核電站控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動桿加工工藝分析與比較

1 AP1000簡介

AP1000與CPR1000機(jī)型不同，是一種非能動型核電技術(shù)，是在成熟的壓水堆核電技術(shù)的基礎(chǔ)上采用非能動設(shè)計(jì)理念。非能動設(shè)計(jì)利用物理現(xiàn)象：重力、自然循環(huán)(蒸發(fā)、冷凝和密度差）以及氣體蓄能驅(qū)動流體流動，帶走堆芯和安全殼的熱量，不需要外部能源。

非能動設(shè)計(jì)理念已有實(shí)際應(yīng)用，技術(shù)是成熟的。非能動設(shè)計(jì)理念的引入，使核電站的設(shè)計(jì)發(fā)生了根本的變化。

1.1 系統(tǒng)配置簡化

安全支持系統(tǒng)減少，安全級設(shè)備和抗震廠房大幅減少，安全等級和質(zhì)保等級降低，應(yīng)急動力電源和很多動力設(shè)備被取消，大宗材料需求明顯降低。

1.2 預(yù)防和緩解事故和嚴(yán)重事故的操作簡化

1.3 安全性能指標(biāo)顯著提高

由于設(shè)計(jì)簡化、系統(tǒng)簡化、工藝布置簡化、施工量減少、工期縮短、運(yùn)行和維修簡化等一系列效應(yīng)，最終使AP1000在安全性能顯著提高的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)上也具有較強(qiáng)的競爭力。

2 控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)功能及其組成

2.1 控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的功能

AP1000控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)與CPR1000控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)功能相似，在保持反應(yīng)堆壓力邊界完整性的前提下能完成以下兩大功能：

(1)在反應(yīng)堆啟動、運(yùn)行和關(guān)閉時(shí)，帶動控制棒組件在堆芯行程范圍內(nèi)作升降運(yùn)動或?qū)⒖刂瓢艚M件保持在行程的合適位置上。

(2)在事故工況下快速釋放控制棒組件，依靠重力下降使得反應(yīng)堆作緊急停堆。

2.2 控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的組成

AP1000控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)由密封殼組件、驅(qū)動桿組件、鉤爪組件、線圈組件和系統(tǒng)組件構(gòu)成（見圖1）。

2.2.1 驅(qū)動桿組件

驅(qū)動桿組件由可拆接頭、驅(qū)動桿和拆卸桿組件等部分組成。

下部的可拆接頭是一個(gè)對半開合帶齒槽的撓性卡爪結(jié)構(gòu)，與控制棒組件頭部的連接柄齒槽相嚙合，利用其彈性從而起到連接和脫開作用。驅(qū)動桿是一個(gè)外圓表面加工有環(huán)形齒槽的空心管，通過這些環(huán)齒槽與鉤爪組件中鉤爪動作的嚙合，帶動下部連接的控制棒組件作直線步躍式的升降移動或保持不動。

2.2.2 密封殼組件

密封殼組件是支承鉤爪組件并將鉤爪組件和驅(qū)動桿組件包容在反應(yīng)堆內(nèi)的一個(gè)承壓部件。密封殼殼體內(nèi)是一回路冷卻劑，其外為反應(yīng)堆環(huán)境。此外，它還支承了磁軛線圈組件和棒位探測器部件，因此，密封殼組件又是整個(gè)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的支承部件。

2.2.3 鉤爪組件

鉤爪組件主要由兩組鉤爪組件(每組3個(gè)鉤爪)、三對電磁鐵和一個(gè)套管式支承結(jié)構(gòu)組成。三對電磁鐵的吸合或彈開，通過連桿機(jī)構(gòu)帶動兩組鉤爪與驅(qū)動桿齒槽的嚙合、脫開和升降動作。

2.2.4 磁軛線圈組件

磁軛線圈組件是驅(qū)動機(jī)構(gòu)的動力部件，它由4個(gè)磁軛殼體內(nèi)置3個(gè)工作線圈構(gòu)成。3個(gè)工作線圈按棒控裝置給定的電流程序通電，使鉤爪殼體內(nèi)的鉤爪組件產(chǎn)生感應(yīng)電磁力，最終帶動各自的鉤爪作程序規(guī)定的動作。

