AP1000核電機(jī)組堆內(nèi)構(gòu)件吊籃筒體出口管嘴修配技術(shù)

秦晨曉

上海第一機(jī)床廠有限公司 上海 201308

1 研究背景

AP1000核電機(jī)組運(yùn)用第三代非能動(dòng)性核電技術(shù)，為當(dāng)今世界上最安全的核電堆型之一。堆內(nèi)構(gòu)件是核島主設(shè)備，堆內(nèi)構(gòu)件分為上部堆內(nèi)構(gòu)件和下部堆內(nèi)構(gòu)件兩部分。吊籃筒體是下部堆內(nèi)構(gòu)件的主要組成部分，由一個(gè)吊籃筒體法蘭、一個(gè)上筒體、兩個(gè)出口管嘴、一個(gè)中筒體、一個(gè)下筒體、一個(gè)下堆芯支承板和四個(gè)徑向支撐鍵焊接組成[1-3]，如圖1所示。

堆內(nèi)構(gòu)件吊籃筒體的兩個(gè)出口管嘴位于90°和270°軸線。出口管嘴外圓弧面的直徑由制造廠按設(shè)計(jì)要求，根據(jù)反應(yīng)堆壓力容器出口管嘴內(nèi)圓弧面的實(shí)測(cè)直徑配作加工而成。吊籃筒體出口管嘴與壓力容器出口管嘴之間的冷態(tài)間隙值在直徑方向上應(yīng)在4.318±0.127mm范圍內(nèi)，即吊籃筒體與壓力容器兩個(gè)出口管嘴的間隙值應(yīng)在 4.191～4.445mm 之間。吊籃筒體與壓力容器出口管嘴的間隙如圖2所示。

經(jīng)采用有限元計(jì)算分析后發(fā)現(xiàn)，吊籃筒體出口管嘴外圓弧面在熱態(tài)時(shí)的膨脹不均勻，而且超出了原先的計(jì)算。換言之，原設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致吊籃筒體出口管嘴與壓力容器出口管嘴在熱態(tài)運(yùn)行工況下產(chǎn)生接觸[4]。

鑒于以上問(wèn)題，需要在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)手工打磨的方法，對(duì)吊籃筒體出口管嘴的外圓弧面再次進(jìn)行修配，使其與壓力容器出口管嘴在熱態(tài)運(yùn)行時(shí)的間隙不小于0.5334mm，并且不大于1.041mm[5-6]。

圖1 吊籃筒體

圖2 吊籃筒體與壓力容器出口管嘴間隙

2 修配技術(shù)

吊籃筒體出口管嘴的修配分為四個(gè)步驟： 第一步，確定出口管嘴的打磨量；第二步，確定有效的測(cè)量方法；第三步，對(duì)出口管嘴進(jìn)行打磨；第四步，對(duì)修配完成后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 打磨量確定

在吊籃筒體出口管嘴修配前，首先要確定管嘴外圓弧面上每個(gè)區(qū)域的打磨量。每個(gè)管嘴上設(shè)置36個(gè)測(cè)量點(diǎn)，36個(gè)測(cè)量點(diǎn)位于管嘴面12處的內(nèi)、中、外三個(gè)圓周上，如圖3所示。測(cè)量視角為人站在吊籃筒體外，朝向吊籃筒體的軸心方向。

根據(jù)圖3所示的測(cè)量點(diǎn)，將管嘴劃分成36個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都根據(jù)要求的打磨量進(jìn)行打磨和測(cè)量，如圖4所示。

根據(jù)吊籃筒體出口管嘴與壓力容器出口管嘴的原始間隙和熱態(tài)運(yùn)行時(shí)的間隙要求進(jìn)行計(jì)算，確定吊籃筒體90°和270°出口管嘴的打磨量，分別見(jiàn)表1和表2。

