CAP1400核電汽輪機(jī)低壓外缸制造技術(shù)研究

謝龍飛，劉祥，鞏麗，羅霞，李曉馳

（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

自主型CAP1400核電汽輪機(jī)低壓內(nèi)外缸結(jié)構(gòu)與引進(jìn)型汽缸完全不同，最大變化為：一是低壓轉(zhuǎn)子通過獨(dú)立落地軸承箱支撐，內(nèi)缸橫向落地支撐；引進(jìn)型內(nèi)缸通過聯(lián)接帶軸承箱的排汽錐軸向落地支撐。二是CAP1400外缸各垂直接配面（后稱接配面）為法蘭、螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)；引進(jìn)型為對焊結(jié)構(gòu)。三是CAP1400外缸上半剖分成前后部兩半，下半剖分成前中 （中左、中右）后部四半，水平中分面（后稱中分面）高于汽輪機(jī)中心線；引進(jìn)型為前后部、上下半四缸結(jié)構(gòu)，中分面過汽輪機(jī)中心線。四是CAP1400外缸兩端汽封檔通過波紋管與軸承箱聯(lián)接，與其他相關(guān)件共同組成低壓密閉腔室；引進(jìn)型外缸無汽封檔，兩端有大法蘭，內(nèi)缸端部排汽錐有小法蘭，大小法蘭通過環(huán)形柔性密封裝置聯(lián)接，以此形成低壓密閉腔室。五是CAP1400外缸重量和尺寸是引進(jìn)型外缸的2．27倍和1．13倍，大了很多。這2類機(jī)型外缸唯一相同的是同為獨(dú)立低壓外缸結(jié)構(gòu)。自主低壓外缸主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、重量重、剛性差、精度高、起吊翻身難度大、用戶要求嚴(yán)，加工難度遠(yuǎn)大于引進(jìn)型外缸。該缸已在華龍1#、2#核電汽輪機(jī)首用，接下來將用于CAP1400國核示范項(xiàng)目。低壓外缸是核電汽輪機(jī)的核心重要部件，它的制造質(zhì)量直接影響機(jī)組研制、使用和公司的對外聲譽(yù)，獲悉電廠安裝情況，評(píng)價(jià)優(yōu)良。

1 低壓外缸總體介紹

1.1 結(jié)構(gòu)簡介

低壓外缸結(jié)構(gòu)見圖1，整缸外型尺寸=10 960 mm（長）×14 500 mm（寬）×10 725 mm（高），總重243．7 t，材料Q235-C，六半缸均為焊接件，缸的中分面高于汽封檔內(nèi)孔中心線300 mm。上半前后部對稱，單半外形尺寸=5 480 mm（長）×14 500 mm（寬）×5 725 mm（高），重61．7 t。下半由前中（左、右）后部四缸圍合而成，下半前后部對稱，單半外形尺寸=3 290 mm（長）×14 500 mm（寬）×5 000 mm（高），重46．3 t；兩中部（左、右）對稱，單半外形尺寸=4 380 mm（長）×3 340 mm（寬）×5 000 mm（高），重13．9 t。前后部上半內(nèi)腔頂部有一塊弧形導(dǎo)流板，此板與內(nèi)缸導(dǎo)流環(huán)缺口拼成完整排汽導(dǎo)流面，見圖2。六缸組裝時(shí)，中分面法蘭、接配面法蘭通過銷子定位，螺栓把合。工作時(shí)，低壓外缸主要起隔離大氣、保持排汽真空和背壓穩(wěn)定作用，實(shí)為承受負(fù)壓的壓力容器，氣密性要求嚴(yán)格。

圖1 低壓外缸模型

圖2 低壓外缸上半模型

1.2 工作狀態(tài)

低壓外缸廠內(nèi)總裝和電廠安裝工位與缸工作狀態(tài)一致。零部件完工后的生產(chǎn)過程按廠內(nèi)總裝—解體發(fā)貨—電廠復(fù)裝安排。內(nèi)外缸之間有配合關(guān)系的部位在廠內(nèi)生產(chǎn)時(shí)按設(shè)計(jì)尺寸和安裝要求分別保證。汽封檔外端面接波紋管，下半底面接冷凝器，低壓進(jìn)汽管位于下半底部兩側(cè)，見圖3。

圖3 CAP1400核電汽輪機(jī)模型

1.3 主要技術(shù)要求

單缸精度：上下半各缸接配面對中分面垂直度0．2 mm，上下半汽封檔對中分面垂直度0．1 mm，下半中部兩接配面平行度0．2 mm；上下半各缸中分面、接配面、汽封檔端面的平面度為0．05 mm/1 000 mm，粗糙度Ra3．2μm。

