“華龍一號”控制棒驅動機構設計研究

萬 誼,于天達,余志偉,陳西南,羅 英,楊 博,唐向東

(中國核動力研究設計院,四川 成都 610041)

核電作為一種戰(zhàn)略性、技術與資金密集型的新型清潔能源產(chǎn)業(yè)日益受到世界各國政府的重視。2011年3月,福島核事故的發(fā)生雖然給世界核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了負面壓力,但面對能源安全和氣候變化的雙重壓力,世界上多數(shù)國家仍然理性地支持核電發(fā)展,國際核電市場仍然很大。自20世紀60年代,我國就組織了大批精干力量開始了核反應堆的深入設計和研究,預計到2020年投運核電裝機容量將達到5 800萬千瓦,處于世界第二位,成為名副其實的核電大國。

“華龍一號”是中核集團在30多年核電科研、設計、建造和運行經(jīng)驗基礎上,消化吸收發(fā)達國家三代核電技術理念,并汲取了福島核事故的最新經(jīng)驗后,充分利用國內外優(yōu)勢資源所形成的中國自主產(chǎn)權品牌的核電三代技術?！叭A龍一號”關鍵技術的攻克標志著我國將拿到國際市場入場券。

鉤爪是驅動機構中的重要運動部件,驅動機構的各種動作都是通過鉤爪來實現(xiàn)的。驅動機構動作時,保持鉤爪和移動鉤爪交替與驅動桿上的環(huán)形槽嚙合,移動鉤爪依靠提升磁極的作用上、下運動,從而帶動驅動桿以步進的方式上升或者下降。因此鉤爪組件各零件中,鉤爪及其聯(lián)動的連桿都是易損部件。為了提高產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟性和服役壽命,往往在鉤爪和連桿的磨損面堆焊耐磨合金[1]。

堆焊毛坯材料是一種新型超低碳高強度奧氏體不銹鋼 (00Cr18 Ni10 N,加入氮提高了強度),耐晶間腐蝕和力學性能好,但顯微硬度僅約14 HRC,抗拉強度約480 MPa,屈服強度約170 MPa。高性能鈷基合金 (鈷含量約50%,鉻含量約20%,以固溶和碳化物兩種方式強化)具有優(yōu)良的耐腐蝕、耐磨損、耐沖蝕和抗高溫蠕變性能,是鉤爪組件接觸面制造中理想的堆焊材料。

由于鈷基合金的大量應用,現(xiàn)有的手工電弧焊、等離子弧焊以及氧乙炔火焰焊等均可用于不銹鋼基體的鈷基合金堆焊。但堆焊本身具有明顯的異種金屬焊接特征,對焊接工藝、參數(shù)和堆焊工程師的要求較高,主要難點在于預防堆焊冷、熱裂紋和補償稀釋的強化元素,同時提高熔敷效率,降低生產(chǎn)成本。

鉤爪和連桿堆焊工藝是鉤爪連桿制造的關鍵工藝。鉤爪齒面與銷孔、連桿銷孔鈷基耐磨堆焊難度大、成本高,當前國內已建核電站用驅動機構的鉤爪和連桿仍為進口產(chǎn)品。鈷基耐磨合金堆焊層硬度高 (約40-45 HRC)、韌性差,堆焊過程和產(chǎn)品運行中易產(chǎn)生脆性裂紋,因此降低堆焊層的殘余應力是消除堆焊層裂紋的有效措施之一。因此要盡快實現(xiàn)鉤爪連桿制造的國產(chǎn)化,亟待通過鉤爪連桿堆焊的仿真分析,研究氧乙炔堆焊的不同工藝參數(shù) (如預熱溫度、噴嘴尺寸等)對堆焊件質量的影響,為產(chǎn)品堆焊工藝的固化及改進提供理論依據(jù)和科學支撐。

1 堆焊過程優(yōu)化仿真

1.1 鉤爪堆焊

1.1.1 連續(xù)堆焊雙孔溫度場

合理的堆焊順序不僅能夠顯著降低堆焊層及其與基體間的溫度梯度,提高溫度場的均勻性,而且能夠有效減小焊接變形和殘余應力,從而最大程度上降低冷裂紋和熱裂紋的敏感性,提高堆焊層及其與基體間的綜合性能[2]。

本文選擇兩層和三層堆焊仿真,尋找最優(yōu)的堆焊順序。以堆焊兩層為例,同時考慮到現(xiàn)場操作可能性和可行性,據(jù)此提出表1所示三種可能的最優(yōu)堆焊方案:

