1400 MW等級半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸制造技術(shù)

鞏麗，楊達(dá)偉

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

0 引言

核電因其資源消耗少、供應(yīng)能力強(qiáng)、清潔可靠等優(yōu)點(diǎn)，成為與火電、水電并稱的世界三大電力供應(yīng)支柱。為適應(yīng)國內(nèi)外核電市場發(fā)展的需要，東汽開發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的1400 MW等級半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)。作為該核電汽輪機(jī)機(jī)組的重要部件，其低壓內(nèi)缸具有結(jié)構(gòu)尺寸大、加工要求高、制造難度大等特點(diǎn)。本文將圍繞該低壓內(nèi)缸的制造展開，并對加工環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析和總結(jié)。

1 低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

東汽1400 MW等級半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)低壓通流采用雙流對稱布置，其內(nèi)缸通過兩側(cè)支撐裝置與支撐臂的連接實(shí)現(xiàn)落地支撐，見圖1。因此，該低壓內(nèi)缸包括內(nèi)缸本體和兩側(cè)支撐裝置，其中支撐裝置連接于低壓內(nèi)缸下半兩側(cè)，其與內(nèi)缸本體為裝配式結(jié)構(gòu)。

圖1 低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)圖

1400 MW核電汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸是公司目前加工尺寸最大、質(zhì)量最大的低壓內(nèi)缸。該低壓內(nèi)缸具體外形尺寸及質(zhì)量見表1。

表1 低壓內(nèi)缸外形尺寸及質(zhì)量表

由表1可以看出，該內(nèi)缸在裝配兩側(cè)支撐裝置后，其整缸總質(zhì)量高達(dá)246 t，且內(nèi)缸下半橫向總長達(dá)13 m，這對工藝方案的可靠性、設(shè)備的加工能力、制造安全性等均提出了較高要求。

2 工藝難點(diǎn)分析與工藝方案制定

2.1 工藝難點(diǎn)分析

結(jié)合1400 MW等級核電汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將該內(nèi)缸在制造過程中的工藝難點(diǎn)歸結(jié)如下。

2.1.1 內(nèi)缸的變形控制難度大

1400 MW等級核電汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量大，且內(nèi)缸的內(nèi)腔隔板定位槽多，內(nèi)缸在加工過程中容易變形。特別值得注意的是，內(nèi)缸加工過程中上下半的支撐方式不一，尤其是低壓內(nèi)缸下半的支撐位置與總裝狀態(tài)存在差異，造成內(nèi)缸在加工過程中的撓度變形不一致，加工后上下半內(nèi)腔隔板定位槽及汽封槽易產(chǎn)生軸向和徑向錯(cuò)位。因此，有必要對該低壓內(nèi)缸制定合理的總體工藝方案，盡可能減小汽缸變形。

2.1.2 支撐裝置與內(nèi)缸接配面加工及裝配難度大

1400 MW等級核電汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸采用裝配式結(jié)構(gòu)，即內(nèi)缸兩側(cè)分別與支撐裝置通過多個(gè)螺栓進(jìn)行連接，同時(shí)，內(nèi)缸與支撐裝置的兩接配端面的接觸要求較高，故支撐裝置及內(nèi)缸接配端面的加工要求以及兩者的裝配要求均很高，且其加工及裝配質(zhì)量會(huì)對機(jī)組質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。在制造過程中，其技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩方面：（1）端面加工面積大，平面度要求高，加工難度大；（2）支撐裝置內(nèi)部布置有多處斜置拉筋，其內(nèi)部操作空間相當(dāng)有限，拆裝支撐裝置具有一定的技術(shù)難度。因此需要對內(nèi)缸及支撐裝置接觸面等制定合理有效的加工及裝配方案，提高生產(chǎn)效率。

