核島球形罐頂冷成型工藝

摘要:本文描述儲(chǔ)罐罐頂瓜瓣壓制模具的設(shè)計(jì)原則和制作，拉冷壓成型的儲(chǔ)罐罐頂瓜瓣及中心頂圓板分曲率能夠得到有效控制的方法。

關(guān)鍵詞:模具制作;分段分次壓制;冷成型;曲率控制

1 概述

EM7工作包是嶺澳二期工程大容量?jī)?chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制和安裝，其中儲(chǔ)罐罐頂瓜瓣及中心頂圓板的冷壓成型工作主要包括換料水箱PTR(兩臺(tái))、除氣水箱TEP(三臺(tái))及輔助給水箱ASG(兩臺(tái))，其中PTR為不銹鋼罐，質(zhì)保等級(jí)為Q1級(jí)，TEP為不銹鋼罐，質(zhì)保等級(jí)為Q3級(jí)，ASG為碳鋼罐，質(zhì)保等級(jí)為Q2級(jí)。核島設(shè)備的監(jiān)造過(guò)程和驗(yàn)收都極其嚴(yán)格，有別于非核級(jí)的設(shè)備，本文描述儲(chǔ)罐罐頂瓜瓣壓制模具的設(shè)計(jì)原則和制作，拉冷壓成型的儲(chǔ)罐罐頂瓜瓣及中心頂圓板的曲率能夠得到有效控制的方法。

2 儲(chǔ)罐瓜瓣壓制可行性方案探討

采用四柱液壓機(jī)和長(zhǎng)方形凸凹模具進(jìn)行瓜瓣冷壓成型方法，實(shí)際上是一種早已為人們采用的傳統(tǒng)方法，它不僅可用來(lái)壓制直徑小于10米的小型薄壁球型瓜瓣，同時(shí)也可用于尺寸精度要求很高的大尺寸厚壁球型瓜瓣，例如AP1000核電站中直徑約40m，板厚約48mm，高約56m的安全殼頂部的球型瓜瓣，就是采用這種長(zhǎng)方形凸凹模具分段分次冷壓成型的。由于安全殼球型瓜瓣板的厚度大，所以壓制成型后，設(shè)計(jì)不僅對(duì)寬度方向的曲率允差有很?chē)?yán)格的要求，同時(shí)對(duì)長(zhǎng)度方向的曲率允差也有同樣嚴(yán)格的要求。我們知道，標(biāo)準(zhǔn)要求越高，壓制難度越大，為什么壓制安全殼瓜瓣要求長(zhǎng)寬方向的曲率全都必須要達(dá)到設(shè)計(jì)要求?這與這種大尺寸大厚度的安全殼球型瓜瓣具有很大的剛性有關(guān)。剛性太大，曲率如果達(dá)不到設(shè)計(jì)允差要求，安裝對(duì)口時(shí)，僅靠楔具楔是很難將大的錯(cuò)口調(diào)整過(guò)來(lái)的，所以壓制成型的安全殼瓜瓣的曲率必須全都符合允差要求。否則將給安裝對(duì)口工作帶來(lái)極大的麻煩。

嶺澳一期EM7工作包中的ASG、TEP儲(chǔ)罐罐頂瓜瓣采用的就是分段分次長(zhǎng)方形凸(凹)模冷壓成型技術(shù)，由于EM7工作包中的上述常壓儲(chǔ)罐罐頂瓜瓣最大寬度尺寸僅有1538mm，而最大長(zhǎng)度尺寸也只有5870mm，板的長(zhǎng)寬尺寸與安全殼瓜瓣比，要小得多，其最大厚度也只有8mm，更是不能與安全殼瓜瓣比。瓜瓣板的尺寸小，厚度小，剛度也相應(yīng)小多了。綜上可知，壓制儲(chǔ)罐罐頂瓜瓣要比壓制安全殼瓜瓣的難度小多了。一般來(lái)講，只要板寬方向的曲率符合設(shè)計(jì)要求就可以了，對(duì)于板長(zhǎng)方向的曲率雖然也要求達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但實(shí)際情況是，由于儲(chǔ)罐罐頂瓜瓣剛性差，這就好比卷制厚度12mm以下的儲(chǔ)罐壁板一樣，整塊板的曲率其實(shí)都沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，事實(shí)上也不可能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，全靠安裝時(shí)將其圍靠，如果稍有偏差也不會(huì)影響安裝對(duì)口。但在安裝時(shí)必須采用焊接弧形加強(qiáng)板的方法來(lái)保證長(zhǎng)度方向的曲率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。(弧形加強(qiáng)板的曲率與罐頂瓜瓣的曲率是一樣的)