表1 連續(xù)堆焊方案Table 1 Continuous surfacing scheme

上述方案中左半通孔和右半通孔是指把零件在垂直于兩個孔的軸線上從中間切一刀,一分為二;而外爪下和內爪下統(tǒng)稱為內層堆焊,相應地外爪上和內爪上統(tǒng)稱為第外層堆焊。另外,方案1和方案2的差別是把齒面與兩個孔堆焊調換了順序;方案3則是打亂了齒面和兩個孔堆焊的順序。三個方案分別對應于預熱溫度180℃、260℃和300℃,因此總共9種工況。對于這9種溫度場結果,分別考察其最高溫度、最高溫度梯度和最高熱流量。表2匯總了三種方案不同預熱溫度下的溫度場計算結果。

表2 三種方案不同預熱溫度下的溫度場計算結果Table 2 Calculation results of temperature field at different preheating temperatures of three schemes

理論上來講,預熱溫度越高,系統(tǒng)溫度梯度越小,溫度場越均勻,則堆焊完畢系統(tǒng)的殘余應力越小,結合表1可知:

1)預熱溫度越高,收焰處的溫度越高(300℃時梯度降低不明顯),高溫停留時間延長,奧氏體基體晶粒長大,鈷基堆焊材料中有益合金元素損失越大,因此顯然不利于堆焊層硬度和耐蝕性的提升;

2)收焰堆焊處為鉤爪且通孔與階梯孔交叉堆焊的方案,最高溫度梯度較低,有利于降低焊接殘余應力和變形,避免產(chǎn)生冷、熱裂紋;

3)根據(jù)仿真結果,同時考慮到工藝可操作性與可行性,建議堆焊前基體材料預熱溫度選擇260℃,采取交叉堆焊有利于降低溫度梯度。

1.1.2 間斷冷卻雙孔溫度場

根據(jù)熱彈性理論,溫度梯度越低,溫度場越均勻,則堆焊后殘余應力越小,堆焊過程中的冷、熱裂傾向就越低。但1.1.1節(jié)中連續(xù)堆焊仿真中沒有考慮到堆焊層之間的溫度,本節(jié)通過探索合適的冷卻時間設計四種方案優(yōu)化堆焊層間溫度以及雙孔和齒面的順序,同時把齒面堆焊分為三層,雙孔內部堆焊為兩層和三層。

表3 斷續(xù)堆焊方案Table 3 Inter mittent surf acing scheme

得出幾種方案的峰值溫度、峰值溫度梯度后,根據(jù)熱彈性初始應力計算公式,即可大致推斷堆焊后系統(tǒng)的殘余應力峰值及分布。同時系統(tǒng)的峰值溫度越低,溫度梯度越均勻,則殘余應力也越低。堆焊過程中峰值溫度越低,也越有利于控制堆焊的層間溫度,提高系統(tǒng)的冷卻速度,改善堆焊層及結合部的組織和性能。

注意以上四種斷續(xù)堆焊方案中沒有考慮現(xiàn)場操作的可行性。此外上述四種方案最大區(qū)別是把兩個孔和齒面分開分別進行堆焊,從而得出了分別進行堆焊的工藝可行性。

圖1、圖2給出了預熱溫度為260℃、雙孔堆焊兩層 (兩道)和齒面三層時的溫度場仿真計算結果。必須指出,圖1、圖2給出的是雙孔堆焊完畢且還沒有開始堆焊齒面時系統(tǒng)溫度場,目的是獲得雙孔的優(yōu)化堆焊方案。

圖1 方案1和方案2預熱260℃雙孔2道堆焊完畢的熱場Fig.1 The ther mal field after preheating 260℃double hole t wo way surfacing of scheme 1 and scheme 2

圖2 方案3和方案4預熱260℃雙孔2道堆焊完畢的熱場Fig.2 The ther mal field after preheating 260℃double hole t wo way surfacing of scheme 3 and sche me 4

根據(jù)圖1、圖2溫度場的計算結果可以看出,方案2堆焊雙孔后系統(tǒng)的峰值溫度最低,峰值梯度最大也是在理論范圍內。單從這兩個信息看,還很難確定哪種方案比較合適;但有一點可以肯定的是,首先堆焊齒面的最大溫度將達到最高,而其余三種方案都表明,首先把雙孔堆焊完畢后系統(tǒng)的最高溫度和溫度梯度場較為均勻。

