1700MW核電汽輪機高中壓外缸制造技術研究

王鋒，李旭，羅霞

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

1700MW核電汽輪機高中壓外缸制造技術研究

王鋒，李旭，羅霞

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

文章以某1 700MW核電機組試制為背景，對首臺試制過程進行了全面的論述，詳細介紹了1 700 MW核電汽輪機高中壓外缸結(jié)構(gòu)特點以及汽缸工藝性分析。同時文章還闡述了高中壓外缸加工以及水壓試驗的各項技術難題，并提出相應的工藝措施，實現(xiàn)高中壓外缸水壓試驗一次成功，完成首臺1 700 MW核電機組高中壓外缸加工制造。

核電汽輪機，高中壓外缸，加工方案，水壓試驗方案，首臺份試制

0 引言

核能發(fā)電作為一種安全清潔的新能源已被世界許多國家所接受，它是繼水、火電之后的一種技術最成熟、應用最廣泛的新能源。1 700 MW核電項目是中法共同開發(fā)建設的第三代先進核電技術。一期工程建設2臺EPR三代核電機組，單機容量為1 700 MW，是目前世界上單機容量最大的核電機組。該項目靜子部件高中壓缸體為單層結(jié)構(gòu)，在軸向分成高中壓外缸和中壓排汽缸，高中壓外缸為整體不銹鋼8CrNi12澆鑄，中壓排汽缸為碳鋼鑄件，通過垂直中分面螺栓連接成為整個外缸的上下兩半，然后由水平中分面大螺栓緊固為一體，為確保垂直法蘭面密封性，對高中壓外缸與中壓排汽缸接配面進行密封焊。

本文著重介紹首臺高中壓外缸的制造加工方案，并對其難點及創(chuàng)新點進行了分析與總結(jié)。

1 汽缸工藝方案總體設計

1.1 汽缸主要結(jié)構(gòu)特點

圖1是1 700 MW核電高中壓外缸縱剖圖，從圖中看出汽缸為單缸結(jié)構(gòu)，無內(nèi)外缸之分，蒸汽在缸體內(nèi)反向流動，在軸向分成高中壓前部與中壓排汽部兩部分，通過垂直中分面螺栓連接成為整個外缸的上下兩半，然后由水平中分面大螺栓緊固為一體，高壓部分9級通流，中壓部分4級通流。

圖1 汽缸縱剖圖

1.2 汽缸外型尺寸及重量

1 700MW核電高中壓外缸為不銹鋼（8CrNi12）整體澆鑄，汽缸外形尺寸大，重量重，為目前公司加工尺寸最大、重量最重的高中壓外缸，高中壓模塊分為高中壓外缸（HIP）與中壓排汽缸（IP）2段，最終通過接配成為一個整體，汽缸外型尺寸及重量見表1。

表1 高中壓外缸尺寸與重量

1.3 汽缸工藝性分析

（1）由于汽缸分為前后兩部，汽缸的工作支撐分別在高中壓外缸前部和中壓排汽缸前后貓爪上。加工中合理選擇前后兩段缸加工時負荷分配支撐點，嚴格控制前后部分的負荷配重，為接配后整缸的負荷分配做到最好的保證。

（2）汽缸不銹鋼材料的加工研究。分析汽缸的材料性能，對加工汽缸所需的大的面銑刀、深孔鉆、大的三面刃槽銑刀進行刀具切削試驗，得出合理的切削參數(shù)，解決汽缸不銹鋼材料的加工難題。

（3）汽缸內(nèi)腔隔板定位槽、汽封槽軸向錯位的控制方法分析、試驗、研究。通過對汽缸的結(jié)構(gòu)分析，找出其可能控制汽缸內(nèi)腔定位槽、汽封槽錯位的加工方案。

（4）汽缸水壓試驗工裝的設計方案論證、設計研究。核電汽缸結(jié)構(gòu)尺寸大，因此水壓試驗工裝龐大，重量重，工裝密封結(jié)構(gòu)復雜。通過分析已有的水壓試驗工裝設計方案，找出其優(yōu)缺點，結(jié)合水壓試驗的實際情況，設計出合理的、操作方便的、使用可靠的水壓試驗工裝。

1.4 汽缸工藝方案的制定

1 700 MW核電高中壓外缸為公司首次加工，通過對核電汽缸圖紙、技術規(guī)范的熟悉，根據(jù)首臺汽缸結(jié)構(gòu)及1 000MW核電制造經(jīng)驗，確定HIP缸與IP缸完全單獨加工，垂直接配面為分別上下半合缸加工的方案，流程簡單、生產(chǎn)周期短，通過對加工過程的嚴格控制保證了最終接配要求。