2.2 測(cè)量方法

2.2.1 測(cè)量方法初步確定

在二代加核電機(jī)組堆內(nèi)構(gòu)件吊籃筒體出口管嘴的修配過(guò)程中，通常采用刀口形直尺和塞尺結(jié)合的方式對(duì)打磨量進(jìn)行測(cè)量，這種方法對(duì)圓弧面的測(cè)量精度較差，很難達(dá)到要求。

隨著精密電子光學(xué)儀器的應(yīng)用普及，測(cè)量人員已經(jīng)在精密電子光學(xué)儀器的測(cè)量操作上積累了足夠的經(jīng)驗(yàn)。在綜合考慮了出口管嘴打磨量的測(cè)量精度要求和現(xiàn)場(chǎng)工況后，測(cè)量人員初步確定使用激光跟蹤儀對(duì)AP1000核電機(jī)組堆內(nèi)構(gòu)件吊籃筒體出口管嘴打磨量進(jìn)行測(cè)量。

打磨操作會(huì)使受到打磨的位置發(fā)熱，造成打磨位置材料膨脹，因此每次打磨完成后，需要等吊籃筒體出口管嘴的溫度降低到與環(huán)境溫度相同后，再進(jìn)行打磨量的測(cè)量[7-9]。

2.2.2 測(cè)量偏差問(wèn)題

最初制訂的出口管嘴打磨量測(cè)量方法為，使用激光跟蹤儀測(cè)量打磨前與打磨后的出口管嘴半徑，兩個(gè)數(shù)值的差值即為出口管嘴的實(shí)際打磨量。

但是受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的制約，出口管嘴打磨過(guò)程中環(huán)境溫度并不是恒定的，最大溫差會(huì)達(dá)到5℃，儀器距離被測(cè)工件則為5m。由于吊籃筒體的材料為奧氏體不銹鋼，出口管嘴的半徑尺寸受溫度變化的影響較大，管嘴圓弧面的理論直徑達(dá)到3780mm，理論半徑為1890mm，通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)得的管嘴半徑值會(huì)隨出口管嘴溫度的升高和降低而變化。并且由于吊籃筒體的形狀不規(guī)則，每個(gè)區(qū)域的變化量是不均勻的，很難通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接

圖3 測(cè)量點(diǎn)

圖4 打磨區(qū)域

轉(zhuǎn)化。根據(jù)模擬試驗(yàn)的結(jié)果分析，在溫度降低 2℃ 的情況下，實(shí)測(cè)的半徑減小了0.1～0.2mm，因此，根據(jù)模擬試驗(yàn)，總結(jié)出最大測(cè)量變化量的經(jīng)驗(yàn)公式為：

(1)

式中：δ為隨溫度變化的測(cè)量變化量，mm；R為出口管嘴半徑，mm；ΔT為溫差，℃。

根據(jù)式(1)計(jì)算，當(dāng)兩次測(cè)量時(shí)的溫差達(dá)到5℃時(shí)，最大測(cè)量變化量將達(dá)到0.5mm，不滿足出口管嘴打磨的測(cè)量精度要求。

表1 90°出口管嘴打磨量

表2 270°出口管嘴打磨量

2.2.3 測(cè)量方法最終確定

為了解決因測(cè)量溫差造成的測(cè)量偏差問(wèn)題，檢驗(yàn)人員對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的測(cè)量方法為，在每個(gè)打磨區(qū)域內(nèi)保留一處約10mm×10mm 的區(qū)域作為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，這些基準(zhǔn)點(diǎn)在其它區(qū)域打磨至滿足要求后再最終打磨去除。每次打磨完成后，測(cè)量每個(gè)區(qū)域的打磨量時(shí)，先測(cè)量該區(qū)域內(nèi)基準(zhǔn)點(diǎn)的半徑，以基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)測(cè)半徑作為基準(zhǔn)，再測(cè)量該區(qū)域內(nèi)打磨測(cè)量點(diǎn)的半徑，兩半徑之差即為實(shí)際打磨量。

采用改進(jìn)后的方法進(jìn)行測(cè)量，基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)際半徑是不變化的，由于溫差相同，激光跟蹤儀測(cè)量得到的基準(zhǔn)點(diǎn)與周邊打磨區(qū)域的半徑受到溫差影響的變化量也是基本相同的。