3 驅(qū)動桿組件的工藝分析

驅(qū)動桿組件從鉤爪組件的內(nèi)孔中穿過，它由驅(qū)動桿、可拆接頭等零件組成，驅(qū)動桿外表面有環(huán)槽，可與鉤爪齒嚙合（見圖2）。

驅(qū)動桿組件通過下端的可拆接頭與控制棒組件上部的連接柄相連接。通過專用的可拆接頭裝拆工具，從驅(qū)動桿上部可對可拆接頭進(jìn)行裝拆操作，實(shí)現(xiàn)控制棒組件與驅(qū)動桿組件的連接或脫開。

圖2 AP1000驅(qū)動桿部件

3.1 驅(qū)動桿外形對比

3.1.1 AP1000驅(qū)動桿

AP1000驅(qū)動桿總長6996.81mm，有9個(gè)窄齒+12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)齒+9個(gè)窄齒+261個(gè)標(biāo)準(zhǔn)齒，總計(jì)為291齒。齒距為15.88mm。

3.1.2 CPR1000驅(qū)動桿

CP1000驅(qū)動桿總長6952mm，有9個(gè)窄齒+16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)齒+9個(gè)窄齒+227個(gè)標(biāo)準(zhǔn)齒，總計(jì)為261齒。齒距為15.875mm（見圖3）。

AP1000驅(qū)動桿采用棒材加工制造，CPR1000驅(qū)動桿采用管材加工制造，棒材形式制造的驅(qū)動桿重量略有增加，對總體安全性能略有提高，但是棒材加工深孔難度顯著增加，對工裝及制造技術(shù)也有新的要求。

圖3 驅(qū)動桿

3.2 工藝流程分析和對比

3.2.1 CPR1000驅(qū)動桿工藝流程（見圖4）。

圖4 CPR1000驅(qū)動桿工藝流程

CP1000驅(qū)動桿先進(jìn)行驅(qū)動桿毛坯原材料（成型管材）檢驗(yàn)，用多點(diǎn)檢測法檢測驅(qū)動桿外徑、內(nèi)孔尺寸，并檢測直線度，滿足工藝要求后加工驅(qū)動桿環(huán)槽，加工完后進(jìn)行目視（VT）和尺寸（DT）檢查，合格后對驅(qū)動桿兩端內(nèi)孔和其他部位進(jìn)行加工，完成后檢驗(yàn)入庫。

CPR1000驅(qū)動桿管材加工控制要點(diǎn)：

(1)外形幾何尺寸精度的控制；

(2)表面粗糙度的控制。

3.2.2 AP1000驅(qū)動桿工藝流程（見圖5）。

圖5 AP1000驅(qū)動桿工藝流程

AP1000驅(qū)動桿先進(jìn)行棒材毛坯檢驗(yàn)，用多點(diǎn)檢測法檢測驅(qū)動桿的直線度，然后進(jìn)行驅(qū)動桿深孔加工（采取棒材兩端打孔）然后檢測驅(qū)動桿外徑、內(nèi)孔同軸度，并檢驗(yàn)直線度。通過內(nèi)、外徑調(diào)整后加工驅(qū)動桿外徑和環(huán)槽，并進(jìn)行目視檢查（VT）和尺寸檢查(DT)，合格后對驅(qū)動桿兩端內(nèi)孔和其他部位進(jìn)行加工，完成后檢驗(yàn)入庫。