高中壓外缸主要加工內(nèi)容安排在27 m數(shù)控龍門銑上，該機床在通過尺寸、承重、加工精度等方面均能滿足汽缸圖紙要求。在龍門銑上完成汽缸關鍵加工部位:中分面、中分面連接孔、內(nèi)腔隔板槽開檔，高壓汽封內(nèi)孔及開檔加工，為保證高中壓外缸與中壓排氣缸接配面平面度，高中壓外缸垂直法蘭面的加工方案安排在鏜床上合缸整體銑削 （見圖2），確保上下半汽缸接配面無錯位。根據(jù)中壓排氣缸結(jié)構(gòu)特點，在10 m數(shù)控立車完成汽缸內(nèi)腔及前后端面尺寸加工 （見圖3），滿足最終汽缸接配要求。

圖2 HIP缸垂直接配面加工

圖3 IP缸垂直接配面加工

通過廠內(nèi)汽輪機加工經(jīng)驗以及對設備加工能力分析，制定出了1 700 MW核電高中壓外缸加工方案，通過對方案中關鍵工序控制，完全可以保證汽缸加工質(zhì)量。從首臺汽缸加工來看，該方案是可行的，也是最有效的。

2 汽缸加工的主要技術內(nèi)容

2.1 汽缸水平中分面平面度控制技術

核電高中壓外缸為單缸結(jié)構(gòu)，外形尺寸大，整個中分面長度達到8 150 mm，缸壁最薄部位僅為70 mm，全部汽缸重量由汽缸水平中分面延伸部分前后貓爪承受，而且汽缸材料為8CrNi12不銹鋼，由于Cr、Ni合金元素使得加工硬化現(xiàn)象嚴重，切削性能差。

為了解決中分面加工難題，采取了以下工藝措施來保證中分面加工要求:

（1）加工中分面前，首先對汽缸進行負荷分配,使汽缸重量分配在4個支撐位置處，軸向?qū)ΨQ左右兩側(cè)負載誤差值小于3 000 N，加工中分面時上半汽缸支撐位置在高壓排汽管口端面及垂直法蘭面底部，汽缸下半高壓端支撐在貓爪底平面及中壓端垂直法蘭面底部，考慮到汽缸軸向支撐位置跨度7 500 mm左右，為減小切削振動，提高汽缸加工剛性，在汽缸中部設置輔助支撐，要求接觸即可，不得改變原負荷分配狀態(tài)。

（2）通過前期大量工藝試驗，確定面銑刀刀片的型號及切屑參數(shù)，同時在加工中分面時采用粗、精加工分開，精銑時選用φ315精銑刀盤，裝一片精光刀片，完成中分面加工。

加工完后對中分面進行檢測，汽缸水平中分面光潔度在Ra1.6以內(nèi)；平面度最終檢測結(jié)果為每米小于0.05mm，且全部配合面測量的總?cè)毕莞叨取鱤為0.12mm；上下半合缸檢查中分面間隙自由狀態(tài)下0.04 mm塞尺不入；熱緊螺栓對汽缸中分面進行藍油接觸檢查，接觸面積達到80%且無斷線，中分面加工質(zhì)量滿足設計圖紙要求。

2.2 汽缸水平中分面連接孔加工

高中壓模塊汽缸水平中分面連接孔數(shù)量達186個，通孔孔徑范圍從φ70至φ147，螺紋尺寸由M64×6至M140×6。考慮到高中壓外缸材料為8CrNi12，該材料為公司首次加工，無切削參數(shù)供參考。

2.2.1 水平中分面背部沉孔的加工

由于此汽缸屬于薄壁件，水平中分面法蘭比較窄，這樣套料的時候機床附件與汽缸壁容易發(fā)生干涉，加長套料鉆能減少附件與汽缸壁發(fā)生干涉的可能，但加長套料鉆給加工過程中剛性帶來一定影響，同時汽缸材料為難加工材料，刀具的切削參數(shù)及刀片的切削性能也需通過工藝試驗來選取與驗證。通過對現(xiàn)有2個廠家的套料鉆（見圖4、圖5）分別進行了多次切削試驗，經(jīng)過試加工，選取圖5品牌套料鉆及最佳切削參數(shù)，完成汽缸背部刮面的加工。

圖4 品牌一套料鉆

圖5 品牌二套料鉆

2.2.2 中分面通孔的加工

幾個硬性條件一定要滿足，如月嫂年齡要在45歲以下、普通話標準、形象較好、持有高級育嬰員職業(yè)資格證書等。培訓課程方面，她打算直接聘請北京的培訓師，培訓月子餐制作、催乳、小兒推拿、母嬰護理、早教課程等。后期計劃與北京的用人單位一起開發(fā)培訓課程，目的是解決兩地培訓技能標準不統(tǒng)一的問題。

