核電汽輪機(jī)高中壓汽缸中分面組合加工探究及設(shè)計優(yōu)化

謝龍飛 劉祥 張斌 吳攀 羅霞

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 引言

東汽引進(jìn)型1 000 MW 級和1 755 MW 核電汽輪機(jī)技術(shù)先進(jìn)， 已投運多臺。 自主三代 “華龍一號” 核電汽輪機(jī)首臺2020 年投運， CAP1400 在制1 臺。 各機(jī)型一般由1 個高中壓、 2～3 個低壓模塊組成， 見圖1。 高中壓汽缸是機(jī)組的核心部件，其制造精度、 設(shè)計質(zhì)量直接影響機(jī)組的裝配和運行。 由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 精度高， 另受產(chǎn)量波動、 毛坯交貨期、 生產(chǎn)安排等因素的影響， 特別是原加工技術(shù)的權(quán)威性依舊， 以致目前實施的加工工藝方案與原工藝大同小異， 其制造過程復(fù)雜， 亟待解決的問題較多。 具體表現(xiàn)在工藝方案陳舊， 合缸精度低， 加工成本高， 生產(chǎn)周期長， 勞動強(qiáng)度大， 與用戶要求差距大， 自主型工藝性較差， 故優(yōu)化制造過程和設(shè)計結(jié)構(gòu)刻不容緩。 本文通過對高中壓汽缸的工作狀態(tài)、 加工方式等方面的深入研究， 提出了先進(jìn)的工藝方案和設(shè)計優(yōu)化措施，有效減小了各種變形對制造精度影響， 技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖1 引進(jìn)型1 755 MW 核電汽輪機(jī)縱剖面圖

1 高中壓汽缸簡介

1.1 設(shè)計結(jié)構(gòu)及工作特點

高中壓汽缸為合體單層缸， 由上下半、 前后部組成， 前部是高壓汽缸， 后部是中壓排汽缸，各機(jī)型結(jié)構(gòu)接近。 垂直接配面用螺栓連接， 面密封通過封焊內(nèi)腔接配面實現(xiàn)。 上下半通過中分面上的螺栓把合， 面密封通過螺栓緊力和中分面的平面精度保證。 HP 及IP 蒸汽通道對置， HP 和IP蒸汽進(jìn)汽口位于缸的中部， 排汽口在兩端， 缸內(nèi)裝有隔板、 汽封體、 導(dǎo)流環(huán)、 轉(zhuǎn)子等零部件， 轉(zhuǎn)子的支點在汽缸兩端的軸承箱上。 工作時， 高中壓汽缸通過上半貓爪支撐在軸承箱上， 固定在前后軸承箱上的縱、 橫向鍵與汽缸上的鍵槽配合。汽缸的軸向定位死點由中壓排汽缸下半貓爪上的橫向鍵槽與此側(cè)軸承箱上的橫鍵構(gòu)成， 汽缸在橫向相對于過轉(zhuǎn)子軸線的垂直面自由膨脹， 汽缸在軸向沿機(jī)頭自由膨脹。 考慮到汽缸處于熱態(tài)工作，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面盡可能做到對稱， 汽缸形狀及蒸汽進(jìn)汽口、 排汽口位置的設(shè)計充分考慮了熱變形因素， 并能在任何熱變形情況下保證各接配面密封。 引進(jìn)型1 000 MW 級高中壓汽缸材料為GX18CrMo2-6 低合金鋼， 華龍一號、 CAP1400 和1 755 MW 為GX8CrNi12 不銹鋼。

1.2 總裝狀態(tài)及支撐方式

總裝時， 汽缸下半四只貓爪通過墊片、 平面千斤頂支撐在軸承箱或工藝墊箱上， 缸內(nèi)裝有高壓后汽封體、 高壓排汽導(dǎo)流環(huán)、 高壓隔板、 高中壓間汽封體、 中壓隔板、 中壓排汽導(dǎo)流環(huán)、 中壓后汽封體等零部件， 總裝時， 下半承受的外力大，變形也大。

1.3 汽缸尺寸、 重量及形狀

自主及引進(jìn)型高中壓汽缸長×寬×高≈（10 270～11 650）mm×（6 580 ～7 520）mm×（6 950 ～7 490）mm，重242.5～340.4 t，實際略重5%～7%。 圖2～4 分別 是1 000 MW 級、1 755 MW、 華 龍 一 號 和CAP1400 高中壓汽缸模型，缸的尺寸、重量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與機(jī)組功率大小成正比。

