核電汽封加熱器制造過程控制

陶德，陳達(dá)平，熊建坤，魏蓉

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

核電汽封加熱器制造過程控制

陶德，陳達(dá)平，熊建坤，魏蓉

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

文章分析了核電汽封加熱器制造過程中筒體與管束組件套裝困難的原因，并有針對(duì)性地提出了筒體制造與管束制造的過程控制方案，解決了汽封加熱器筒體與管束組件套裝困難的難題，從而提高了核電汽封加熱器的制造水平。

汽封加熱器，制造，過程控制

0 引言

核電汽封加熱器是一種U型管式換熱器，它是汽輪機(jī)的附屬部件，其主要作用是利用汽缸汽封的回汽余熱來加熱凝結(jié)水，從而提高機(jī)組的熱效率。

核電汽封加熱器主要由管束組件、筒體及水室3部分組成，結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。該加熱器制造的主要難點(diǎn)在于管束組件與筒體的套裝，設(shè)計(jì)圖紙中要求管束組件中折流板外圓與筒體內(nèi)壁的間隙為3 mm，該要求高于絕大多數(shù)U型管式換熱器的制造要求。因而，要達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙中的間隙要求及管束組件與筒體順利套裝的要求，必須進(jìn)行嚴(yán)格的制造過程控制。

圖1 結(jié)構(gòu)簡圖

1 問題提出及原因分析

核電汽封加熱器管束組件與筒體裝配時(shí)，往往采用行車進(jìn)行拖裝 （行車拖裝力不好控制），如果管束組件與筒體裝配間隙過小，在拖裝時(shí)就會(huì)造成筒體與折流板發(fā)生摩擦損傷，甚至出現(xiàn)折流板變形和換熱管損傷的情況，見圖2。

圖2 管束組件受損圖

從理論上分析可知，導(dǎo)致管束組件與筒體拖裝困難主要有2個(gè)方面的因素，一是筒體尺寸偏差較大，二是管束組件折流板尺寸偏差較大。

1.1 筒體尺寸偏差

汽封加熱器筒體 （見圖3）用鋼板卷制，3段筒體拼接而成，其主要工藝流程如下：

領(lǐng)料→數(shù)控切割→鋼板校平→加工坡口→滾圓→焊接A縫→校圓→焊接B縫→尺寸檢驗(yàn)

圖3 筒體外形圖

從筒體制造工藝流程可知，其尺寸產(chǎn)生較大偏差的因素主要有以下幾個(gè)方面。

1.1.1 筒體鋼板來料平面度超差

筒體來料鋼板往往要經(jīng)過多次起吊轉(zhuǎn)運(yùn)，從而造成鋼板變形，鋼板在數(shù)控火焰切割及校平后，外形尺寸就會(huì)產(chǎn)生較大偏差。

1.1.2 數(shù)控火焰切割本身有較大尺寸偏差

相對(duì)手工切割來說，數(shù)控火焰切割的質(zhì)量有很大提高，但數(shù)控切割后的尺寸與編程時(shí)輸入的尺寸還是有較大的偏差，原因如下：

（1）火焰切割速度慢，預(yù)熱時(shí)間長，鋼板吸收過多熱量會(huì)發(fā)生熱變形。

（2）火焰切割割口寬度對(duì)切割尺寸也有影響，不同材料及尺寸的零件，往往割口寬度不一樣，當(dāng)切割厚度增加時(shí)，往往需要更大的噴嘴直徑，切口也將隨之加寬，從而使零件的變形量增大。

（3）在數(shù)控切割中，材料的內(nèi)應(yīng)力會(huì)隨著材料的去除、局部內(nèi)應(yīng)力釋放而重新分布，從而導(dǎo)致鋼板的位移和變形，產(chǎn)生切割偏差 （切割工件尺寸偏差見表1）。

從理論上講，一個(gè)零件的切割程序編好了，并且確定了割縫補(bǔ)償后，切割出的零件尺寸就不會(huì)有變化。然而在實(shí)際切割中發(fā)現(xiàn)，切割出的零件還是有一定偏差，特別是一些直接切割后不進(jìn)行加工的零件。

由于數(shù)控火焰切割后的鋼板尺寸有較大的偏差，從而造成成型后的筒體的直徑超差。

表1 工件尺寸偏差 mm

1.1.3 筒體的橢圓度超差

核電汽封加熱器的筒體采用三滾卷板機(jī)進(jìn)行滾圓，影響筒體橢圓度的因素有卷板機(jī)的精度、滾圓的次數(shù)及人為因素等。另外，焊接筒體A縫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生焊接變形，從而導(dǎo)致橢圓度變大。

1.1.4 焊接筒體B縫時(shí)，裝配誤差及焊接變形導(dǎo)致

直線度超差

核電汽封加熱器筒體由3段組成，有2條環(huán)焊縫，由于筒體有橢圓度，在組裝時(shí)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)邊（GB 150中規(guī)定容器受壓件的組裝不得強(qiáng)力進(jìn)行對(duì)中、找平），另外，裝配時(shí)焊縫坡口間隙也不可能絕對(duì)一致，從而導(dǎo)致筒體焊接后直線度超差。