3 儲(chǔ)罐罐頂瓜瓣壓制模具的設(shè)計(jì)原則和制作方法

3.1 凸凹模設(shè)計(jì)

3.1.1 凸凹模設(shè)計(jì)原則

凸凹模設(shè)計(jì)以PTR儲(chǔ)罐對(duì)接拱頂球型瓜瓣為例，圖1所示為該罐球型對(duì)接拱頂水平投影直徑11895mm(弦長(zhǎng))x 6mm( 板厚) ，設(shè)計(jì)曲率半徑10980mm，分為27等分的施工圖。

冷壓成型模具設(shè)計(jì)原則主要有三點(diǎn):

(1) 凸凹模曲率半徑設(shè)計(jì)

分段分次壓制成型用的凸凹模具形狀均為長(zhǎng)方形，采用冷壓成型方法，基于冷壓的回彈較大，所以凸凹模的半徑皆應(yīng)縮小，至于縮小多少主要憑經(jīng)驗(yàn)，本例凸凹模的半徑皆為拱頂設(shè)計(jì)曲率半徑的五分之三，這樣凸模壓到設(shè)計(jì)

半徑后還有充足的懸空量，憑借壓力大小來(lái)達(dá)到成型后的曲率，圖2(a)為用設(shè)計(jì)半徑和縮小后半徑劃線后取得的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，圖2(b)為實(shí)際壓制時(shí)模具的結(jié)合情況。

(2) 壓力機(jī)的選擇

在懸空的模具上壓制，只能憑借壓力大小來(lái)控制所要達(dá)到的設(shè)計(jì)曲率，這點(diǎn)在理論上是找不到的，只能憑經(jīng)驗(yàn)取得，這是因?yàn)?

——材質(zhì)的因素:材質(zhì)不同，回彈量也不同，如Q235B的回彈量就小于16MnR鋼的回彈量。

板厚因素:板厚不同，回彈量也不同，不同厚度的板壓到同一曲率，薄板回彈量大，厚板回彈量小。

壓下速度的因素:壓下速度快的回彈量大，慢的就小。

板面積的因素:例如壓制球型瓜瓣，小面積的回彈量小，大面積的回彈量大，這是因?yàn)樵趬褐品秶闹埽艿轿幢粔褐撇糠值臓窟B的原因造成的，牽連小的回彈量小，牽連大的回彈量大。

鑒于以上原因分析，選擇壓力機(jī)的噸位，應(yīng)遵循寧大勿小的原則，換言之，不怕大就怕小，在本工程階段選擇的壓力機(jī)為YB32-500四柱式萬(wàn)能液壓機(jī)(最大工作壓力:500t，液壓缸壓力:250kgf/cm2，工作預(yù)緊壓力:100t，工作臺(tái)有效面積:左右2000mm、前后1420mm，立柱中心距:左右2200mm、前后1100mm，工作臺(tái)離地面高度:500mm，外形尺寸(mm): 4500×3600×5280，自重:42噸);在壓制前兩、三塊板時(shí)，速度不宜過(guò)快，因?yàn)檫@時(shí)是探索經(jīng)驗(yàn)的階段，是檢驗(yàn)?zāi)＞呤欠窈线m的階段，同時(shí)也是檢驗(yàn)壓力機(jī)的出力是否符合要求的階段。