因此,從以上分析初步得到方案2相對比較合適,也就是說本文建議首先堆焊完畢雙孔然后進行合適時間的冷卻,再對齒面進行堆焊成形。為了進一步考察雙孔3道堆焊時的峰值溫度和梯度,圖3、圖4給出了預熱溫度為260℃、雙孔堆焊兩層 (三道)和齒面三層時的溫度場計算結果。

根據(jù)圖3、圖4的溫度場計算結果可以看出,方案2堆焊完畢雙孔后的峰值溫度和溫度梯度都是最低的;方案3堆焊后最高溫度為1 447℃,稍高于合金熔點,且溫度梯度較大,因此從理論上考慮方案3并不能完全確保堆焊的順利進行。

圖3 方案1和方案2預熱260℃雙孔3道堆焊完畢的熱場Fig.3 The ther mal field after preheating 260℃double hole three way surfacing

圖4 方案3和方案4預熱260℃雙孔3道堆焊完畢的熱場Fig.4 The ther mal field after preheating 260℃double hole three way surfacing of scheme 3 and scheme 4

由此可見,方案2應是最優(yōu)方案,即先堆焊完畢兩個孔。同時這種方案對于現(xiàn)場堆焊也具有很強的可操作性。另外從內孔2道和3道堆焊的仿真結果以及相關實驗研究來看,熱輸入越大,堆焊層合金元素流失越嚴重,焊接后的殘余應力和變形就越嚴重,同時3道焊的成本也越高,堆焊層及結合部的硬度就越低。

1.1.3 鉤爪齒面堆焊溫度場

本節(jié)在前述分析的基礎上,以方案2且雙孔2道焊為流程,對鉤爪齒面的堆焊順序進行探索,從而最終確定出一種最優(yōu)的方案。表4所示為鉤爪齒面堆焊方案。

表4 鉤爪齒面堆焊方案Table 4 Surf acing plan for latch tooth surf ace

圖5、圖6所示為預熱溫度260℃、雙孔堆 焊兩層2道和齒面三層時的溫度場結果。

圖5 方案1和方案2預熱260℃雙孔2道和齒面3層堆焊完畢后系統(tǒng)的熱場Fig.5 The ther mal field after preheating 260℃double hole t wo way and tooth surface three layer surfacing of scheme 1 and scheme 2

圖6 方案3和方案4預熱260℃雙孔2道和齒面3層堆焊完畢后系統(tǒng)的熱場Fig.6 The ther mal field after preheating 260℃double hole t wo way and tooth surface three layer surfacing scheme 3 and scheme 4

根據(jù)圖5、圖6溫度場的計算結果可以看出,方案1和方案2堆焊完畢后系統(tǒng)的峰值溫度和峰值梯度均處于較低水平,需通過系統(tǒng)的殘余應力分析[3]進一步進行比選。

通過仿真結果可以看出,方案2的峰值應力相對略低,但方案1與方案2的具有基本一致的應力場分布,應力最大值均位于堆焊層與基體的結合處。結合前述溫度場分析,方案2為最優(yōu)方案。

1.1.4 殘余應力場

圖7給出了方案1和方案2堆焊完畢未進行冷卻時的殘余應力場。

1.2 焊炬影響分析

焊接類型采用了射吸式焊炬,并分別選用了2號和3號焊炬,研究其對系統(tǒng)溫度場和應力的影響。圖8、圖9所示為溫度場仿真分析結果。

圖7 方案1和方案2預熱260℃雙孔2道堆焊完畢的殘余應力場Fig.7 Residual stress field after preheating 260℃double hole t wo way surfacing scheme 1 and sche me 2

圖8 方案2預熱260℃雙孔2道堆焊和齒面3層采用不同焊炬形式堆焊后的溫度場Fig.8 Te mperat ure field after surfacing welding in different welding torch f or m of sche me 2

圖9 方案2預熱260℃雙孔2道堆焊和齒面3層采用不同焊炬形式堆焊后的溫度梯度場Fig.9 Te mperat ure gradient field after surfacing welding in different welding torch f or m of sche me 2

通過仿真結果可以看出,3號焊炬堆焊完畢后系統(tǒng)的峰值溫度低于2號焊炬。而從2號和3號焊炬的本身特性看,為了降低熱輸入,堆焊孔時可采用3號焊炬,以彌補在空氣中熱損失,提高熔敷效率;而堆焊齒面時可采用2號焊炬,以降低系統(tǒng)總能量[4]。