1.1.5 筒體內(nèi)部環(huán)焊縫打磨不夠

按GB 151中要求，殼體內(nèi)部凡有礙管束順利裝入或抽出的應(yīng)磨至與母材表面齊平。而在實(shí)際制造過程中，總有部分焊縫打磨不夠。

1.1.6 墊板與筒體焊接時(shí)導(dǎo)致筒體變形

核電汽封加熱器筒體 （見圖3）上有2件風(fēng)機(jī)墊板 （尺寸為δ10×720×899）和2件支座墊板（尺寸為δ16×280×1 576）要與筒體進(jìn)行焊接，焊縫為單面角焊縫，焊接墊板時(shí)易導(dǎo)致筒體變形。

1.2 管束折流板尺寸偏差

核電汽封加熱器管束組件 （見圖4）中有10件折流板，折流板采用數(shù)控切割下料，然后疊裝加工，其制造的主要工藝流程如下：

領(lǐng)料→數(shù)控切割→鋼板校平→疊裝→劃窩→鉆孔→拆裝→去毛刺→尺寸檢驗(yàn)

圖4 管束組件外形圖

從折流板制造的工藝流程可知，導(dǎo)致折流板尺寸產(chǎn)生偏差的主要因素有以下幾個(gè)方面。

1.2.1 鋼板切割尺寸偏差

折流板鋼板也是采用數(shù)控火焰切割，與筒體鋼板一樣，其切割也會(huì)產(chǎn)生尺寸偏差。

1.2.2 折流板疊裝產(chǎn)生尺寸偏差

折流板疊裝時(shí)，以外圓找正，折流板的外圓不可能絕對(duì)平齊。所以，在組裝管束組件時(shí)，每塊折流板找中心也不一樣，這導(dǎo)致尺寸偏差反應(yīng)在折流板外圓不在一條直線上。

1.2.3 管束組件裝配時(shí)管孔找中心對(duì)折流板外圓尺

寸有影響

管束組件裝配時(shí)，要求相鄰兩塊折流板的同心度小于1 mm，整個(gè)管束組件的同心度小于2 mm，該要求也會(huì)導(dǎo)致折流板的外圓不在同一直線上。

實(shí)際上，核電汽封加熱器管束組件與筒體套裝困難往往不是由某一個(gè)因素造成的，而是由多個(gè)因素綜合造成的。因此，在制造過程中要對(duì)每一個(gè)因素都要加以控制。

2 過程控制依據(jù)

許多換熱器制造企業(yè)解決管束組件與筒體套裝困難這一問題時(shí)，往往是通過手工打磨管束組件折流板外圓的方式。然而打磨折流板外圓不僅會(huì)使折流板與筒體的裝配間隙不均勻，而且難以達(dá)到設(shè)計(jì)圖樣中折流板與筒體裝配間隙要求。另外，從廷克爾殼體流動(dòng)模型可知，過量打磨也會(huì)降低核電汽封加熱器的換熱效果。

1947年廷克爾 （Tinker）首次提出了殼體流動(dòng)模型，即把殼體流體分成了A、B、C、E、F 5股流 （見圖5）。

A股流：折流板管孔與換熱管徑向間隙的漏流；

B股流：穿過換熱管的橫流流路，即換熱的主流體；

C股流：管束周邊，尤其是接管流通區(qū)形成的外層流體通道里的漏流；

E股流：折流板外圓與殼體圓筒的間隙通道的漏流；

F股流：多管程分隔板區(qū)域或U型管程間寬通道流經(jīng)的漏流。

圖5 殼體流動(dòng)模型

雖然相同流量下A、C、E、F 4股流要比B股流傳熱性要弱得多，但也不是完全不起傳熱作用，所以作為換熱器來說，要盡可能擴(kuò)大B股流的比例，減小A、C、E、F 4股流。對(duì)于汽封加熱器來說，要減小E股流則要嚴(yán)格控制折流板與筒體的裝配間隙。

3 制造過程控制

從Tinker殼體流動(dòng)模型可知，控制筒體與折流板的間隙可以通過下面3個(gè)方面來達(dá)到這個(gè)目的：

（1）控制筒體的直徑和橢圓度；

（2）在保證能順利穿裝管束的前提條件下，盡量加大折流板的外圓尺寸。這就是說必須嚴(yán)格執(zhí)行圖樣中折流板外圓尺寸及偏差，不能為了管束組件與筒體套裝順利而隨意減小折流板的外圓尺寸；

（3）殼程筒體內(nèi)A、B類焊縫及接管內(nèi)焊縫打磨至筒體內(nèi)表面齊平，這是保證在制造、檢修換熱器抽裝管束所必須做到的。

3.1 控制筒體的橢圓度和直徑

從筒體的制造流程可知，控制筒體的制造質(zhì)量主要從下料、加工、滾圓、裝焊等幾個(gè)方面進(jìn)行控制。

3.1.1 筒體板材下料

由于筒體鋼板在運(yùn)輸及起吊過程中，容易造成其平面度超差，所以在鋼板數(shù)控切割前需要對(duì)其進(jìn)行校平，保證校平后鋼板的平面度達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1.2 筒體板材加工