圖2 引進(jìn)型1 000 MW 級高中壓汽缸模型

圖3 引進(jìn)型1 755 MW 高中壓汽缸模型

圖4 華龍一號、 CAP1400 高中壓汽缸模型

1.4 主要技術(shù)要求

（1）中分面、垂直接配面平面度0.05 mm/1 000 mm， 接刀臺階＜0.005 mm， 把1/3 螺栓， 間隙均＜0.04 mm。 中分面藍(lán)油接觸檢查方法及要求： ①清洗中分面； ②在上半中分面涂上藍(lán)油； ③合并把緊上下半； ④拆開上半， 檢查下半中分面著色情況。 以下結(jié)果判為合格： ①無內(nèi)外貫通， A、 B 區(qū)域無貫通； ②下半著色面積≥80%； ③不影響密封的邊緣區(qū)域無著色； ④在2 個螺栓孔之間和單個螺栓孔周向無貫通； ⑤垂直接配面處的C 區(qū)域，如內(nèi)、 外側(cè)中分面間隙≤0.03 mm， 允許單側(cè)貫通， 但軸向長度須＜100 mm， 見圖5。

圖5 高中壓汽缸藍(lán)油接觸檢查

（2）高壓汽缸隔板、 導(dǎo)流環(huán)、 汽封體定位面平面度及相互間平行度0.05 mm， 定位面對中分面垂直度0.1 mm； 垂直接配面與相鄰隔板定位面平行度0.1 mm。

（3）中壓排汽缸垂直接配面對中分面垂直度0.25 mm； 隔板、 導(dǎo)流環(huán)、 汽封體定位面平面度0.05 mm， 各定位面對垂直接配面平行度0.1 mm。

（4）上下半隔板、 導(dǎo)流環(huán)定位面軸向錯位＜0.1 mm； 高中壓間汽封體定位面（后稱定位環(huán)）軸向錯位0； 高中壓后汽封體定位面軸向錯位＜0.05 mm。

（5）高中壓后汽封檔同柱度和對中分面位置度為0.1 mm， 其余內(nèi)孔對中分面位置度和對汽封檔同柱度0.5 mm。

（6）四缸接配后， 高中壓后汽封檔同柱度0.05 mm； 中分面錯位＜0.02 mm， 按≤0.01 mm 手工修平中分面密封焊縫和錯位。

（7）中分面、 垂直接配面粗糙度Ra1.6 μm，隔板、 導(dǎo)流環(huán)、 汽封體定位面Ra3.2 μm。

（8）水壓試驗。

2 高中壓汽缸目前工藝方案

高中壓汽缸目前實施的工藝方案是中分面分缸加工， 垂直接配面和后汽封檔合缸加工。 汽缸來料狀態(tài)粗加工完， 單面6 mm 余量， 材料是不銹鋼的， 沒堆焊工序。

2.1 高壓汽缸加工流程

來料—劃線—加工堆焊面—堆焊—劃線—負(fù)荷分配， 龍門銑加工中分面各部位、 內(nèi)腔， 合鏜后汽封檔—鏜床合銑垂直接配面各部位—水壓試驗—加工收尾—總裝。

2.2 中壓排汽缸加工流程

來料—劃線—負(fù)荷分配， 鏜床加工中分面各部位—上下半合并—立車加工垂直接配面、 各內(nèi)孔—水壓試驗—加工收尾—總裝。

2.3 目前工藝方案存在的主要問題

現(xiàn)行工藝方案最大問題是加工變形太大。 考慮到垂直接配面有密封要求， 故上下整體加工?？傃b時， 按工作狀態(tài)， 先接下半， 然后扣合上半并接配， 總裝與加工剛好相反。

2.3.1 高壓汽缸部分工序弊端

（1）上下半同時上龍門銑， 中分面向上， 精加工中分面各部位、 內(nèi)孔等， 垂直接配面留2 mm 余量， 支撐點與總裝不一致。

（2）在地坑鉆床合鉸中分面錐銷孔， 支撐點與總裝不一致。

（3）鏜床合缸精銑垂直接配面。 當(dāng)下半按龍門銑支撐方式就位， 把合好上半后， 檢查垂直接配面平面度， 下半45°方向約0.2 mm； 整個接配面平面度由約0.1 mm 變大至約0.3 mm， 分析變形原因， 是上半太重使下半變形， 上半變形不大， 現(xiàn)狀精銑垂直接配面。 拆開上半， 下半垂直接配面平面度約0.2 mm。

