大型先進(jìn)核承壓裝備制造基地工藝設(shè)計的優(yōu)化及技術(shù)進(jìn)展

郭杭鋒，周燁明

（中國聯(lián)合工程有限公司， 杭州 310052）

1 引言

21世紀(jì)的頭十年，中國聯(lián)合工程有限公司先后承擔(dān)了東方電氣集團(tuán)南沙基地、哈爾濱電氣集團(tuán)秦皇島基地、上海電氣集團(tuán)臨港重裝備基地、中國一重集團(tuán)棉花島基地和中國二重集團(tuán)鎮(zhèn)江基地，五大核電重型裝備制造基地的工程設(shè)計工作。

五大基地的設(shè)計建設(shè)在以下幾方面的工藝設(shè)計中著重提升了核電制造技術(shù)，并取得了國內(nèi)外領(lǐng)先的特色專項技術(shù)。

2 核電制造基地的核電產(chǎn)品規(guī)劃

2004年4月開始，中國聯(lián)合工程有限公司根據(jù)核電裝備國產(chǎn)化的最新成果及與國際著名核電公司考察交流的技術(shù)匯總，在制造企業(yè)所掌握的二代核電制造技術(shù)基礎(chǔ)上，采納了國內(nèi)核電自主化、國產(chǎn)化最新成果，消化、吸收最新引進(jìn)的第三代核電產(chǎn)品及技術(shù)，為制造企業(yè)提出了新核電裝備制造基地的產(chǎn)品規(guī)劃方案。核電裝備選定了當(dāng)時具有國際先進(jìn)水平的非能動安全系統(tǒng)的第三代核電技術(shù)AP1000機(jī)組為代表產(chǎn)品，同時，兼顧生產(chǎn)秦山二期自主化650MW核電機(jī)組，我國新一代安全性好、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的CAP1400機(jī)組、160～200 MW高溫氣冷堆機(jī)組，EPR（歐洲壓水堆，第三代核電技術(shù)）1 750 MW機(jī)組；預(yù)留了未來國際先進(jìn)水平的第四代核電技術(shù)機(jī)組——快堆機(jī)組重型容器的關(guān)鍵生產(chǎn)條件，同時還預(yù)留了生產(chǎn)1 800 MW等級的核電機(jī)組、重水堆機(jī)組及其他堆型核電機(jī)組核承壓設(shè)備的廠房條件。

項目還規(guī)劃生產(chǎn)重型裝備，主要是指在冶金、礦山、建材、交通、電力等行業(yè)中，一些超大、超重的機(jī)器裝備產(chǎn)品，如大型中、寬厚板軋機(jī)、大型轉(zhuǎn)爐、40 MN以上大型壓機(jī)、φ8 m以上盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)、23 m3以上礦山挖掘機(jī)等，這些產(chǎn)品在國內(nèi)，在世界范圍內(nèi)都僅為極少數(shù)工廠才具有加工和制造能力。

3 大件機(jī)加工

核電容器多為分段鍛件組裝焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)特點為體大而重、形狀復(fù)雜、加工面分散、加工精度要求高、機(jī)加工工作量大，制造周期長。采用的加工工藝裝備主要為數(shù)控立式車銑復(fù)合加工中心、數(shù)控龍門移動式鏜銑床、數(shù)控立車、數(shù)控三軸深孔鉆床和數(shù)控落地銑鏜床。

3.1 反應(yīng)堆壓力容器（RPV）立式一次性整體加工

核島關(guān)鍵設(shè)備——反應(yīng)堆壓力容器（RPV）為分段鍛件組裝焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)特點為體大而重、形狀復(fù)雜、加工面分散、加工精度要求高、機(jī)加工工作量大，制造周期長。200 MW高溫氣冷堆壓力容器與壓水堆壓力容器加工內(nèi)容相似；快堆反應(yīng)堆壓力容器為全不銹鋼結(jié)構(gòu)，具有外形尺寸大、壁薄的結(jié)構(gòu)特點。當(dāng)時國際上有兩種反應(yīng)堆壓力容器加工工藝，一種是法馬通FANP夏龍（CHALON）工廠所采用的臥式加工工藝，另一種是日本三菱重工神戶二見工廠所采用的立式加工工藝。

針對壓水堆壓力容器和快堆反應(yīng)堆壓力容器的結(jié)構(gòu)特點及制造要求，考慮核電“制造零風(fēng)險”的特殊要求，在上海電氣臨港重裝備制造基地核島廠房的工藝設(shè)計中，配置了兩種加工工藝及設(shè)備，即數(shù)控落地銑鏜床臥式多步加工工藝和數(shù)控立式車銑復(fù)合加工中心的立式一次性整體加工工藝。其中，數(shù)控立式車銑復(fù)合加工中心（見圖1），由于其設(shè)備是全球第一臺針對AP1000反應(yīng)堆壓力容器的立式一次性整體加工工藝要求而專門設(shè)計開發(fā)的大型先進(jìn)加工設(shè)備，尚存在技術(shù)、質(zhì)量、進(jìn)度等風(fēng)險。