由于數(shù)控火焰氣割會(huì)產(chǎn)生一定的尺寸偏差，所以在切割筒體鋼板外形時(shí)留5 mm加工余量，在鋼板切割及校平后采用機(jī)械加工的方法去除多余余量，從而保證筒體鋼板的外形尺寸偏差最小。

3.1.3 筒體滾圓

為防止?jié)L圓時(shí)產(chǎn)生扭斜，卷板開始時(shí)，工件送進(jìn)務(wù)必對(duì)中，使工件的母線與滾子的軸線平行，防止錯(cuò)口和大小口。

為了控制筒體的直徑，筒體滾圓后定位焊接前，需要測量筒體的外圓周長，保證周長偏差在± 2 mm后進(jìn)行定位焊接。

按照筒體滾圓尺寸偏差表（見表2）可知，1 000 mm筒體冷卷的尺寸偏差為±3 mm，然而該偏差并不滿足筒體與折流板3 mm裝配間隙要求，所以采用多次校圓的方式來提高筒體的圓度，保證汽封加熱器筒體冷卷后尺寸偏差要控制在±2 mm范圍內(nèi)。

表2 滾圓尺寸偏差

另外，在每件筒體滾圓后，在筒體端部布置米字型工藝撐桿，防止吊起時(shí)發(fā)生變形。

3.1.4 筒體A縫焊接

筒體A縫采用自動(dòng)埋弧焊進(jìn)行焊接，埋弧焊焊接質(zhì)量穩(wěn)定，同時(shí)焊接變形小，另外，為了減小A縫內(nèi)收，先從內(nèi)部進(jìn)行焊接，然后在外面清根后進(jìn)行蓋面焊接。

3.1.5 筒體B縫焊接

為了保證整個(gè)筒體焊接后的直線度，在進(jìn)行筒體拼接時(shí)，在筒體端部4個(gè)方向定位焊4件定位板，調(diào)整好直線度后進(jìn)行自動(dòng)埋弧焊。

3.1.6 筒體墊板的焊接

為了避免墊板與筒體焊接時(shí)筒體產(chǎn)生變形，焊接墊板前，在筒體內(nèi)部布置支撐管，然后進(jìn)行焊接，筒體去應(yīng)力熱處理后去除內(nèi)部的支撐管。

3.2 控制折流板外圓尺寸

為了保證折流板的尺寸精度，需要從以下兩方面進(jìn)行控制。

3.2.1 折流板下料

在數(shù)控火焰切割前對(duì)鋼板進(jìn)行校平，同時(shí)，下料時(shí)留取5 mm加工余量，在折流板鉆孔完成后，采用機(jī)械加工來加工折流板的外圓，從而保證折流板的外圓尺寸偏差。

3.2.2 折流板的疊裝及外圓加工

折流板管孔加工完后，將折流板分成2組，每組5件，具體方法是將5塊折流板疊裝在一起，用銷釘進(jìn)行定位并用螺栓、螺母把緊，然后在數(shù)控車床上車準(zhǔn)外圓。

4 結(jié)束語通過對(duì)汽封加熱器筒體及折流板制造過程的尺寸控制，最大限度地降低了筒體與管束組件裝配時(shí)的尺寸偏差。為了檢驗(yàn)核電汽封加熱器制造過程控制的效果，選取了一臺(tái)汽封加熱器進(jìn)行驗(yàn)證性制造，結(jié)果是管束組件在與筒體套裝時(shí)，筒體與折流板間隙均勻，沒有任何干涉。因此，通過綜合性地制造過程控制，比較完美地解決了核電汽封加熱器制造時(shí)筒體與管束組件套裝產(chǎn)生摩擦損傷的難題。

[1]JB/T 10045.3-1999.熱切割氣割質(zhì)量和偏差[S].北京:機(jī)械工業(yè)部機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化研究所,1999

[2]GB 150-2011.壓力容器 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)化出版社, 2012

[3]GB 151-1999.管殼式換熱器 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)化出版社,2004

[4]T.Kuppan.換熱器設(shè)計(jì)手冊 [M].錢頌文,等,譯.北京:中國石化出版社,2004

Manufacturing Process Control of Nuclear Steam Seal Heater

Tao De，Chen Daping，Xiong Jiankun，Wei Rong

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The paper analyzes the causes that nuclear steam seal heater shell and tube bundle are assembled difficultly,and puts forward the process control scheme of shell and tube bundle manufacturing to solve the problem of steam seal heater shell and tube bundle assembly,and improves the manufacturing level of nuclear steam seal heater.

steam seal heater,manufacturing,process controlling

TK172

A

1674-9987（2015）03-0022-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.006

陶德 （1978-），男，高級(jí)工程師，2001年畢業(yè)于西南石油學(xué)院機(jī)械制造專業(yè)，現(xiàn)從事汽輪機(jī)輔機(jī)焊接技術(shù)工作。