設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)的半徑為R1，變化量為δ1，打磨位置的半徑為R2，變化量為δ2，由式(1)得：

(2)

(3)

打磨量隨溫度變化的變化值為：

(4)

采用這一方法對(duì)吊籃筒體出口管嘴的打磨量進(jìn)行測(cè)量，在環(huán)境溫度變化較小的情況下，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響非常小，能夠滿足出口管嘴修配的精度要求。

2.3 打磨方法

由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，吊籃筒體出口管嘴外圓的修配只能通過(guò)手工打磨完成，工人使用電動(dòng)磨光機(jī)安裝鋁基砂輪和拋光輪對(duì)吊籃筒體出口管嘴的外圓打磨區(qū)域進(jìn)行打磨。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，只能在吊籃筒體的一個(gè)出口管嘴位置搭設(shè)打磨操作的工作臺(tái)位，因此90°和270°出口管嘴的打磨操作需要先后進(jìn)行，無(wú)法同時(shí)開(kāi)展。在完成90°出口管嘴的打磨操作后，需要將吊籃筒體吊轉(zhuǎn)180°，再進(jìn)行270°出口管嘴的打磨。

2.3.1 準(zhǔn)備工作

在執(zhí)行出口管嘴打磨操作前，需要對(duì)吊籃筒體現(xiàn)有的腳手架進(jìn)行改制，搭設(shè)工作臺(tái)位，工作臺(tái)位應(yīng)便于工人的打磨操作，如圖5所示。出口管嘴打磨操作會(huì)產(chǎn)生大量的金屬屑和粉塵等異物，為防止異物對(duì)產(chǎn)品造成污染，需要使用三防布對(duì)工作臺(tái)位四周和上下進(jìn)行隔離，并在出口管嘴內(nèi)孔安裝擋板，建立隔離區(qū)，同時(shí)利用抽風(fēng)設(shè)備進(jìn)行換氣及隔離區(qū)內(nèi)異物的清除。

圖5 工作臺(tái)位

2.3.2 打磨區(qū)域的劃定

出口管嘴打磨區(qū)域的劃定方法為將定制的圓規(guī)安裝在吊籃筒體出口管嘴內(nèi)孔，每次打磨操作開(kāi)始前，利用安裝在圓規(guī)上的記號(hào)筆，按照?qǐng)D3和圖4所示的距離要求，劃定出口管嘴打磨區(qū)域的分界線和測(cè)量點(diǎn)位置，如圖6所示。在每個(gè)打磨區(qū)域內(nèi)畫(huà)出需要保留的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，以便于打磨量的測(cè)量，如圖7所示。

圖6 打磨區(qū)域分界線和測(cè)量點(diǎn)位置

圖7 測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)

2.3.3 打磨厚度標(biāo)記

在每次出口管嘴打磨前，為便于控制打磨量，利用可調(diào)式樣沖在各打磨區(qū)域內(nèi)的隨機(jī)點(diǎn)位做相應(yīng)深度的沖孔標(biāo)記，每處標(biāo)記間隔約20mm。用百分表實(shí)測(cè)沖孔標(biāo)記深度，如沖孔標(biāo)記實(shí)際深度與理論深度誤差超過(guò)0.05mm，則在臨近區(qū)域重新作沖孔標(biāo)記。沖孔標(biāo)記及沖孔深度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

圖8 沖孔標(biāo)記及沖孔深度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

2.3.4 打磨步驟

由于手工打磨存在誤差，因此為確保打磨精度，吊籃筒體出口管嘴的打磨分為初步打磨、二次打磨和最終打磨共三個(gè)階段進(jìn)行。每次打磨完成后，通過(guò)前文所述測(cè)量方法，對(duì)下一次的打磨值進(jìn)行修正。