(3) 凸凹模長(zhǎng)寬尺寸選擇

采用長(zhǎng)方形凸凹模壓制儲(chǔ)罐瓜瓣，模具的長(zhǎng)度尺寸是依據(jù)瓜瓣大端尺寸來(lái)確定，模具的長(zhǎng)度尺寸實(shí)際比瓜瓣大端尺寸要大出約50~100mm，而模具的寬度尺寸的確定則以壓力機(jī)噸位的大小有著直接的關(guān)系，模具寬度尺寸設(shè)計(jì)越大，要求壓力機(jī)的噸位也必須大，否則很難壓到設(shè)計(jì)要求的曲率。本例模具寬度尺寸確定為460mm/500mm就是基于現(xiàn)有壓力機(jī)噸位偏小來(lái)設(shè)計(jì)的。凸模選擇460mm或500mm寬是否可行，有待實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)。凹模的長(zhǎng)寬尺寸在凸模長(zhǎng)寬尺寸基礎(chǔ)上各加20mm即可。

3.2.2 凸凹模的制作

凸凹模系由厚20mm，高低錯(cuò)落疊加在一起的25或27塊鋼板焊接成型，為保證凸凹模受力端呈球形的曲率能滿(mǎn)足壓制要求，我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并參考相關(guān)資料，確定取拱頂設(shè)計(jì)曲率半徑的五分之三作為制作凸模球型曲率的半徑(注:凹模也采用同一曲率)。凸凹模制作詳見(jiàn)圖3。

4 工作條件

4.1 板材檢查

瓣片及頂圓板冷成型后不應(yīng)有明顯的凹凸，用樣板測(cè)量，間隙不應(yīng)大于10mm(弧形樣板弦長(zhǎng)不應(yīng)小于1.5mm)。

對(duì)于瓣片及頂圓板為不銹鋼時(shí)，在成型工作中工作臺(tái)要加襯面，對(duì)碳鋼和不銹鋼進(jìn)行隔離保護(hù)，所有接觸工具應(yīng)襯有不銹鋼或鍍鉻。

罐頂板成型時(shí)，表面劃傷及缺陷深度不得超過(guò)0.5mm。

成型后的瓣片及頂圓板表面不得有微裂紋。

4.2 主要人員工機(jī)具配制要求

技術(shù)員有多年的罐預(yù)制經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)培訓(xùn)，且考核合格并能勝任該項(xiàng)工作。

油壓機(jī)操作工能熟練的操作YB32-500四柱式萬(wàn)能液壓機(jī)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的培訓(xùn)，且考核合格并能勝任該項(xiàng)工作。

起重工起重工經(jīng)相應(yīng)培訓(xùn)，且考核合格并能勝任該項(xiàng)工作。

質(zhì)檢員有多年的質(zhì)檢經(jīng)驗(yàn)，且經(jīng)過(guò)相應(yīng)的培訓(xùn)，且考核合格并能勝任該項(xiàng)工作。

力工經(jīng)過(guò)相應(yīng)的培訓(xùn)，且考核合格并能勝任該項(xiàng)工作。

配備YB32-500四柱式萬(wàn)能液壓機(jī);樣板(曲率應(yīng)符合設(shè)計(jì)圖紙要求)另外需要備用一些消耗材料，如牛皮紙等

5 操作步驟

6 詳細(xì)說(shuō)明

6.1 瓜瓣分段分次冷壓成型

將凹凸模具固定到四柱液壓機(jī)上(凸凹模制作見(jiàn)第三節(jié)儲(chǔ)罐罐頂瓜瓣壓制模具的設(shè)計(jì)原則和制作方法);

將下好的瓜瓣料板大頭一端送進(jìn)四柱壓力機(jī)凹模上;

在吊車(chē)配合下，由一端開(kāi)始，逐段送入，逐段壓制，壓制時(shí)不能一次壓到設(shè)計(jì)弧度，避免瓜瓣局部產(chǎn)生過(guò)大的變形和皺痕，每壓一段要移動(dòng)一次板料，距離大小要與前次重合三分之一左右(見(jiàn)圖4)，一般應(yīng)分兩到三次壓制成型，壓制過(guò)程注意隨時(shí)卡樣板檢查，通過(guò)調(diào)整壓力來(lái)達(dá)到所需要的曲率(第一次試壓采用凸模寬度為460mm，凹模寬度為480mm的模具來(lái)壓制，如果第一次試壓成功，且壓力機(jī)出力能夠滿(mǎn)足要求的情況下，可將凸模的寬度加大到500mm，同時(shí)將凹模的寬度加大到540mm，以利提高壓制效率;如果第二次試壓由于壓力機(jī)出力不能滿(mǎn)足要求，應(yīng)將凸凹模具縮小到第一次試壓時(shí)的寬度);

