核電蒸發(fā)器的工藝特點(diǎn)和生產(chǎn)組織

李紹海 ，魏 明 ，盛 偉

(1.中國聯(lián)合工程公司，浙江杭州310022；2.上海電氣核電設(shè)備有限公司，上海201306)

我國已把積極發(fā)展核電作為能源戰(zhàn)略的重要組成部分，并納入了國家中長期發(fā)展規(guī)劃。目前國內(nèi)已有5大核電重型容器制造基地，可以承擔(dān)蒸發(fā)器、壓力殼、穩(wěn)壓器三大件重型產(chǎn)品的制造。但是作為一個(gè)投資巨大的核電重型容器制造基地，在基本建設(shè)完成后，將面臨著如何針對(duì)市場(chǎng)訂單情況，確定工藝布局和組織生產(chǎn)的問題。本文以制造工藝最復(fù)雜的蒸發(fā)器為例，對(duì)此問題進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 核電蒸發(fā)器生產(chǎn)工藝特點(diǎn)

1.1 產(chǎn)品特點(diǎn)

蒸發(fā)器是核島一回路系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)堆芯冷卻劑和蒸汽的換熱，并將高壓蒸汽輸出的功用。其制造工藝復(fù)雜，質(zhì)量控制和過程控制嚴(yán)格，屬于核安全一級(jí)和核質(zhì)保一級(jí)設(shè)備。在一定程度上，代表了核島承壓設(shè)備制造能力的最高水平。

壓水堆核電機(jī)組包括CPR1000、AP1000、EPR三種堆型。其中，第三代AP1000蒸發(fā)器最大。單臺(tái)蒸發(fā)器主要規(guī)格最大直徑Ф5 334 mm，總長22 460 mm，總重664 t。1套機(jī)組含2臺(tái)蒸發(fā)器。

在部件組成上，蒸發(fā)器由上部筒體組件、汽水分離組件、下部筒體組件、管束組件、管板、水室封頭等組件構(gòu)成。

1.2 主要工藝環(huán)節(jié)及生產(chǎn)裝備

核電蒸發(fā)器的制造涉及的主要工藝環(huán)節(jié)，包括焊接、加工、熱處理、檢驗(yàn)、水壓試驗(yàn)等工序，另包括部分專用工序。概括如下：

(1)主焊縫焊接。主要采用窄間隙埋弧自動(dòng)焊機(jī)，配合滾輪架進(jìn)行焊接；

(2)表面堆焊。主要采用自動(dòng)帶極堆焊機(jī)，配合滾輪機(jī)或變位機(jī)進(jìn)行內(nèi)壁堆焊；

(3)接管堆焊或接管預(yù)堆邊。采用手工或自動(dòng)熱絲TIG焊機(jī)焊接；

(4)安全端焊接。采用手工或自動(dòng)熱絲TIG焊機(jī)焊接；

(5)管子管板封口焊。采用管子管板焊機(jī)焊接；

(6)筒體或封頭部件加工。采用立車加工坡口或外形；

(7)接管孔加工。主要采用數(shù)控鏜銑床；

(8)管板鉆孔。主要采用數(shù)控三軸深孔鉆；

(9)射線探傷。4～9 MeV直線加速器；

(10)熱處理。臺(tái)車式熱處理爐及大型局部熱處理裝置；

(11)清理。用大型噴丸室清潔工件表面；

(12)清潔。在大型清潔室內(nèi)完成管系部分的制造。

1.3 生產(chǎn)工藝特點(diǎn)

歸納起來，蒸發(fā)器的制造有如下幾個(gè)突出的工藝特點(diǎn)，也是蒸發(fā)器制造與一般重型容器制造的主要區(qū)別之處：

(1)產(chǎn)品制造周期長，產(chǎn)品規(guī)格相近。蒸發(fā)器的制造周期很長，通常在28～40個(gè)月，而一般重型容器的制造周期為6～12個(gè)月。長周期，一方面是由于產(chǎn)品自身的工藝環(huán)節(jié)多，另一方面在于蒸發(fā)器的制造環(huán)節(jié)和質(zhì)量控制環(huán)節(jié)要求都很高。

不同核電機(jī)組蒸發(fā)器的規(guī)格和生產(chǎn)工藝基本相同。例如蒸發(fā)器的總長度一般在22～23 m。其他各個(gè)組件的外形和重量也基本相似。因此通常將規(guī)格相近、工序相同的工件，設(shè)置在一個(gè)功能分區(qū)內(nèi)進(jìn)行制造。