2.3.5 初步打磨

初步打磨時(shí)，將每個(gè)打磨量超過(guò)0.3mm的區(qū)域打磨至剩余打磨量約0.3mm，對(duì)于總打磨量小于 0.3mm 的區(qū)域，則暫時(shí)不做打磨操作。根據(jù)以上規(guī)則，初步打磨的打磨量見(jiàn)表3、表4。表格中的目標(biāo)為該區(qū)域要求的總打磨量，第一次指初步打磨的打磨量。需要注意的是，不打磨測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)所在區(qū)域。

初步打磨完成，工件與環(huán)境溫度等溫后，按照前文所述測(cè)量方法，使用激光跟蹤儀對(duì)初步打磨的實(shí)際打磨量進(jìn)行測(cè)量。

表3 90°出口管嘴初步打磨量

表4 270°出口管嘴初步打磨量

2.3.6 二次打磨

二次打磨在初步打磨的基礎(chǔ)上，將除測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)外的所有區(qū)域打磨至最終要求。二次打磨的打磨量根據(jù)初步打磨的實(shí)際打磨量確定，具體的打磨方法與初步打磨相同。二次打磨完成，工件與環(huán)境溫度等溫后，仍按前文所述測(cè)量方法對(duì)打磨量進(jìn)行測(cè)量。

如二次打磨完成后，測(cè)得的實(shí)際打磨量不足，則根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，繼續(xù)進(jìn)行打磨，直至達(dá)到最終打磨量。

2.3.7 最終打磨

最終打磨的目的是去除測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)和改善出口管嘴打磨的表面粗糙度。出口管嘴打磨的表面粗糙度要求為Ra3.2，因此需要在打磨完成后對(duì)出口管嘴表面進(jìn)行拋光[10]。

3 數(shù)據(jù)分析

表5 90°出口管嘴實(shí)際打磨量

表6 270°出口管嘴實(shí)際打磨量

將吊籃筒體吊入壓力容器，再次測(cè)量吊籃筒體與壓力容器出口管嘴之間的間隙。打磨后的理論間隙和實(shí)際間隙數(shù)據(jù)見(jiàn)表7、表8。由于吊籃筒體每次吊入壓力容器定位后，都會(huì)存在約 ±0.25mm 的重復(fù)定位偏差，因此打磨后出口管嘴實(shí)際的間隙與理論間隙之間存在一定的誤差，最大誤差為0.465mm，但整體仍與理論值保持一致。

表7 90°出口管嘴與壓力容器出口管嘴間隙

表8 270°出口管嘴與壓力容器出口管嘴間隙

根據(jù)最終的出口管嘴間隙數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換后的熱態(tài)間隙數(shù)據(jù)見(jiàn)表9?？梢钥吹剿形恢玫臒釕B(tài)間隙均大于0.5334mm的最小間隙要求，并且最大熱態(tài)間隙為0.861mm，小于1.041mm的最大間隙要求。

表9 出口管嘴熱態(tài)間隙

4 結(jié)論

吊籃筒體出口管嘴修配所采用的測(cè)量方法是在每個(gè)打磨區(qū)域保留基準(zhǔn)點(diǎn)，利用激光跟蹤儀測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)與打磨區(qū)域的半徑，并通過(guò)半徑差計(jì)算得到實(shí)際打磨量。根據(jù)實(shí)際打磨后的測(cè)量結(jié)果分析，采用此測(cè)量方法，受環(huán)境溫度影響極小，得到的測(cè)量精度比傳統(tǒng)的測(cè)量方法高。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果和最終的熱態(tài)間隙分析，吊籃筒體出口管嘴修配過(guò)程所采用的打磨方法、畫(huà)線方法、沖孔標(biāo)記方法能夠有效控制打磨量，且能夠滿足出口管嘴修配的精度要求。

筆者對(duì)AP1000第三代核電機(jī)組堆內(nèi)構(gòu)件吊籃筒體出口管嘴外圓弧面在現(xiàn)場(chǎng)的最終修配具有實(shí)用價(jià)值，并已在AP1000核電機(jī)組堆內(nèi)構(gòu)件的制造中得到應(yīng)用和推廣。

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