汽缸中分面深孔為汽缸加工關鍵工序，通過前期在不銹鋼試塊上進行的深孔加工工藝試驗，確定了深孔加工刀具選型及切削參數(shù)。加工中分面深孔使用的刀具為復合鉆 （見圖6），深孔加工過程中，線速度不宜過高，一般在90 m/min左右，進給量不宜過大，以免切削負荷過重，應控制在0.1～0.13mm/r，由于孔太深，開始加工時排屑正常，隨著加工深度增加，鐵屑排出量減少，鐵屑質(zhì)量也越來越差 （原因為切削液壓力太小，立式加工孔太深鐵屑不容易排出），加工后孔壁有鐵屑積壓痕跡 （見圖7），這與排屑不好有很大關系。該種材料強度高，復合鉆中心鉆容易崩刃，加工過程需嚴密監(jiān)控機床功率變化。

圖6 加工通孔用復合鉆

圖7 通孔加工表面質(zhì)量

2.2.3 中分面螺紋的加工

水平中分面螺紋底孔加工:M52、M64、M72、M80 4種規(guī)格螺孔由淺孔鉆直接鉆出底孔，M100、M125、M140 3種規(guī)格螺孔底孔先用標準模塊式復合鉆預鉆，再用雙刃鏜刀鏜準底孔；考慮到汽缸中分面大螺孔螺距為6 mm，加工過程采用分2～3刀來完成螺孔的加工，銑削完成后，對螺紋進行檢驗。檢驗結(jié)果顯示，龍門銑銑削8CrNi12不銹鋼材料螺紋效果好，螺紋質(zhì)量完全能滿足設計要求。

2.3 汽缸開檔加工及軸向錯位控制技術

2.3.1 汽缸開檔加工中新型φ1 200三面刃槽銑刀的使用

核電高壓外缸高壓導流環(huán)凸臺φ3 730H9及φ3 790止口與其相鄰的內(nèi)孔φ3 110內(nèi)孔徑向高度差達到340 mm，考慮到直角銑頭附件尺寸，需φ1 200 mm三面刃槽銑刀來完成加工。這就需要研究直徑大于1 m槽銑刀加工汽缸定位槽的穩(wěn)定性、可靠性。

通過對粗銑、半精銑、精銑三個過程不斷試驗，得出φ1 200大直徑槽銑刀的合適加工參數(shù)，從φ1 200三面刃槽銑刀使用情況來看 （見圖8），刀具在切削過程中切削平穩(wěn)，排屑輕快，不存在粘刀現(xiàn)象，加工面達到圖紙Ra3.2粗糙度要求。

圖8 φ1 200三面刃槽銑刀試加工

2.3.2 汽缸開檔加工工藝方案

該汽缸為單層缸，隔板直接裝入汽缸定位槽內(nèi)，因此汽缸內(nèi)部隔板定位槽多達8檔，并且對每檔隔板定位面均有嚴格的技術要求:

（1）各定位面相對于水平中分面垂直度小于0.1 mm。

（2）各定位面之間的平行度0.05mm。

（3）F1定位基準面合缸后無軸向錯位，其余F、F2面軸向錯位小于0.1 mm。

根據(jù)汽缸的結(jié)構(gòu)特點及技術要求，加工方案確定如下:

（1）先精銑上半各隔板定位槽，各定位面軸向尺寸按下差加工 （考慮合缸時上半汽缸變形會有延長的現(xiàn)象），槽寬按中差銑準。

（2）再銑下半定位槽，F(xiàn)1基準面銑準，F(xiàn)及F2面留0.5mm余量。

（3）合缸檢查軸向錯位，記錄錯位量。

（4）根據(jù)錯位量精銑下半F及F2面。

（5）合缸檢查錯位量，合格后銑準下半槽寬。

由于汽缸尺寸大又屬于薄壁件，加工中壓活容易使汽缸變形，所以對此類汽缸隔板定位面精加工時需松開所有壓板復查汽缸水平后在自由狀態(tài)下進行，同時應架表監(jiān)測，為提高定位面表面粗糙度，三面刃槽銑刀切削時參數(shù)為低轉(zhuǎn)速大進給，保證開檔面Ra3.2。