圖10、圖11所示為兩種焊炬的殘余應力場仿真結果。通過仿真結果可以看出,3號焊炬堆焊完畢后系統(tǒng)的殘余應力低于2號焊炬。

1.3 連桿堆焊

連桿屬于典型的軸對稱結構,以中間軸線1軸,2軸為對稱軸兩側對稱,考慮到實際焊接過程中的工藝操作性能,在焊接過程中會出現(xiàn)兩種不同的焊接方式,即A1—B1—B2—A2或A1—B1—A2—B2兩種焊接順序方式。現(xiàn)就針對這兩種情況進行模擬。

圖10 方案2預熱260℃雙孔2道堆焊和齒面3層采用2號焊炬形式堆焊后的殘余應力場Fig.10 The residual stress field after surfacing by 2＃welding torch of scheme 2

圖11 方案2預熱260℃雙孔2道堆焊和齒面3層采用3號焊炬形式堆焊后的殘余應力場Fig.11 The residual stress field after surfacing by 3＃welding torch of scheme 2

圖12 連桿有限元模型Fig.12 Finite element model of link rod

溫度場及殘余應力場分析結果見圖13-17。

圖13 A1孔的焊接溫度場Fig.13 Welding temperature field of hole A1

圖14 A2孔的焊接溫度場Fig.14 Welding te mperature field of hole A2

圖15 33S時兩種不同焊接順序下的焊接溫度場分布Fig.15 Distribution of welding temperature field under t wo different welding sequences at 33S

圖16 33S時兩種不同焊接順序下的焊接熱流梯度分布Fig.16 Ther mal gradient distribution of welding under t wo different welding sequences at 3

圖17 33S時兩種不同焊接順序下的應力分布Fig.17 Stress distribution in t wo different welding sequences at 33S

表5匯總了溫度場及應力場的計算結果。

表5 連桿溫度場及應力場結果Table 5 Results of temperature field and stress field of link rod

根據(jù)計算結果,由于連桿結構簡單,堆焊操作相對容易,無論是哪種焊接順序,對溫度場及應力場最終結果影響不大,相對來說順序2焊后殘余應力比順序1的相對較小,因此在焊接過程中采用A1—B1—A2—B2的焊接順序方式更好。

2 試驗驗證

為驗證本文研究成果的正確性與合理性,進行了鉤爪和連桿的試驗件堆焊制造。并利用試驗件進行了累積1 500萬步的控制棒驅動機構整機熱態(tài)壽命試驗。經(jīng)檢測,試驗前后堆焊層硬度無明顯變化,磨損情況見圖18。

由試驗結果可以看出,經(jīng)歷1 500萬步壽命試驗后,鉤爪仍有一定運行余量,充分滿足第三代壓水堆核電機組對控制棒驅動機構易損件600萬步的壽命需求。

3 結論

本文通過對控制棒驅動機構安全性和可靠性起決定作用的關鍵零件 (鉤爪和連桿)的堆焊仿真分析,研究了不同堆焊工藝對堆焊件質量的影響,并進行了樣件制造與試驗驗證,最終得出如下結論:

圖18 試驗后磨損位置示意圖Fig.18 Sketch of wear position after test

1)鉤爪堆焊過程中的最佳方案為:預熱260℃基體,首先交叉堆焊兩個小孔,然后再依次內外堆焊齒面;

2)連桿堆焊過程中的最佳焊接順序為:A1—B1—A2—B2;

3)依據(jù)鉤爪最佳堆焊方案和連桿最佳焊接順序制造出的鉤爪和連桿樣件經(jīng)歷1 500萬步熱態(tài)壽命試驗后,仍有一定運行余量,充分滿足第三代壓水堆核電機組對控制棒驅動機構易損件600萬步的壽命需求。

[1]楊文軍,楊永良.閥門鈷基合金密封面堆焊工藝的分析與研究 [J]．閥門,2014(5):19-22．

[2]武傳松.焊接熱過程與熔池形態(tài) [M]．北京:機械工業(yè)出版社,2007．

[3]戴晴華,季鵬,殷晨波.焊接順序對挖掘機主平臺T型焊殘余應力的影響 [J]．中國制造業(yè)信息化,2011,40(7):34-37．

[4]蘇志東,王德權.核級閥門堆焊鈷基合金工藝的研究[J]．閥門,2000(5):15-18．