2.3.2 中壓排汽缸部分工序弊端

（1）以垂直接配面頂部、 左右三點為支撐點，鏜床精銑中分面， 變形方向與總裝相差90°。

（2）在地坑鉆床合鉸中分面錐銷孔， 上下半把合前， 中分面最大間隙0.17 mm。 同類缸在龍門銑平放加工中分面， 間隙一般＜0.05 mm。

（3）立車工序， 中分面處于垂直狀態(tài)加工垂直接配面、 內(nèi)孔等部位。 因汽缸剛性差， 支撐點、壓緊點的選擇受限， 自重變形方向與總裝相差90°， 上下兩半間又相互帶力， 加上夾緊力作用，精車后拆開上下半， 其垂直接配面平面度較差且與中分面不垂直， 當(dāng)與高壓汽缸接配后， 平面度誤差又轉(zhuǎn)移到中分面。

2.3.3 合缸精度

高壓汽缸上下半各自與中壓排汽缸接配后，中分面會有±0.010～±0.025 mm 平行或交叉錯位，此錯位和密封焊縫采用手工修平， 藍(lán)油著色檢查接觸， 最好情況是接近合格。 在個別電廠， 此部位出現(xiàn)過漏汽事故。 總裝時， 因支撐點與加工不吻合和加工中的累積誤差， 5 種機(jī)型的高中壓汽缸下半， 中分面撓度為0.85～1.15 mm； 自由狀態(tài)中分面間隙： 空缸0.6～0.9 mm， 實缸0.8～1.3 mm；定位面最大軸向錯位： 空缸0.15～0.2 mm， 實缸0.6～1.2 mm， 中分面錐銷孔等值錯位。 目前返修錯位已列為正常工序。 由于中分面平面度誤差和間隙均較大， 當(dāng)上下把緊后， 間隙雖合格， 但在工作狀態(tài)下中分面的密封效果稍差。 另外， 由于中分面間隙太大， 使總裝工序通流間隙的保證困難， 并大幅增加總裝工作量。

3 高中壓汽缸組合加工工藝方案

減小加工變形， 提高合缸精度， 確保工作時中分面、 垂直接配面和隔板、 導(dǎo)流環(huán)、 汽封體定位面不漏汽和降低加工成本是組合加工考慮的重點。 由于機(jī)組工作年限在60 年左右， 故適度提高了高中壓汽缸加工精度。 采用組合方式加工中分面、 各內(nèi)孔等部位后， 與垂直接配面有關(guān)的部分技術(shù)要求已失去意義， 因為最終有用的是合缸精度。 組合加工還省掉了立車工序。 接配后不便加工的背部管口提前加工， 加工基準(zhǔn)為中分面和垂直接配面。 高壓汽缸垂直接配面內(nèi)腔、 中分面、外壁開12×45°焊接坡口， 接配后密封焊。

3.1 工藝裝備完善

為滿足高中壓汽缸組合加工要求， 改造橋式起重機(jī)， 改制現(xiàn)有吊具， 添制劃線平臺， 完善了2臺φ125 鉆床安裝方式。

3.1.1 改造300 t/80 t 橋式起重機(jī)

由于高中壓汽缸加工過程中需頻繁起吊、 翻身， 故對300 t/80 t 橋式起重機(jī)進(jìn)行了改造。 緊鄰大鉤增加150 t 鉤的副小車， 主、 副小車間配不同長度的連桿供起吊中選用， 300 t 鉤在中間。 根據(jù)在制汽缸重量、 重心、 吊點位置、 廠房高度及相關(guān)要求， 150 t、 80 t 鉤與300 t 鉤的間距分別按5.3 m、 2 m 連接， 80 t 和150 t 鉤共用1 套控制系統(tǒng)， 使用時可隨意切換。 起重機(jī)改造后， 徹底解決了起吊翻身問題， 之后又增加了1 臺350 t/200 t橋式起重機(jī)。

3.1.2 吊具改制

高中壓汽缸上下半為異型件， 生產(chǎn)中的平吊、翻身有相當(dāng)難度， 為滿足起吊要求和節(jié)省費用，將現(xiàn)有205 t 和170 t 閑置吊梁分別改制成350 t多功能吊梁和345～400 t 可調(diào)通用吊梁。

3.1.3 劃線平臺的設(shè)計

為滿足高中壓汽缸、 低壓內(nèi)外缸的劃線和尺寸檢查要求， 添制16 m×9.9 m×0.4 m， 總承重700 t， 水平精度0.05 mm/1 000 mm、 0.2 mm/16 m×9.9 m 的劃線平臺。