2.4 汽缸水壓試驗

1 700 MW半轉(zhuǎn)速核電高中壓缸是泵水結(jié)構(gòu)最為復雜、泵水腔室最多、泵水壓力參數(shù)最復雜的一個汽缸，此汽缸泵水腔室達6個，密封內(nèi)腔最大直徑超過4 m，最小的直徑也超過2 m，上下半背部共有23個管口，其中有19個管口已完成坡口加工，采用以前其他機組的泵水工裝設計理念，已經(jīng)無法完成該汽缸的泵水需要。通過認真分析鉆研汽缸結(jié)構(gòu)，查閱相關資料和壓力容器手冊，經(jīng)過理論計算和核算，設計出了公司歷史上結(jié)構(gòu)最復雜、裝配零件最多的汽缸泵水工裝體。設計簡圖見圖9。

圖9 汽缸水壓試驗簡圖

泵水工裝設計如下:

（1）通過查閱大量資料，計算校核堵板強度，在內(nèi)腔堵板采用封頭設計（見圖10），不僅重量輕，而且承壓強度高，有利于各腔室的分隔和密封，能夠有效減少封頭變形對密封面的影響，保證密封的效果。

圖10 封頭堵板結(jié)構(gòu)簡圖

（2）腔室內(nèi)堵板安裝的難點及采取的措施

堵板是封頭式結(jié)構(gòu)，重心不在密封端面附近，存在偏心，并且整個腔室內(nèi)堵板多達5個，如何保證合缸時上半汽缸定位面不與每個堵板及堵板上的橡皮繩發(fā)生干涉成了一大難題。經(jīng)過仔細研究汽缸內(nèi)腔結(jié)構(gòu)與堵板安裝位置，最終找出了1個解決方法:在安裝堵板時使它與汽缸下半內(nèi)腔定位面形成一定的傾角，傾角方向與堵板重心方向相反，上半落缸時，使堵板上橡皮繩與汽缸上半各定位環(huán)接觸面有7mm左右的間隙，這樣就能順利合缸。

（3）水壓試驗升壓、降壓過程控制

核電汽缸結(jié)構(gòu)尺寸大，工裝密封結(jié)構(gòu)復雜，6個腔室的升降壓過程十分復雜，升降壓過程必須控制每塊堵板承受壓差不超過其設計值，否則引起堵板變形、密封失效，嚴重時會導致汽缸變形，是重大安全隱患，通過精心計算，設計了汽缸水壓試驗升降壓曲線 （見圖11），將52個升降壓動作詳細分解，并配合過程控制卡要求操作人員嚴格按其執(zhí)行。

圖11 升降壓曲線圖

通過采用新型蝸殼封頭式焊接堵板設計，詳盡泵水升降壓曲線及過程控制卡的制定，確保水壓試驗過程安全可靠進行，同時泵水過程中操作人員精心準備，相互協(xié)調(diào)、配合，使得1 700MW核電高中壓外缸水壓試驗一次成功，各項壓力指標達到設計要求。

3 結(jié)語

1 700 MW核電項目是中法共同開發(fā)建設的第三代先進核電技術項目，核電高中壓汽缸作為核電汽輪機關鍵靜子部件，其加工技術代表了世界制造行業(yè)的先進水平。通過首臺1 700 MW核電高中壓外缸國產(chǎn)化制造，總結(jié)出一整套完整、高效的高中壓外缸加工、水壓試驗技術，為后續(xù)同類型汽缸生產(chǎn)創(chuàng)造條件。有理由相信，只要不斷應用新技術、新工藝，公司的綜合制造能力就能夠始終處于國內(nèi)同行業(yè)領先地位。

[1]羅霞,胡麗萍,劉祥,等.1 000 MW半轉(zhuǎn)速核電汽輪機高中壓外缸制造技術研究[J].東方汽輪機,2011,（1）:39-45

[2]李純彬,聶廣華,候江華.不銹鋼切削加工性能探討[J].河南機電高等?？茖W校學報,2008,（6）:1-2

[3]蔡頤年.汽輪機制造工藝學[M].北京:中國工業(yè)出版社，1961

Manufacture Technology Research about HIP Casing of 1 700 MW Nuclear Turbine

Wang Feng，Li Xu，Luo Xia
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Against the background of processing of the 1 700 MW nuclear power unit,this article comprehensively describes the processing of the first HIP outer casing，introduces the structural characteristics of the HIP outer casing in detail and analyses its manufacturability.Meanwhile,the article expounds the technical problems of the HIP outer cylinder processing and hydrostatic testing,and puts forward corresponding process measures to solve the problem.The hydrostatic test succeeds at the first time and the processing of the first 1 700 MW nuclear power unit HIP outer casing is finished.

nuclear turbine,HIP casing,machining plan,hydrostatic test,manufacture for first time

TK266

：B

：1674-9987（2014）01-0019-06

王鋒 （1982-），男，大學本科，工程師，畢業(yè)于蘭州理工大學機械設計及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事汽輪機靜子部件加工工藝工作。