上述兩個(gè)特點(diǎn)，決定了蒸發(fā)器生產(chǎn)的專業(yè)性。即對(duì)于重型容器而言，在一臺(tái)產(chǎn)品制造完成后，可立即編制另一臺(tái)不同規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)計(jì)劃。而對(duì)于蒸發(fā)器的制造，往往在交貨期的前三年就需要根據(jù)綱領(lǐng)或訂單情況制定相應(yīng)的生產(chǎn)計(jì)劃，并且落實(shí)產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝布局。

(2)工藝布局緊湊，工件布置明確。生產(chǎn)核電重型容器的廠房起重能力大，重型車間的起重機(jī)能力在700 t左右。車間地坪荷載高，較大的地坪承載可達(dá)120 t/m2。可見蒸發(fā)器生產(chǎn)廠房的單位面積造價(jià)很高。因此，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)，都必須提高車間的場(chǎng)地利用率，尤其是重型車間。與此相應(yīng)，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)的工藝布局，也必須緊湊。而緊湊的工藝布局，意味著生產(chǎn)工位的調(diào)整靈活性小。

蒸發(fā)器原材料多為半精加工鍛件，從原材料投料開始到包裝發(fā)運(yùn)，一直以部件、組件以及成品的狀態(tài)，停留在生產(chǎn)車間，處于生產(chǎn)加工或準(zhǔn)備狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一座年產(chǎn)18臺(tái)的核電蒸發(fā)器的廠房，在生產(chǎn)高峰期，車間內(nèi)布置的生產(chǎn)工件有80多件。其中，小型組件凈質(zhì)量約50 t，大型組件凈質(zhì)量在500～664 t。而在廠房設(shè)計(jì)時(shí)，這些組件已經(jīng)按照對(duì)應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行布置。國內(nèi)某大型核電制造企業(yè)，其車間地坪荷載規(guī)格(t/m2)分別為 5，10，33，35，40，75，83.3，115，122.5。這些不同荷載區(qū)域，對(duì)應(yīng)著不同的生產(chǎn)功能。因此，這些工件受地坪荷載、起重能力、工藝流程、設(shè)備配置等因素的限制，不能隨意放置。

由上述蒸發(fā)器生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)，可見蒸發(fā)器的生產(chǎn)組織非常復(fù)雜。

2 生產(chǎn)組織和計(jì)劃建議

企業(yè)在生產(chǎn)時(shí)，會(huì)根據(jù)產(chǎn)品的制造工藝流程和組件的制造周期，制定一個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃，以便控制和組織生產(chǎn)。對(duì)于一般重型容器，由于總體制造周期和主要工藝環(huán)節(jié)的制造工期相對(duì)較短，因而可留出了較大的生產(chǎn)組織調(diào)整空間。而對(duì)于核電蒸發(fā)器，其總體制造周期和某些特定工藝環(huán)節(jié)的制造周期都很長，而且關(guān)鍵部件不允許外協(xié)分包。因此，如果沒有精細(xì)化的生產(chǎn)組織，則很難保證生產(chǎn)進(jìn)度要求。

這里可能出現(xiàn)兩種情況：第一種情況是設(shè)備工序出現(xiàn)問題：即產(chǎn)品的某些關(guān)鍵加工工序排在了一起，由于工序沖突，造成長時(shí)間等待。第二種情況是產(chǎn)品布局出現(xiàn)問題：即工件擺放混亂，某些凈質(zhì)量和尺寸較大的組件，在進(jìn)行下一道生產(chǎn)工序時(shí)卻找不到擺放位置。

對(duì)于蒸發(fā)器的的生產(chǎn)組織，本文總結(jié)并建議如下：

(1)確定至少一個(gè)制造周期內(nèi)的生產(chǎn)任務(wù)。根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)及訂單交貨情況，確定每年需要產(chǎn)出的產(chǎn)品數(shù)量。例如，在2013年需交貨4臺(tái)，在2014年需交貨6臺(tái)，在2015年需交貨3臺(tái)、在2016年需交貨6臺(tái)。那么最大生產(chǎn)負(fù)荷即為6臺(tái)，且在2011年就需要進(jìn)行投料生產(chǎn)(制造周期按3年)。