瓜瓣成型后應(yīng)對(duì)其凈料線(注:可視其為瓜瓣水平投影輪廓線)進(jìn)行檢查，若有必要應(yīng)對(duì)線型進(jìn)行糾偏，當(dāng)確認(rèn)糾偏后的瓜瓣凈料線與地樣上的瓜瓣水平投影輪廓線完全重合時(shí)，方可進(jìn)行下一步的工作。

以糾偏后的瓜瓣凈料線為基準(zhǔn)，利用氧、乙炔或等離子切割機(jī)切除周邊多余部分(瓜瓣壓制前四周均留有修切余量)最后再按圖紙要求開(kāi)出坡口。

特別提醒:

壓制瓜瓣是一項(xiàng)較復(fù)雜的壓制工藝，不像人們想象的那么簡(jiǎn)單，壓此彼放，要想達(dá)到完全吻合樣板需要付出相當(dāng)?shù)臅r(shí)間和精力，這一過(guò)程即稱(chēng)之為矯正過(guò)程，矯正時(shí)應(yīng)先矯寬度方向，后矯長(zhǎng)度方向，因?yàn)榛∏芬然∵^(guò)好矯正得多，所以在開(kāi)始?jí)褐茣r(shí)不要急于求成，應(yīng)遵循寧欠勿過(guò)的原則逐步進(jìn)行。

6.2 尺寸、外觀及清潔度檢查

尺寸檢查:采用弦長(zhǎng)1.5米的樣板測(cè)量，其間隙不得大于6mm。

外觀寸檢查:瓜瓣片的邊緣不能有起褶皺現(xiàn)象;冷壓出來(lái)的瓜瓣片不應(yīng)有局部的凸凹不平;瓜瓣片的縱向和橫向要有很好的連續(xù)性。清潔度檢查見(jiàn)RCC-M 2000版F6300。

7 補(bǔ)充措施

用于奧氏體不銹鋼成型的工具經(jīng)清潔和除油以預(yù)防受到污染，并且不含鐵素體;

奧氏體不銹鋼工件應(yīng)盡可能避免與碳鋼接觸，凸凹模上各焊上一塊不銹鋼薄板，防止壓制時(shí)加工件與碳鋼模具接觸;設(shè)備應(yīng)由專(zhuān)人操作。

8 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)掌握該工藝的生產(chǎn)廠家不多，具備核島球形罐頂冷壓成型加工經(jīng)驗(yàn)的單位更少，該技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。

球形罐頂冷成型技術(shù)的攻克，為公司帶來(lái)了極大的經(jīng)濟(jì)效益，如果13臺(tái)罐的球形罐頂全部外委加工，嶺澳一期外委合同價(jià)為117萬(wàn)元，而我們自己壓制的費(fèi)用僅15萬(wàn)元左右，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。掌握了該技術(shù)后， 大大提升了公司儲(chǔ)罐的制造能力，將為公司帶來(lái)長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]《壓水堆核島機(jī)械設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》RCC-M2000版.

[2]《板料冷壓成形的工程解析》2004 年7月.胡世光;陳鶴崢編.北京航空航天大學(xué)出版社

[3]《工程材料及成型工藝》2007.3.馬壯，趙越超，馬修泉主編.東北大學(xué)出版社

[4]核島相關(guān)安裝程序

TM-K8031《EM1至EM7和EM10安裝階段的貯存與保護(hù) 》

TM-K8012《對(duì)奧氏體不銹鋼要禁用的污染物品 》

GH-K1501 《EM7現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制罐板材冷成型》

PTR、ASG、 TEP罐施工圖紙