合缸精度：上半前后部兩缸、下半前中（左、右）后部四缸接配后中分面平面度0．05 mm/1 000 mm，相鄰兩缸中分面錯(cuò)位＜0．02 mm；上下半汽封檔端面錯(cuò)位＜±0．1 mm、內(nèi)孔錯(cuò)位＜±1 mm，兩汽封檔內(nèi)孔同柱度Φ2 mm。自由狀態(tài)下，上半接配面上張口0～1．7 mm、下半下張口0～0．7 mm；中分面和接配面把1/3螺栓間隙＜0．04 mm。上半頂部導(dǎo)流板與導(dǎo)流環(huán)缺口的軸向間隙40±10 mm，側(cè)面間隙25±5 mm，徑向錯(cuò)位35±10 mm。單缸上下半合并和上半兩缸、下半四缸各自接配后的上下半整缸合并，自由狀態(tài)下中分面間隙＜0．25 mm。

2 加工及裝配工藝方案

2.1 加工難點(diǎn)及工藝性分析

分析低壓外缸總體結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、技術(shù)要求等方面可以看出，下半四缸接配后拼合成的中分面是廠內(nèi)加工、總裝和電廠安裝的工藝基準(zhǔn)，也是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，故下半整缸中分面平面度須嚴(yán)格保證。下半各缸接配面對中分面的垂直度和2個(gè)中部的等寬是影響下半整缸中分面平面度的主要因素，也是下半加工的主要難點(diǎn)，須重點(diǎn)保證。前后部上下半剛性較差，故設(shè)計(jì)時(shí)在缸的縱向、橫向和高度方向加焊工藝撐管，以保證廠內(nèi)制造、運(yùn)輸?shù)冗^程的剛性要求。電廠完成六缸接配后，下落內(nèi)缸前割去工藝撐管。前后部上半因工藝撐管遮擋，造成機(jī)床無法直接加工內(nèi)腔頂部導(dǎo)流板外形輪廓，故采用校形、氣割、人工打磨方式完成。同時(shí)也無法通過合并內(nèi)外缸來檢查上半導(dǎo)流板與導(dǎo)流環(huán)上半缺口的配合間隙，工藝方案將其留至電廠取下工藝撐管后檢測?？紤]到取下工藝撐管后缸的變形會(huì)帶來導(dǎo)流板串位的實(shí)際情況，生產(chǎn)中將相配合的兩輪廓各自按中差加工。前后部上半自重變形大，無法按工作狀態(tài)加工中分面，只能鏜床立放加工，要保證加工精度和上下半合缸后中分面的間隙要求很有難度。就整缸制造而言，保證合缸精度和中分面、接配面、汽封檔端面的密封要求是加工中的重中之重。

2.2 制定工藝方案

針對低壓外缸特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備條件，為保證制造精度、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，并充分兼顧高位作業(yè)安全要求，制定了工藝方案并將六缸接配與外缸模塊的總裝合二為一安排。

2．2．1 整缸與分缸加工相結(jié)合

下半四缸接配后按工作狀態(tài)整體加工中分面最為合理，剛性好、變形小，同時(shí)有利于減小加工振動(dòng)，確保粗糙度、平面度要求。但下半整缸尺寸超過了龍門銑的可加工寬度，故折衷選定前后部下半組合在一起加工中分面，既可保證下半前后部中分面整體加工、又可解決上下半合并鏜孔時(shí)上半中分面的支撐問題。接下來在鉆床地坑用前后部上半分別號(hào)劃加工下半中分面螺栓孔，再分別與前后部上半合鏜兩端汽封檔。如采用前后部上下半各自合并合鏜汽封檔的方案，會(huì)出現(xiàn)上半接配面?zhèn)冗^量懸空，繼而影響工件裝夾、加工精度和加工安全。2個(gè)中部下半除中分面螺栓孔、前后部上半除汽封檔外均單獨(dú)加工。后部上半接配面及該面上的螺栓孔和中部下半中分面螺栓孔在六缸接配時(shí)號(hào)劃加工。2．2．2 裝夾及支撐方式選擇

低壓外缸剛性差，加工和總裝各工序的支承方式盡量統(tǒng)一且力求與缸的工作狀態(tài)相一致或接近。主支點(diǎn)放在缸的四角和撓度最大部位，確定消除撓度支撐點(diǎn)的上頂量以此部位缸的撓度實(shí)測值和合缸時(shí)各密封面間隙情況總體考慮。在剛性差的部位加輔助支點(diǎn)減小加工振動(dòng)。壓緊點(diǎn)位于支撐點(diǎn)鉛垂方向上方，缸的壓緊變形＜0．03 mm。2．2．3 平面加工變形控制

