三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條的制造技術(shù)研究

□夏炎鑫□袁亞蘭□束志華

1上海電氣核電設(shè)備有限公司　上海　201306

2丹陽(yáng)市龍?chǎng)魏辖鹩邢薰尽〗K丹陽(yáng)　212352

三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條的制造技術(shù)研究

□夏炎鑫1□袁亞蘭1□束志華2

1上海電氣核電設(shè)備有限公司上海201306

2丹陽(yáng)市龍?chǎng)魏辖鹩邢薰窘K丹陽(yáng)212352

核電蒸汽發(fā)生器的抗振條是管束部分的關(guān)鍵部件，抗振條呈V形，兩端連接端帽。三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條的厚度、角度、材料、加工精度等方面要求很高，制造難度大。研究了第三代先進(jìn)壓水堆核電蒸汽發(fā)生器抗振條的制造關(guān)鍵技術(shù)，從不銹鋼棒料成型及加工、抗振條角度彎制、抗振條檢測(cè)技術(shù)、抗振條R區(qū)修磨、抗振條與端帽裝配墩壓等方面進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)，成功研制出三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條模擬件，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品自主化和國(guó)產(chǎn)化，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

蒸汽發(fā)生器是核電站核島的主要設(shè)備，抗振條是蒸汽發(fā)生器管束部分的關(guān)鍵部件?？拐駰l呈V形，兩端連接端帽。在管束的U型管之間插入抗振條，用于U型管的固定。抗振條的制造精度、抗振條和U型管之間的裝配間隙控制會(huì)直接影響U型管的使用壽命，因此，對(duì)抗振條的材料性能、尺寸加工精度和彎曲成型工藝均提出了很高要求［1］。與二代加核電蒸汽發(fā)生器所用抗振條相比，三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條在厚度、角度、材料和加工精度等方面都有較大改變，給制造工藝帶來(lái)新的技術(shù)難題。

1　抗振條的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝難點(diǎn)

1.1抗振條的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條共有6組，總計(jì)978根?？拐駰l本體采用鐵素體SA-479 TY405不銹鋼制造，端帽采用SB-166 N06690鎳基材料制造，外形包含了268個(gè)角度。兩種不同堆型（二代加和三代）的蒸汽發(fā)生器抗振條參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　二代加和三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條參數(shù)對(duì)比

1.2抗振條制造工藝難點(diǎn)

三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條設(shè)計(jì)制造精度要求為：①厚度尺寸：（4.028±0.013）mm；②平面度：0.25 mm/300 mm，整根≤1.5 mm；③直線度：3 mm/300 mm，整根≤9.6 mm；④平行度：0.025 mm；⑤表面粗糙度：1.6μm。

由上述要求可見(jiàn)，為了確保抗振條研制滿足設(shè)計(jì)尺寸要求，對(duì)抗振條制造過(guò)程中的冷拔、精磨、彎制成型、R區(qū)修磨等工藝提出了愈加嚴(yán)格的要求?？拐駰l制造工藝難點(diǎn)包括：①抗振條棒材尺寸控制工藝；②抗振條彎制工藝；③抗振條檢測(cè)工藝；④抗振條平面度控制工藝；⑤抗振條與端帽的裝配工藝。

2　三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條制造工藝、開(kāi)發(fā)內(nèi)容、過(guò)程和結(jié)果

2.1不銹鋼棒材成型工藝

不銹鋼棒料SA-479 TY405需要經(jīng)過(guò)鍛打、熱軋、冷拔，每道工序在執(zhí)行過(guò)程中均有修磨步序，才能確保材料表面質(zhì)量達(dá)到技術(shù)要求。材料鍛打成坯后，對(duì)棒材進(jìn)行超聲波檢查，確保材料內(nèi)部無(wú)缺陷。不銹鋼棒材最終成形時(shí)，采用精度較高的聚晶模進(jìn)行拉拔。

由于三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條的最大跨度達(dá)3 964 mm，為了有效控制棒材的平面度和表面粗糙度，滿足設(shè)計(jì)要求，與設(shè)備制造廠家聯(lián)合研制了新型數(shù)控磨床，如圖1所示。棒材冷拔完成后，平鋪在平面磨床工作臺(tái)上對(duì)棒材進(jìn)行修磨，通過(guò)磨床的工作臺(tái)和磨頭對(duì)棒材外形進(jìn)行修正，以確保棒材的厚度、寬度、扭曲度和平整度滿足圖紙要求，達(dá)到要求后才能進(jìn)行抗振條角度彎制。

