形內(nèi)彎頭需要由90°半殼形彎頭切割獲得，加工面為不連續(xù)曲面，不易采用常規(guī)方法加工，高精度加工有難度，容易超出圖紙尺寸公差要求；

3）組裝精度對(duì)整體成型后外形控制影響很大，按照焊接要求兩兩組對(duì)錯(cuò)邊量應(yīng)不大于2 mm，組裝完成后整體錯(cuò)邊量實(shí)際上已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)；

4）焊縫數(shù)量多達(dá)9條，組裝難度大，焊接操作空間小，施焊難度大，防變形措施有限，變形不好控制；

5）這種設(shè)計(jì)由于半殼體曲率不同，至少需要2套曲率半徑不同的模具才能完成組裝尾部彎頭所需的5片半殼彎頭的加工，投入模具費(fèi)用較高。

2 改進(jìn)方案

為了解決這項(xiàng)制造難題，經(jīng)過(guò)認(rèn)真調(diào)查和分析，團(tuán)隊(duì)提出了優(yōu)化尾部彎頭結(jié)構(gòu)的方案。將尾部彎頭重新設(shè)計(jì)為左、右2個(gè)180°半殼形彎頭的半剖結(jié)構(gòu)，即沿彎頭中心線(xiàn)把180°彎頭切割的方案，如圖4所示。所有U型管穿管完畢后組對(duì)焊接，恢復(fù)彎頭的功能，完美地解決了這一生產(chǎn)難題。

圖4 尾部彎頭原設(shè)計(jì)成型改進(jìn)

2.1 設(shè)計(jì)分析

優(yōu)化方案提交設(shè)計(jì)院后通過(guò)了專(zhuān)家評(píng)審，優(yōu)化后過(guò)剩下泄熱交換器尾部彎頭結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，成型方法比較成熟，受力均勻，焊接變形量小，外形更加符合原始設(shè)計(jì)意圖。

采用DYNAFORM對(duì)模型進(jìn)行反向分析，模擬板坯成型過(guò)程，確定最合理的下料尺寸，避免出現(xiàn)裂紋、起皺、過(guò)渡減薄、回彈量偏差過(guò)大等不利情形。首先在SolidWorks中建立優(yōu)化后彎頭的三維模型（裝配體），導(dǎo)入DYNAFORM中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分、板料材料定義（16 mm 304L不銹鋼）、DIE／PUNCH／BLINDER設(shè)置、計(jì)算和結(jié)果分析。尾部彎頭改進(jìn)后的成型建模見(jiàn)圖5。

圖5 尾部彎頭改進(jìn)后的成型建模

按照程序默認(rèn)參數(shù)提交計(jì)算后FLD圖顯示，在內(nèi)弧面上部局部邊緣存在拉裂傾向，見(jiàn)圖6。建模階段已經(jīng)考慮到板料邊緣受到壓邊力作用在成型過(guò)程中出現(xiàn)減薄等不利因素，模具設(shè)計(jì)時(shí)單邊留有20 mm裕量，成型完畢后采用機(jī)加工方式進(jìn)行切除，最小厚度14.08 mm仍滿(mǎn)足圖紙要求的最小厚度。模擬表明按照分析坯料尺寸，壓型過(guò)程中工作面不存在危險(xiǎn)點(diǎn)，說(shuō)明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在工藝設(shè)計(jì)上是可以實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)DYNAFORM反算出應(yīng)下板料的外形輪廓尺寸，按照優(yōu)化后方案排料，提高了材料的有效利用率。

圖6 尾部彎頭成型FLD分析

2.2 制造分析

優(yōu)化后最大的益處是制造簡(jiǎn)單、成型精度高、焊接變形小，主要體現(xiàn)在：

1）優(yōu)化了焊接結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后左右半殼焊縫的總長(zhǎng)度與原設(shè)計(jì)相當(dāng)，但焊縫數(shù)量由9條減少至2條，且呈對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。在換熱管穿管后尾部彎頭與上/下殼體同時(shí)組對(duì)，有效地減小了組對(duì)的偏差；優(yōu)化后的2條焊縫對(duì)稱(chēng)分布，焊接時(shí)應(yīng)力相互抵消，極大地減小了焊接引起的變形。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)焊接操作位置更加方便，一次合格率達(dá)100%；

2）提高了半殼體的成型精度。為了消除壓制180°半殼體時(shí)由于模具產(chǎn)生的側(cè)向推力，將2個(gè)彎頭拼成360°半殼體，見(jiàn)圖7所示方案，進(jìn)行壓制。成型后再切成2個(gè)180°半殼體，該方法壓制時(shí)模具及鋼板徑向受力平衡，大大提高了成型的表面質(zhì)量和尺寸精度，有效地降低了組對(duì)錯(cuò)邊量，保證了尾部彎頭的焊接質(zhì)量；

圖7 尾部彎頭原設(shè)計(jì)成型改進(jìn)

3）機(jī)加工難度降低，改進(jìn)結(jié)構(gòu)可以方便地采用回轉(zhuǎn)方式進(jìn)行切割分離，切割精度大大提高；

4）解決了制造瓶頸，保證了產(chǎn)品交付進(jìn)度。

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

1）優(yōu)化后的焊縫連續(xù)，方面連續(xù)施工，降低了焊接中投入的人工周轉(zhuǎn)成本；

2）改進(jìn)后只需要1套模具即可快速完成所有半殼體成型，節(jié)約至少50%的模具費(fèi)用，成型成本節(jié)約更加可觀(guān)；

3）模具制作更加簡(jiǎn)單，節(jié)約制造周期。一體化模具壓制即可完成所有半殼體成型，模具為回轉(zhuǎn)曲面，可以采用常規(guī)的機(jī)加方法（如車(chē)削）制作模具，大大降低了模具的制造費(fèi)用，進(jìn)一步節(jié)約了成本。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)尾部彎頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)：

1）尾部彎頭成型結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，減少了焊縫數(shù)量，且易于組對(duì)，焊接變形更加易于控制，提高了組焊質(zhì)量，按照新方案一次成功，符合要求，在6個(gè)機(jī)組得到了應(yīng)用，效果優(yōu)良。

2）不但減少了成型的模具數(shù)量，且模具也容易加工，有利于彎頭的成型并能更有效地保證成型后的尺寸，也保證了后續(xù)尾部彎頭的組焊質(zhì)量。由于焊縫數(shù)量變少，大大降低了制造以及后期再役檢查成本，對(duì)同類(lèi)設(shè)備的彎頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。