各缸中分面、接配面、汽封檔單面加工余量為15 mm，實(shí)際值一般為8～22 mm，采取先留量1 mm粗加工，待加工部位降至室溫后半精加工、精加工，以消除加工熱變形對平面精度的影響?？紤]到加工過程中形位誤差的累積，將加工尺寸按最大實(shí)體原則控制，以便總裝出現(xiàn)不合格情況可在設(shè)計(jì)要求的尺寸范圍內(nèi)返修。2．2．4 設(shè)計(jì)、工藝、安裝基準(zhǔn)統(tǒng)一

由于中分面是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，工藝方案首先精加工中分面并以此為精基準(zhǔn)加工其他部位，做到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與工藝基準(zhǔn)、安裝基準(zhǔn)相統(tǒng)一，消除基準(zhǔn)不重合誤差。盡量在一次裝夾下完成多部位加工，以降低重復(fù)裝夾帶來的累積誤差。

3 各缸主要工序工藝流程

生產(chǎn)過程中，上下半各缸個(gè)別部位需整體加工，某些工序需同時(shí)或交叉進(jìn)行。

3.1 前后部上半

來料檢查—負(fù)荷分配、劃線—鏜床精銑中分面、鉆中分面螺栓孔—鏜床精銑前部接配面、鉆螺栓孔，半精銑后部接配面—分別合并上下半—合鏜汽封檔—六缸接配—配銑后部接配面—號(hào)劃后部接配面螺栓孔—鉆后部接配面螺栓孔。

3.2 前后部下半

來料檢查—負(fù)荷分配、劃線—龍門銑精銑底面、半精銑中分面、加工裝夾和找正基準(zhǔn)—鏜床精銑接配面、鉆接配面螺栓孔—前后部下半在龍門銑組合精銑中分面—下半前后部整缸在鉆床地坑就位，用前后部上半分別號(hào)、鉆下半中分面螺栓孔—合鏜汽封檔—六缸接配—用戶見證—六缸解體、收尾入庫。

3.3 中部下半

來料檢查—負(fù)荷分配、劃線—立放，負(fù)荷分配，鏜床加工裝夾和找正基準(zhǔn)—平放，鏜床精銑中分面、底面、接配面，鉆接配面螺栓孔—六缸接配—用上半號(hào)劃中分面螺栓孔—用萬向鉆加工中分面螺栓孔。

4 各缸重要工序加工方式及精度保證技術(shù)措施

4.1 前后部上半

（1）前后部上半的中分面、接配面、汽封檔和內(nèi)腔頂部導(dǎo)流板的加工關(guān)聯(lián)度較高，劃線序支撐中分面四角、做負(fù)荷分配、分配加工余量，劃各加工面線、中心線、基準(zhǔn)線，用激光準(zhǔn)直儀檢測內(nèi)腔頂部導(dǎo)流板輪廓大小及位置尺寸并記錄。

（2）中分面向下上鏜床，工位和主支點(diǎn)與劃線工序相同，另在汽封檔兩側(cè)、 “八”字法蘭拐角處和兩側(cè)中點(diǎn)布置共6個(gè)輔助支點(diǎn)，壓緊后半精銑接配面，并在汽封檔內(nèi)端面兩側(cè)找正基準(zhǔn)，測量找正基準(zhǔn)到接配面的尺寸。

（3）工件立放，接配面9個(gè)支點(diǎn)等高允差0．03 mm，測量汽封檔處找正基準(zhǔn)的下彎量，按下彎量60%上頂，壓緊后精銑中分面、鉆中分面螺栓孔。

（4）按4．1（2）支撐，10支點(diǎn)等高允差0．03 mm，壓緊后精銑前部接配面、鉆接配面螺栓孔，半精銑后部接配面。

4.2 前后部下半

（1）前后部下半的中分面、接配面、汽封檔和底面是缸的主要加工部位，劃線方式與上半雷同。

（2）中分面向下上龍門銑，主輔支點(diǎn)與上半4．1（2）一致，壓緊后按圖示尺寸上差精銑底面，后繼工序?qū)⒌酌孀鳛榘惭b基準(zhǔn)。

（3）底面向下上龍門銑，兩側(cè)中點(diǎn)和端頭均布的5個(gè)輔助支點(diǎn)與四角主支點(diǎn)等高，允差0．03 mm，壓緊后半精銑中分面。

（4）底面向下上鏜床，按支點(diǎn)對應(yīng)位置找平中分面，允差0．03 mm，壓緊后精銑接配面、鉆接配面螺栓孔。

（5）中分面向上，前后部同時(shí)上龍門銑，接配面順工作臺(tái)長度方向并緊貼，按中分面找平、接配面找至與龍門運(yùn)動(dòng)方向平行，找正允差同為0．03 mm，復(fù)查接配面下張口是否在0～0．05 mm，超差返修接配面，缸的水平和張口合格后把緊接配面螺栓。然后精銑中分面，加工合鏜汽封檔工序找正、測量基準(zhǔn)和六缸接配需用的找中基準(zhǔn),找中基準(zhǔn)加工在單缸四角中分面法蘭側(cè)面，要求兩缸同側(cè)的找中基準(zhǔn)在一條直線上，允差0．03 mm。