2.1.3 內(nèi)缸制造過程中的吊運(yùn)難度大

1400 MW等級核電汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸的整缸質(zhì)量高達(dá)246 t，且在制造過程中需要進(jìn)行多次翻身吊運(yùn)，如單半翻身起吊、整缸翻身起吊、機(jī)床上/下活以及裝配支撐裝置時(shí)的吊運(yùn)等。為確保此類超大、超重部件的起吊翻身安全，必須結(jié)合公司現(xiàn)有廠房吊車能力制定合理有效的翻身吊運(yùn)方案，并針對各重點(diǎn)加工環(huán)節(jié)制定相應(yīng)的吊運(yùn)方案。

2.2 總體工藝方案

通過上述分析，并結(jié)合公司核電制造經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備加工能力，確定該低壓內(nèi)缸的總體工藝方案如下：

劃線→半精銑中分面→粗鏜垂直法蘭端面，作為基準(zhǔn)→合并上下半→粗車垂直法蘭端面及內(nèi)腔隔板各開檔→拆開上下半→堆焊→劃線→鏜內(nèi)缸兩側(cè)大端面、加工端面各孔→裝兩側(cè)支撐裝置→精銑水平中分面、加工中分面聯(lián)接孔→合并上下半，檢查中分面間隙→合格后加工中分面銷孔、裝銷→鉗工拆兩側(cè)支撐裝置→精車內(nèi)腔隔板定位環(huán)、垂直接配面→拆開上下半→裝配兩側(cè)支撐裝置、點(diǎn)焊螺釘→鏜削內(nèi)缸內(nèi)腔壓板槽、定位槽、背部管口、兩側(cè)支撐裝置處法蘭、缺口等。

3 關(guān)鍵制造技術(shù)

3.1 支撐裝置與內(nèi)缸接配面的加工及裝配技術(shù)

3.1.1 支撐裝置與內(nèi)缸接配面的加工技術(shù)

支撐裝置與內(nèi)缸接配面的相關(guān)加工內(nèi)容較多，可以細(xì)分為以下各項(xiàng)：（1）支撐裝置接配面加工：（a）大端面及止口小端面加工，（b）端面孔加工；（2）內(nèi)缸接配面加工：（a）大端面加工，（b）端面孔加工。

支撐裝置與內(nèi)缸接配面的加工要求較高，具體體現(xiàn)在：（1）位置公差方面：各接配大端面平面度要求為0.05/1000，支撐裝置止口小端面與大端面的垂直度要求為0.1；（2）接觸要求方面：內(nèi)缸與支撐裝置大端面要求接觸面積達(dá)到60%以上，且0.05 mm塞尺不入；內(nèi)缸與支撐裝置止口小端面要求接觸面積達(dá)到75%以上，且0.03 mm塞尺不入；

首臺試制后，支撐裝置與內(nèi)缸接配面的加工關(guān)鍵點(diǎn)如下：

（1）由于支撐裝置背部筋板距離部分孔的理論長度較近，考慮到螺栓安裝工具的外形尺寸，連接螺栓的孔位布置受支撐裝置背部筋板位置限制。因此，必須先加工支撐裝置及其端面各孔，再根據(jù)支撐裝置孔位確定內(nèi)缸接配面上的孔位布置。

（2）支撐裝置與內(nèi)缸接配面的加工均采用數(shù)控鏜床完成。為確保大端面的平面度，經(jīng)試驗(yàn)，最終確定接配大端面的加工流程為：粗銑大端面、底面→設(shè)零點(diǎn)，并記錄零點(diǎn)坐標(biāo)→銑卸荷槽→精銑大端面→按孔位坐標(biāo)點(diǎn)孔，鉆孔→各通孔刮面。由于大端面面積較大，約2700 mm×3200 mm，在精銑過程中，需在卸荷槽位置進(jìn)行換刀操作，以確保大端面的平面度滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）支撐裝置與內(nèi)缸接配面的孔加工應(yīng)特別注意孔位的確認(rèn)。首先應(yīng)完成支撐裝置上各孔的加工，具體為：在支撐裝置上每列選一孔預(yù)鉆至φ32通孔→檢查筋板附近孔至筋板的距離，調(diào)整確定孔位→加工端面各孔及刮面。其后，根據(jù)支撐裝置的孔位調(diào)整情況，確定內(nèi)缸支撐端面的孔位坐標(biāo)。支撐裝置及低壓內(nèi)缸下半的加工圖分別見圖2、 圖3。