(2)確定控制生產(chǎn)節(jié)拍的關(guān)鍵工序及設(shè)備。在按照生產(chǎn)工藝流程組織生產(chǎn)時(shí)，還需落實(shí)各個(gè)生產(chǎn)工序的生產(chǎn)工時(shí)。不同的組件，在進(jìn)行焊接、堆焊、立車加工、深孔鉆加工、管系制造等工序時(shí)，所占用的時(shí)間不同。例如，完成一條環(huán)縫的焊接約需一個(gè)星期的時(shí)間(含輔助時(shí)間)，而完成一塊管板的鉆孔需4個(gè)月時(shí)間(指AP1 000機(jī)組蒸發(fā)器)。由于管板深孔鉆床投資很大，且屬于固定設(shè)備，無法進(jìn)行臨時(shí)調(diào)節(jié)，因此管板深孔鉆就成為控制生產(chǎn)節(jié)拍的關(guān)鍵工序。按照經(jīng)驗(yàn)，蒸發(fā)器制造控制節(jié)拍的關(guān)鍵工序和裝備，為管板深孔鉆工序和清潔室管系制造工序，分別為4個(gè)月和6個(gè)月(指AP1000機(jī)組蒸發(fā)器)。

(3)制定投料周期。制定投料周期是為了指導(dǎo)進(jìn)度計(jì)劃。假設(shè)生產(chǎn)廠房內(nèi)配置了2臺(tái)深孔鉆床和4座清潔室，按照對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)工時(shí)計(jì)算，可能達(dá)到的最大生產(chǎn)能力分別為年產(chǎn)6臺(tái)蒸發(fā)器(每臺(tái)深孔鉆床鉆孔3塊)和8臺(tái)蒸發(fā)器(每座清潔室可完成管系制造2臺(tái))。這樣就決定了產(chǎn)品投料周期應(yīng)為4個(gè)月，每批同時(shí)投料2臺(tái)，每年生產(chǎn)蒸發(fā)器6臺(tái)，并以此作為制定進(jìn)度計(jì)劃的依據(jù)。

(4)確定生產(chǎn)高峰。在進(jìn)行生產(chǎn)組織時(shí)，各個(gè)時(shí)段的生產(chǎn)負(fù)荷處于不斷變化的狀態(tài)，不可能做到實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。因此，必須以最大生產(chǎn)負(fù)荷為依據(jù)，制定生產(chǎn)計(jì)劃，這樣便可以滿足各個(gè)時(shí)段的生產(chǎn)要求。

由于蒸發(fā)器的制造周期長，在第一批產(chǎn)品還在車間生產(chǎn)時(shí)，后續(xù)各批產(chǎn)品也陸續(xù)開始生產(chǎn)，最終會(huì)形成一個(gè)最高峰的生產(chǎn)狀態(tài)。在生產(chǎn)高峰期內(nèi)，車間的產(chǎn)品工件數(shù)量最大，生產(chǎn)負(fù)荷最高。假定蒸發(fā)器的制造周期36個(gè)月，每4個(gè)月投料2臺(tái)，則在最高峰時(shí)段，車間內(nèi)共有9批18臺(tái)蒸發(fā)器產(chǎn)品，處于單件、組件或成品狀態(tài)。其中第一批2臺(tái)蒸發(fā)器，已經(jīng)處于包裝發(fā)運(yùn)狀態(tài)，最后一批2臺(tái)蒸發(fā)器，處于部件準(zhǔn)備狀態(tài)。

(5)規(guī)劃場(chǎng)地布局，指導(dǎo)生產(chǎn)。根據(jù)產(chǎn)品工藝流程和主要工序的生產(chǎn)工時(shí)，可以制定出單臺(tái)產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃；將單臺(tái)產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃與投料周期相結(jié)合，可確定出在高峰期整個(gè)車間內(nèi)產(chǎn)品工件的生產(chǎn)狀態(tài)。如有多少部件處于焊接狀態(tài)、多少組件處于鉆孔狀態(tài)、有多少組件處于清潔室內(nèi)等。這些組件在組合后仍然是18臺(tái)蒸發(fā)器。

3 結(jié)束語

在明確產(chǎn)品組件的生產(chǎn)狀態(tài)后，便可進(jìn)行場(chǎng)地工藝布局規(guī)劃和調(diào)整。前已述及，這些工件的布置受工藝流程、設(shè)備配置、起重能力、地坪荷載等條件的限制。通過規(guī)劃調(diào)整，繪出工藝布局圖，明確各個(gè)工件在車間內(nèi)的布置情況，以指導(dǎo)生產(chǎn)。

需說明的是，此工藝布局必須經(jīng)過充分論證。并且在生產(chǎn)時(shí)，盡量按照工藝布局規(guī)劃的內(nèi)容安排生產(chǎn)。否則在場(chǎng)地很緊湊的情況下，可能會(huì)導(dǎo)致因某些工序的工件位置被占用而無法進(jìn)行有序及有計(jì)劃生產(chǎn)。