圖1　平面磨床

2.2抗振條角度彎制工藝

三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條外形共包含了268個(gè)角度，角度公差±0.5°?？拐駰l在彎制成型過(guò)程中，因?yàn)椴牧系睦煨阅芗凹庸び不纫蛩兀舨睦湔蹚澾^(guò)程伴隨著材料的彈性形變和塑性形變［2］，有一個(gè)回彈的過(guò)程，回彈數(shù)據(jù)掌握不好，會(huì)造成角度與圖紙要求不符合。同時(shí)，彎制角度大小的不同對(duì)材料的回彈也會(huì)產(chǎn)生影響。因此，在抗振條彎制時(shí)需要反復(fù)試驗(yàn)、修正、再試驗(yàn)，摸索到材料的回彈率，從而選定彎制時(shí)的角度設(shè)定值?？拐駰l共計(jì)268個(gè)角度，分為6組，對(duì)于每組抗振條選擇一個(gè)角度進(jìn)行折彎試驗(yàn)（見(jiàn)表2），以此來(lái)摸索抗振條的回彈率。

通過(guò)反復(fù)多次試驗(yàn)，總結(jié)得出抗振條折彎角度越小，回彈率越大，并確定每組抗振條彎制的最佳角度值（見(jiàn)圖2）。在產(chǎn)品正式彎制前，需加強(qiáng)以下工序質(zhì)量的控制：①材料熱處理工藝必須一致，確保材料的性能滿足要求［3］；②反復(fù)試驗(yàn)，研究獲得棒材的回彈系數(shù)，通過(guò)數(shù)控精準(zhǔn)設(shè)定折彎角度；③批量折彎前取一小段材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，確認(rèn)輸入數(shù)據(jù)。

2.3抗振條檢測(cè)工藝

以往的核電項(xiàng)目，如300 MW、600 MW和1 000 MW二代加核電蒸汽發(fā)生器［4］的抗振條都為三個(gè)角度一組，抗振條角度測(cè)量采用專(zhuān)用模具進(jìn)行，而三代核電蒸汽發(fā)生器有268個(gè)角度，采用模具測(cè)量效率很低。當(dāng)使用傾角儀測(cè)量抗振條角度時(shí)，需要將抗振條處于豎直位置，且抗振條的一條腿必須與測(cè)量平臺(tái)貼合，而抗振條最長(zhǎng)可達(dá)3 964 mm，將其豎直，可能使其產(chǎn)生形變或者扭曲。由于三代抗振條的高要求，需開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種新型專(zhuān)用角度測(cè)量?jī)x，該測(cè)量?jī)x通過(guò)傳感器來(lái)測(cè)量角度，角度誤差可以精確到0.01°，如圖3所示。在測(cè)量時(shí)，將抗振條的兩條腿定位于測(cè)量平臺(tái)的導(dǎo)軌上，測(cè)量?jī)x通過(guò)導(dǎo)軌與抗振條兩條腿的內(nèi)側(cè)接觸，從而測(cè)出抗振條的角度，并用計(jì)算機(jī)采集角度數(shù)據(jù)，以此來(lái)滿足該檢驗(yàn)項(xiàng)目。

表2　抗振條彎曲角度試驗(yàn)（°）

圖2　抗振條角度彎制

圖3　角度測(cè)量?jī)x

使用該儀器測(cè)量角度，簡(jiǎn)單易操作，測(cè)量結(jié)果直接顯示，角度的測(cè)量精度達(dá)到了0.005°，完全滿足使用要求。

2.4抗振條R區(qū)修磨工藝

由于抗振條彎曲過(guò)程中材料受到彎曲應(yīng)力的作用，且在R區(qū)的外應(yīng)力面上受到拉力的影響，因此靠近外應(yīng)力面的兩個(gè)側(cè)面的截面積尺寸變小。與此同時(shí)在彎曲的內(nèi)應(yīng)力面上受到壓應(yīng)力的影響，靠近內(nèi)應(yīng)力面的兩個(gè)側(cè)面的截面積尺寸變大，顯然這是一個(gè)新的難點(diǎn)，即如何保證角度彎曲時(shí)受力的截面積尺寸不變，使厚度、平行度、平面度的指標(biāo)在設(shè)計(jì)規(guī)定的公差范圍之內(nèi)。同時(shí)，三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條對(duì)R區(qū)增厚區(qū)除了有厚度要求外，還增加了平行度的要求，難度更大。

在最初階段，R區(qū)增厚區(qū)采用手工打磨的方法，但手工打磨成型質(zhì)量差，不好控制，且不能滿足抗振條整體平行度0.025 mm的要求。經(jīng)多次試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一款新型平面磨床，并且定制了專(zhuān)用模具，專(zhuān)用于R區(qū)打磨。新型平面磨床的工作臺(tái)具有磁性，抗振條只要放置在工作平臺(tái)上即可打磨，無(wú)需進(jìn)行額外的固定工作。磨床采用砂輪進(jìn)行打磨，砂輪的定位磨削深度和進(jìn)給量采用數(shù)控進(jìn)行設(shè)定。