（6）前后部下半組合狀態(tài)在鉆床地坑就位，用上半號(hào)鉆中分面螺栓孔、合鉸中分面銷孔。

（7）前后部下半組合狀態(tài)在鏜床上就位，按中分面找平、按龍門銑加工的基準(zhǔn)找外缸左右和鏜孔中心，允差同為0．03 mm，扣合上半，合鏜汽封檔各尺寸。

4.3 中部下半

（1）中部下半（左、右）的中分面、接配面和底面是缸的主要加工部位，平放，支撐四角做負(fù)荷分配，分配加工余量，劃各加工面線、中心線、找正線。

（2）立放狀態(tài)在鏜床上就位，支底面四角，按線找正，負(fù)荷分配，在中分面、接配面和中分面、接配面法蘭的外側(cè)面等部位銑加工找正基準(zhǔn)，要求外側(cè)面四角和每條邊中點(diǎn)位置上共8處找平基準(zhǔn)共面，所有基準(zhǔn)的位置度、垂直度和共面誤差均＜0．03 mm。

（3）平放狀態(tài)在鏜床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上就位，四角和每條邊的中點(diǎn)為支壓點(diǎn)，按端面8處基準(zhǔn)找平，按其他基準(zhǔn)找左右和垂直，找正允差同為0．03 mm。壓緊后精銑中分面、底面、接配面，鉆接配面螺栓孔。

4.4 六缸接配

（1）下半四缸在槽鐵地面就位，接配面緊貼，各缸的支點(diǎn)與加工時(shí)一致，前后部兩側(cè)的找中基準(zhǔn)用激光準(zhǔn)直儀或長直尺找到同一平面內(nèi)，允差0．05 mm；2個(gè)中部的左右位置按接配面上各自的偏心銷套孔對正，允差0．25 mm；相鄰兩缸中分面錯(cuò)位＜0．02 mm；按支點(diǎn)對應(yīng)位置找平中分面，單缸允差0．05 mm、整缸0．08 mm。

（2）為保證下半四缸接配后整缸中分面平面度和水平符合設(shè)計(jì)和總裝要求，下半接配面下張口先按0．05～0．2 mm控制，超差返修中部接配面，然后把緊接配面螺栓復(fù)查中分面水平和平面度變化情況，如超差，鏜床配銑中部接配面至合格。

（3）扣合前后部上半并測量接配面上張口，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，分四步配銑后部上半接配面：第1步是根據(jù)實(shí)測上張口值，按0．4～0．5 mm的上張口配銑接配面；第2步是再扣合前后部上半，復(fù)查上張口是否在0．4～0．6 mm，合格后號(hào)劃接配面螺栓孔，同時(shí)測量兩缸接配面至下半橫向中心線上工藝測量塊的尺寸；第3步是配銑準(zhǔn)后部接配面，鉆接配面上螺栓孔；第4步是再次扣合前后部上半，考慮到電廠安裝時(shí)工藝撐管取下后缸的變形，上張口最終按0．4～0．7 mm保證。

（4）用前后部上半號(hào)劃下半中部中分面螺栓孔，在總裝臺(tái)位搭墊箱放置萬向鉆配鉆中部中分面螺栓孔。

（5）再次扣合前后部上半，把緊中分面、上半接配面螺栓，用萬向鉆、鉗工精鉸中分面各定位銷孔。

（6）按圖紙、工藝、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、用戶要求交檢、見證。

4.5 加工結(jié)果

單缸精度：各加工面粗糙度、加工尺寸和形位公差等均符合設(shè)計(jì)要求。

合缸精度：上半接配面上張口值0．4～0．7 mm，下半下張口0．05～0．15 mm；自由狀態(tài)中分面間隙＜0．2 mm，中分面、接配面把1/3螺栓間隙＜0．03 mm。電廠低壓內(nèi)外缸組裝后，上半頂部導(dǎo)流板與導(dǎo)流環(huán)缺口的軸向間隙、側(cè)面間隙均符合設(shè)計(jì)要求；汽封檔端面、內(nèi)孔錯(cuò)位＜±0．05 mm，兩汽封檔內(nèi)孔同柱度＜Φ0．5 mm。

5 結(jié)論

本文介紹的低壓外缸制造技術(shù)，不僅能有效保證單缸精度，更能保證合缸精度。在工序安排上，靈活地將整缸與分缸加工相結(jié)合，將總裝工序全部提前落實(shí)到加工工序中，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，技術(shù)方案合理、經(jīng)濟(jì)效果優(yōu)良，具有很好的推廣價(jià)值。同時(shí)，本缸的加工經(jīng)驗(yàn)也為結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、剛性差的大型裝焊件加工提供了先進(jìn)的工藝方法。