AP1000驅(qū)動桿棒材加工主要控制要點(diǎn)：

(1)外形幾何尺寸精度的控制；

(2)內(nèi)、外徑的同軸度公差控制；

(3)內(nèi)孔?13.46mm的尺寸要求；

(4)表面粗糙度的控制。

3.3 工藝分析

3.3.1 深孔加工

當(dāng)孔的長度L與直徑D之比大于5時(shí),稱為深孔。AP1000驅(qū)動桿內(nèi)孔尺寸為：

長徑比為1：520（L/D≈520），馬氏體不銹鋼的深孔加工比一般碳鋼加工困難得多，對驅(qū)動桿深孔加工應(yīng)關(guān)注：

(1)加工小直徑深孔時(shí)，軸線易歪斜，深孔刀具細(xì)長，剛性差，強(qiáng)度低，在加工時(shí)容易產(chǎn)生偏斜和折斷；

(2)深孔加工時(shí)，要求刀具的耐磨性，使之在一次加工中滿足深孔加工要求；

(3)針對馬氏體材料，配比適合刀具的冷卻液，增加刀具耐用度，提高加工表面質(zhì)量；

(4)深孔加工時(shí)的排屑通暢及其重要，要使加工過程中產(chǎn)生的鐵屑不會劃傷內(nèi)孔，防止刀具的崩刃或者折斷。

驅(qū)動桿工藝長度約7100mm，內(nèi)、外徑最大跳動1.5mm以內(nèi)。為了滿足內(nèi)、外徑毫米級跳動的檢測要求，采用長度不小于508mm、直徑?11.43mm的量棒能夠自由通過整個(gè)驅(qū)動桿內(nèi)孔全長的檢測方法。深孔加工時(shí)，配用專用冷卻液，并使用加壓噴射冷卻，使得加工時(shí)能及時(shí)斷屑和排屑通暢，同時(shí)使用自動定位導(dǎo)向來滿足深孔加工的直線度要求，并配備專用驅(qū)動桿內(nèi)孔加工刃具，保證了內(nèi)孔的表面粗糙度及尺寸要求。

3.3.2 環(huán)槽加工

驅(qū)動桿屬于細(xì)長軸類零件，其剛度差，切削易振動，加工外圓環(huán)槽難度大，不僅要考慮到加工的表面質(zhì)量，還需考慮到驅(qū)動桿本身直線度問題。如果采用通用的數(shù)控車床直接加工外圓，則會導(dǎo)致環(huán)槽偏心，尺寸不符合圖樣要求等問題（見圖6）。

圖6 驅(qū)動桿環(huán)槽示意

為了解決該問題，在驅(qū)動桿環(huán)槽加工中采用專用數(shù)控車床，在驅(qū)動桿上安裝5個(gè)驅(qū)動桿專用夾裝工具，加工刀具左右各300mm處增加專用的跟刀裝置，這樣保證了加工環(huán)槽時(shí)的直線度，使環(huán)槽能達(dá)到技術(shù)要求。選擇和調(diào)整切削參數(shù)，使刀具在一次7m長的切削過程中，不產(chǎn)生磨損或者崩刃的情況，并配置專用冷卻系統(tǒng)和冷卻液來進(jìn)行冷卻。

3.3.3 兩端內(nèi)孔加工

對于驅(qū)動桿兩端的內(nèi)孔，采用專用刃具、浮動式專用鉸刀加工保證尺寸、形狀和位置公差的要求（見圖7）。

圖7 驅(qū)動桿兩端內(nèi)孔示意

4 結(jié)論

(1)從以上結(jié)構(gòu)和工藝分析比較中可以看出AP1000的驅(qū)動桿組件中的驅(qū)動桿用棒材加工代替CPR1000管材加工，增加了制造難度。

(2)AP1000驅(qū)動桿通過兩端打孔技術(shù)，配用專用冷卻液，并使用加壓噴射冷卻；使用自動定位導(dǎo)向并使用專用驅(qū)動桿內(nèi)孔加工刃具；調(diào)整了切削參數(shù)解決了驅(qū)動桿深孔加工難題。

(3)使用驅(qū)動桿專用工裝和夾具解決了細(xì)長軸類零件驅(qū)動桿外形的環(huán)槽加工。

(4)采用專用刃具、浮動式專用鉸刀滿足驅(qū)動桿兩端內(nèi)孔的加工要求。