圖2 支撐裝置加工圖

圖3 低壓內(nèi)缸下半加工圖

3.1.2 支撐裝置裝配技術(shù)

1400 MW等級核電汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸支撐裝置通過多個(gè)M52通孔螺栓和栽絲螺栓實(shí)現(xiàn)與內(nèi)缸把和，其螺栓擰緊力矩為4250 N·m。支撐裝置裝配后，其端面及止口面均有接觸面積和間隙要求。支撐裝置的裝配關(guān)鍵點(diǎn)主要有：

（1）低壓內(nèi)缸裝配支撐裝置時(shí)的工位確定。

在低壓內(nèi)缸的加工過程中，支撐裝置需要進(jìn)行兩次裝配，第一次裝配是在精銑內(nèi)缸中分面前，在深坑合缸后拆除；第二次裝配為正式裝配，即在內(nèi)缸精車后裝支撐裝置，之后不再拆除。

在首臺試制過程中，支撐裝置的安裝均在低壓內(nèi)缸下半中分面向下的狀態(tài)下進(jìn)行。在這個(gè)工位下，低壓內(nèi)缸按四點(diǎn)支撐，同時(shí)要求找平中分面。支撐裝置由于自重等因素，其接觸檢查等可操作性大大提高，裝配過程中吊車也易于配合。在支撐裝置與內(nèi)缸大端面接觸并貼合好后，在支撐裝置下半擺放液壓千斤頂輔助支撐，同時(shí)吊車輔助，按順序依次把緊各連接螺栓。當(dāng)然，在接觸檢查過程中仍存在拆支撐裝置的工序，但其操作方法和要領(lǐng)與裝支撐裝置類似。

支撐裝置的拆除在低壓內(nèi)缸深坑合缸后進(jìn)行，因此拆除支撐裝置時(shí)低壓內(nèi)缸處于立放工位，見圖4。

另外，在支撐裝置裝配操作過程中應(yīng)特別注意保護(hù)支撐裝置與低壓內(nèi)缸的接配面，防止該面在起吊過程中磕碰拉傷。

（2）支撐裝置藍(lán)油接觸檢查。

支撐裝置與內(nèi)缸間的接觸要求通過藍(lán)油接觸進(jìn)行檢查 （見圖5）。在操作中要求支撐裝置各螺栓擰緊力矩按3000 N·m執(zhí)行，同時(shí)要求螺栓全部把和，試驗(yàn)效果良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 支撐裝置拆卸圖

圖5 支撐裝置藍(lán)油檢查

3.2 低壓內(nèi)缸中分面銑削技術(shù)

低壓內(nèi)缸中分面銑削集中在龍門銑上進(jìn)行，其加工要點(diǎn)主要體現(xiàn)在支撐方式、排刀方式等方面。從加工的經(jīng)濟(jì)性和可操作性出發(fā)，低壓內(nèi)缸下半中分面粗銑加工時(shí)并未裝配兩側(cè)的支撐裝置，內(nèi)缸的支撐點(diǎn)位于兩側(cè)大端面的下方，見圖6。為確保中分面精加工支撐狀態(tài)與總裝狀態(tài)接近，減小汽缸撓度影響，精銑下半中分面時(shí)，內(nèi)缸下半均支撐在兩側(cè)支撐裝置法蘭下方，支點(diǎn)位置同支撐臂與支撐裝置的連接點(diǎn)重合，見圖7。