2.5尺寸的最終檢驗(yàn)工藝

抗振條角度彎制、角度測(cè)量和R區(qū)打磨完成后，將其就位于測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行尺寸的最終檢查。整根抗振條的平面度要求為0.25 mm/300 mm和1.5 mm /總長(zhǎng)。測(cè)量平臺(tái)是針對(duì)三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條的平面度檢測(cè)要求定制的，其精度達(dá)到雙零等級(jí)。最終尺寸檢查時(shí)，抗振條就位于測(cè)量平臺(tái)，用塞尺檢查抗振條與測(cè)量平臺(tái)的間隙，如果平面度不滿足圖紙要求，則進(jìn)行人工修整，直至整根抗振條的平面度滿足設(shè)計(jì)要求為止。如圖4所示為抗振條的最終尺寸檢查。

圖4　抗振條最終尺寸檢查

2.6抗振條與端帽裝配工藝

抗振條本體采用鐵素體不銹鋼SA-479 TY405，端帽采用SB-166 N06690鎳基材料，按照設(shè)計(jì)要求，抗振條與端帽裝配后，為了防止端帽被拉脫，要在抗振條上四處和端帽上一處墩壓固定，且滿足拉脫力F≥4 448 N。鐓壓及拉脫力考核需要經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，試驗(yàn)前需定制鐓壓模具，并確定墩壓參數(shù)。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)拉脫力的大小來(lái)修正墩壓力，最終根據(jù)墩壓的深度和圓角尺寸對(duì)模具進(jìn)行改進(jìn)，并在墩壓模具上增加深度控制工裝，從而保證5點(diǎn)墩壓一次成型。抗振條和端帽墩壓工藝試驗(yàn)拉脫力數(shù)據(jù)如表3所示，抗振條和端帽墩壓如圖5所示。

表3　抗振條和端帽墩壓拉脫力數(shù)據(jù)

圖5　抗振條和端帽墩壓

3　結(jié)論

三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條國(guó)產(chǎn)化所面臨的一系列難題被逐個(gè)攻克。通過(guò)對(duì)制造工藝的試驗(yàn)、研究以及模擬件制作與改進(jìn)，最終全面掌握了三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條制造工藝技術(shù)，抗振條模擬件如圖6所示。

圖6　抗振條產(chǎn)品模擬件

（1）掌握了抗振條精確成型及檢測(cè)技術(shù)、抗振條與端帽墩壓工藝，以及產(chǎn)品的最終檢測(cè)技術(shù)。

（2）形成了一整套抗振條制造專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)裝備。

（3）成功研制出一整套三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條模擬件，實(shí)現(xiàn)了配套產(chǎn)品自主化和國(guó)產(chǎn)化，達(dá)到了抗振條的專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)能力，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)三代核電蒸汽發(fā)生器抗振條制造技術(shù)的空白。

［1］景軍濤，羅吾希，江才林，等.ERP蒸汽發(fā)生器制造過(guò)程中變形控制的研究［J］.上海電氣技術(shù)，2012，5（4）：38-42.

［2］張鐵山.板料沖壓成形中的摩擦與回彈研究——基于分形理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的板料沖壓成形接觸摩擦與回彈研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2004.

［3］王信友.沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［4］孫德意.國(guó)內(nèi)首臺(tái)二代加百萬(wàn)千瓦級(jí)核島蒸汽發(fā)生器自主研制成功［J］.機(jī)械制造，2010，48（10）：4.

The anti-vibration strip in nuclear steam generator is a critical component of the pipe bundles. Anti-vibration strip is made of V type with end caps at both ends.The anti-vibration strip used in the 3rd generations nuclear steam generator are more difficult to be manufactured due to higher requirements on thickness，angles，materials and manufacturing accuracy.Researched on the key manufacturing technology of the anti-vibration strip for the 3rd generation of nuclear power steamer in advanced pressurized water reactor.By research and development on molding&processing of the stainless steel bar，angle bending of anti-vibration strip，detection technique of anti-vibration strip，regrinding of R section of anti-vibration strip，assembly& pillar press of anti-vibration strip and end cap etc.，the simulated piece of anti-vibration strip applied to the 3rd generation of nuclear power steamer was developed successfully and the product that fills the domestic blank is realized fully by self-reliance and localization.

核電蒸汽發(fā)生器；抗振條；角度彎制；檢測(cè)技術(shù)；墩壓

Nuclear Power Steamer；Anti-vibration Strip；Angle Bending；Detection Technique；Pillar Press

TH16；TP311.52

A

1672-0555（2016）02-032-04

2016年1月

夏炎鑫（1964—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事核島主設(shè)備制造技術(shù)研究等工作