3.1.4 2 臺Φ125 滑動式鉆床的安裝

聯(lián)接孔、 測溫孔、 抽汽孔的加工約占汽缸加工量的50%。 中分面錐銷孔合鉸、 導(dǎo)柱孔預(yù)鉆、部分螺栓通孔刮面等工序需在地坑鉆完成， 故鉆床的安裝極為重要。 根據(jù)各機(jī)型高中壓汽缸、 低壓內(nèi)外缸整缸重量、 外形尺寸、 加工部位的具體要求， 兼顧與其他機(jī)床的配套能力， 地基承重按20 t/m2設(shè)計， 鉆床、 地坑、 地面工作臺3 個基礎(chǔ)按整體設(shè)計考慮并采用一次澆筑的技術(shù)方案。 鉆床對置安裝， 中間是地坑， 地坑大小根據(jù)機(jī)床行程和汽缸外形尺寸設(shè)計。 床身基礎(chǔ)加高330 mm，立柱加高800 mm， 最大加工高度7.5 m， 見圖6。

圖6 鉆床地坑尺寸圖

3.2 高壓汽缸組合加工流程

來料—劃線—加工堆焊面—堆焊—劃線—龍門銑半精銑中分面—鏜床精加工垂直接配面各部位—上下半分別與中壓排汽缸接配， 垂直接配面密封焊—負(fù)荷分配， 龍門銑加工中分面各部位、內(nèi)腔—鉆床合鉸中分面錐銷孔—鏜床合鏜高中壓后汽封檔—水壓試驗—加工收尾—總裝。

3.3 中壓排汽缸組合加工流程

來料—劃線—負(fù)荷分配， 鏜床半精銑中分面—鏜床精銑垂直接配面各部位—與高壓汽缸組合加工。

3.4 組合加工工藝方案優(yōu)點

3.4.1 工序集中

龍門銑加工中心可通過27 m×9 m×7.5 m 工件， 上下半可同時裝夾在工作臺上， 并在1 個工位下完成中分面和內(nèi)腔各部位的加工， 大幅減少輔助時間。

3.4.2 支撐方式統(tǒng)一

下半在龍門銑加工中分面的支撐方式、 負(fù)荷分配方式與總裝、 電廠安裝完全一致。 由于負(fù)荷分配與中分面精銑在同一個工位完成， 故水平與負(fù)荷完全一致， 總裝和電廠安裝可以水平為準(zhǔn)，省去負(fù)荷分配。 上半負(fù)荷分配的支撐點為4 只貓爪， 中分面向上或向下均可， 為減小上半在龍門銑加工中分面時的撓度變形， 引進(jìn)型主支撐點選中壓排汽缸貓爪和高壓排汽管口， 自主型選高中壓排汽管口。

3.4.3 基準(zhǔn)統(tǒng)一

下半中心線和中分面是設(shè)計、 總裝、 電廠安裝時的重要基準(zhǔn)， 加工中按總裝支撐方式并在1個工位下完成中分面、 內(nèi)孔、 汽封檔等部位的加工， 既保證了形位公差要求， 又做到了基準(zhǔn)統(tǒng)一。

3.4.4 減小了自重變形

下半中分面是總裝基準(zhǔn)， 目前加工的下半汽缸， 總裝時中分面撓度為0.85～1.15 mm， 此誤差給總裝精度的保證帶來較大困難， 下半組合加工的中分面在總裝時是平面。

3.4.5 中分面精度高

龍門銑精銑中分面時， 可利用工件自重定位、夾緊， 汽缸沒裝夾變形。 選φ315 mm 精銑刀盤加工， 刀盤傾角按0～0.005 mm/315 mm 裝一片精銑刀片， 切削參數(shù)： ap=0.03～0.04 mm，n=160～200 r/min，vf=400～600 mm/min， 每刀寬度約270±10 mm， 銑完中分面一側(cè)更換刀片銑另一側(cè)， 同時要求刀片磨損量＜0.005 mm。 以這種方式加工的中分面平面度＜0.015 mm/1 000 mm， 接刀臺階＜0.004 mm， Ra0.8 μm。 在執(zhí)行3.4.6 條合并上下半時，需檢查中分面間隙， 要求＜0.12 mm， 超差返修。