另外，由于低壓內(nèi)缸下半兩側(cè)支撐裝置的上端面高出內(nèi)缸中分面約400 mm，下半中分面采用Y向排刀方式。經(jīng)首臺試刀，并未出現(xiàn)傾刀現(xiàn)象，該方案驗(yàn)證可行。

圖6 低壓內(nèi)缸粗銑中分面支撐圖

圖7 低壓內(nèi)缸精銑 中分面支撐圖

3.3 低壓內(nèi)缸車削技術(shù)

1400 MW等級核電汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸的各端面、開檔加工均通過立車工序完成，同時(shí)，該低壓內(nèi)缸各隔板槽開檔均要求焊堆焊層。通過首臺驗(yàn)證，其工藝關(guān)鍵點(diǎn)如下：

（1）開檔堆焊層厚度的保證。因低壓內(nèi)缸外形尺寸大，質(zhì)量大，且開檔堆焊層在精車后的厚度值精度要求高，為避免因汽缸變形、自重、裝夾等因素對堆焊層厚度的影響，在車削堆焊層開檔時(shí)要求各軸向尺寸均按上差控制。

（2）立車配重方案的確定。由于該內(nèi)缸并不是上下半對稱結(jié)構(gòu)，其整缸重心位于汽缸下半，為確保精車的車削質(zhì)量，根據(jù)該內(nèi)缸實(shí)際質(zhì)量分布確定具體配重方案，見圖8。在該方案中明確了配重塊總重為2 t，且擺放在內(nèi)缸上半內(nèi)部，距離中分面2400 mm左右的位置。

圖8 低壓內(nèi)缸立車配重圖

圖9 低壓內(nèi)缸立車上活示意圖

（3）立車上下活方案的確認(rèn)。低壓內(nèi)缸在深坑合缸并拆除兩側(cè)支撐裝置后，需完成立車的整缸上活。由于該低壓內(nèi)缸外形大，質(zhì)量高達(dá)200 t，已接近立車極限，且立車上活過程中鋼絲繩易與立車橫梁及擋油板等干涉，因此，必須制定切實(shí)可行的上下活方案。經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)，最終確定立車上活方案，見圖9，即汽缸立放，吊車主鉤將鋼絲繩掛于內(nèi)缸下半中分面兩側(cè)吊耳處。同時(shí)，內(nèi)缸下半垂直法蘭吊耳處鋼絲繩掛于吊車副鉤上，該鋼絲繩在主鉤將汽缸起吊抬起后，用于輔助平衡。上活時(shí)，主鉤抬起內(nèi)缸，將內(nèi)缸吊離地面50～100 mm。旋轉(zhuǎn)內(nèi)缸，調(diào)整內(nèi)缸位置，確保內(nèi)缸中分面與立車橫梁方向平行，且主、副鉤與立車的相對位置見圖9。主鉤抬起內(nèi)缸，副鉤輔助，將內(nèi)缸抬至立車花盤處，緩慢靠近，并緩緩下降內(nèi)缸高度。在內(nèi)缸擺放至立車花盤的過程中，注意監(jiān)控中分面兩側(cè)吊耳處鋼絲繩，確保該鋼絲繩不與立車橫梁及擋油板接觸。立車下活時(shí)，鋼絲繩使用及起吊過程與立車上活類似。在低壓內(nèi)缸的吊運(yùn)過程中，應(yīng)特別注意對低壓內(nèi)缸兩側(cè)大端面的保護(hù)。

4 結(jié)語

本文在對1400 MW等級核電汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝難點(diǎn)深入分析的基礎(chǔ)上，通過首臺試制，解決了低壓內(nèi)缸制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，總結(jié)出了一套完整、高效的核電低壓內(nèi)缸加工技術(shù)，為后續(xù)同類型汽缸生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

[1]高宏喜.東方自主大型核電汽輪機(jī)總體方案[J].東方汽輪機(jī)，2014，（1）：1-6.