3.4.6 內(nèi)孔精度高

龍門銑加工的內(nèi)孔包括隔板槽、 導(dǎo)流環(huán)槽、高中壓間汽封檔等部位。 精銑中分面后， 裝上角銑頭和φ650～φ850mm 槽銑刀、 R 刀、 倒角刀，以中分面為基準(zhǔn)走圓弧插補(bǔ)加工各內(nèi)孔。 考慮到實缸狀態(tài)上下半內(nèi)孔的軸向錯位方向， 下半高壓端各內(nèi)孔含高壓后汽封檔至定位環(huán)的軸向尺寸按下差加工， 中壓端各內(nèi)孔含中壓后汽封檔至定位環(huán)的軸向尺寸按上差加工， 這樣可減小實缸狀態(tài)內(nèi)孔的軸向錯位和返修錯位后通流間隙接近中值。上半先精銑中分面， 然后與下半合并， 中分面間隙合格后， 定位環(huán)對齊， 實測孔的軸向錯位， 然后上半中分面再向上， 銑去錯位。 上下半高中壓后汽封檔只半精加工。 以這種方式加工的內(nèi)孔對中分面位置度、 定位面間平行度、 定位面相對于中分面的垂直度、 各內(nèi)孔同柱度等均＜0.05 mm。

3.4.7 按總裝狀態(tài)加工中分面定位孔等部位

在鉆床地坑，汽缸中分面四角水平≤0.03 mm，按總裝狀態(tài)支撐合鉸中分面錐銷孔、 預(yù)鉆導(dǎo)柱孔等部位。

3.4.8 合鏜高中壓后汽封檔

汽缸上下半在鏜床固定工作臺上就位， 按第3.4.7 支撐、 找平， 以下半汽封檔找中心， 允差≤0.01 mm， 調(diào)頭合鏜汽封檔。 以這種方式加工的汽封檔相對于中分面的位置度、 垂直度、 同柱度、圓柱度等均＜0.03 mm。

3.4.9 中分面藍(lán)油接觸檢查

組合加工的中分面與目前分開加工再接配相比較， 其平面度、 粗糙度、 接刀臺階、 中分面間隙等精度要求均有質(zhì)的提高， 中分面藍(lán)油接觸和密封效果會更好。

3.4.10 水壓試驗

由于各部位、 特別是中分面加工精度明顯提高和內(nèi)孔的軸向錯位明顯減少， 故更有利于水壓試驗一次成功。

4 設(shè)計優(yōu)化建議

四缸結(jié)構(gòu)的高中壓汽缸， 如按本文工藝方案加工， 需進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

4.1 優(yōu)化中分面定位孔

根據(jù)不同機(jī)型高中壓汽缸結(jié)構(gòu)差異， 將中分面錐銷孔按汽機(jī)側(cè)、 電機(jī)側(cè)、 定位環(huán)、 中壓腰部各2 只布置， 原6 只導(dǎo)柱孔減為汽機(jī)側(cè)、 電機(jī)側(cè)各2 只。

4.2 優(yōu)化垂直接配面密封焊

原垂直接配面僅內(nèi)腔和中分面內(nèi)側(cè)有焊高3 mm 的密封焊。 需將密封焊延至整個中分面和外壁， 焊縫加大至12×45°， 這樣可增加汽缸連接剛性，同時阻止垂直接配面螺栓通孔的刮面出現(xiàn)漏汽。

4.3 優(yōu)化軸向尺寸

以定位環(huán)為基準(zhǔn)優(yōu)化軸向尺寸， 繼而提高軸向通流精度。

4.4 上下半各自整體設(shè)計

公司現(xiàn)有廠房， 機(jī)加、 起吊設(shè)備及相關(guān)工藝裝備完全具備高中壓汽缸組合加工中分面、 內(nèi)孔等部位的能力， 又有本文介紹的工藝方案， 比鄰的公司澆鑄這種不到175 t 的汽缸又無難度， 故自主高中壓汽缸可分成上下半設(shè)計。 由于無垂直接配面， 缸的重量、 材料費用可降3.5%～5%， 鑄造、熱處理、 運輸?shù)壬a(chǎn)過程的費用可降6%～8%， 加工工作量、 加工成本可降約20%， 還可省掉垂直接配面約2.5 t 合金鋼緊固件。 通過這樣的設(shè)計改進(jìn)， 汽缸的制造成本可降低二、 三百萬元。 整缸設(shè)計， 還可優(yōu)化中分面螺栓孔大小及位置， 提高中分面的密封效果。

5 結(jié)束語

本文介紹的高中壓汽缸加工工藝方案， 能有效保證加工精度， 四缸結(jié)構(gòu)的缸加工成本可降低七、 八十萬元。 按照本文觀點優(yōu)化、 鑄造、 加工高中壓汽缸， 在技術(shù)和成本等方面能繼續(xù)領(lǐng)跑行業(yè)， 達(dá)到了制造精度高、 生產(chǎn)成本低、 用戶滿意的效果。