圖1 數(shù)控立式車銑復(fù)合加工中心圖示

其主要技術(shù)參數(shù)為：

1）最大從工作臺中心回轉(zhuǎn)直徑（立柱不移動時）11～12 m；

2）最大回轉(zhuǎn)直徑（立柱外移至最遠(yuǎn)端）20 m；

3）滑枕在工作臺面上最大工件加工高度12.5 m；

3）工作臺的最大承重600 t；

4）工作臺直徑10 m。

3.2 封頭異形孔的數(shù)控鏜銑加工

由于核島重型裝備中，蒸發(fā)器下封頭上的帶角度管接頭孔及核泵連接口、穩(wěn)壓器上電加熱器套管孔以及反應(yīng)堆壓力容器頂蓋組件上的CRDM（控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)）管孔眾多，尤其是AP1000機(jī)組的反應(yīng)堆壓力容器頂蓋組件上，更增加了溫度傳感器及中子測量管孔（老機(jī)組都布置在底封頭），因此，封頭上異形孔的加工量大增。以往都采用數(shù)控落地鏜銑床配可傾回轉(zhuǎn)工作臺及工裝輔助的加工工藝。工藝設(shè)計采用數(shù)控龍門移動式鏜銑床（見圖2）一次性立式加工，采用角銑頭等附件可精確達(dá)到加工要求，加工效率高、質(zhì)量好。

圖2 數(shù)控龍門移動式鏜銑床示意圖

主要技術(shù)參數(shù)如下：

1）工作平臺寬7 m；

2）工作平臺長20 m；

3）工作臺面到主軸端面距離8.5 m；

4）機(jī)床總長度，約33 m；

5）機(jī)床總寬度，約16 m；

6）地面上機(jī)床總高度，約16.25 m。

3.3 筒體的數(shù)控鏜銑加工

為滿足超重超長型的加氫反應(yīng)器的加工，新增2臺數(shù)控落地鏜銑采用并排布置（分別為φ260 mm數(shù)控落地鏜銑床和φ300 mm數(shù)控落地鏜銑床），同時在固定工作臺四周鋪設(shè)落地槽鐵。加工時，工件可以橫向、豎向以及斜向擺設(shè)，可以滿足不同加工部位的需要，橫向擺放時，兩臺數(shù)控落地鏜銑床可以同時對其進(jìn)行加工。

φ260 mm數(shù)控落地鏜銑床主要技術(shù)參數(shù)：（1）主軸直徑260 mm；（2）銑軸外徑400 mm；（3）X軸工作行程——立柱14.5 m；（4）Y軸工作行程——主軸箱6 m；（5）Z軸行程——滑枕2 m。

φ300mm數(shù)控落地鏜銑床技術(shù)參數(shù)：（1）主軸直徑300 mm；（2）銑軸外徑400 mm；（3）X軸工作行程——立柱24.5 m；（4）Y軸工作行程——主軸箱9 m；（5）Z軸行程——滑枕2 m。

3.4 管板的數(shù)控深孔三軸加工

管板深孔加工使用數(shù)控深孔鉆床進(jìn)行加工。考慮了AP1000機(jī)組管板加工的特殊要求，采用了以下參數(shù)。

1）加工方式：槍鉆/BTA。

2）鉆孔直徑12～32 mm/15～65 mm。

3）最大有效鉆孔深度1.2 m。

4）主軸1工作范圍6 m×4.5 m。

4 成型

根據(jù)第三代核電60年使用壽命的要求，核島重型容器均采用鍛件，一般僅規(guī)劃預(yù)留了大型卷板機(jī)及加熱爐的位置。但考慮高溫氣冷堆反應(yīng)堆壓力容器的制造，兼顧二代改進(jìn)型蒸發(fā)器上筒體冷卷、吊籃不銹鋼筒體、高溫氣冷堆筒體溫卷及大型石化容器筒體熱卷的要求，二代改進(jìn)型核電機(jī)組的蒸發(fā)器上筒體為板焊結(jié)構(gòu)，并要求采用不改變板材機(jī)械性能的卷制工藝。為兼顧考慮板焊式加氫反應(yīng)器等石化容器的生產(chǎn)，以及堆內(nèi)構(gòu)件吊籃筒體的制作，專門選用了高效、節(jié)能、精密的冷卷、溫卷三輥卷制工藝。新增了液壓水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如下：

1）設(shè)備額定壓下能力45 000 kN；

2）冷卷最大厚度160 mm；

3）熱卷最大厚度280 mm；

4）冷卷最大預(yù)彎板厚160 mm；

5）熱卷最大預(yù)彎板厚280 mm；

6）卷制材料屈服極限≥400 MPa。

5 熱處理

核島重型容器工件熱處理在熱處理爐內(nèi)進(jìn)行。重型跨一端連接有30 m長的大型熱處理爐，臺車承載1 400 t。在重型跨和中型跨之間設(shè)熱處理爐1臺，臺車承載700 t。在中型跨和輕型跨之間設(shè)熱處理爐1臺，臺車承載150 t。為與大型卷板機(jī)的熱卷配套，在輕型跨的西端設(shè)置了加熱爐1臺，臺車承載300 t。熱處理爐均采用全纖維大板塊爐墻，高速調(diào)溫?zé)?，爐壓及風(fēng)氣比全自動控制、微機(jī)控溫等一系列先進(jìn)技術(shù)，使?fàn)t體質(zhì)量減輕，節(jié)能效果顯著。燃料采用天然氣。各熱處理爐的參數(shù)根據(jù)產(chǎn)品綱領(lǐng)作了優(yōu)化配置，主要有：

1）30 m×8 m×8.5 m 臺車式熱處理爐，技術(shù)參數(shù)：（1）爐膛壁尺寸（長×寬×高）30 m×8 m×8.5 m；（2）臺車承重1 200 t（含工件質(zhì)量）；（3）工件最大尺寸φ7 m/φ6.3 m×29 m；（4）全爐最高使用溫度950℃。

2）15 m×12 m×10.5 m燃?xì)馀_車式熱處理爐，技術(shù)參數(shù)：（1）爐膛壁尺寸（長×寬×高）15 m×12 m×10.5 m；（2）臺車承重700 t（含工件質(zhì)量）；（3）工件最大尺寸14 m×11 m×9.5 m；（4）全爐最高使用溫度950℃。3）17 m×5 m×9 m 燃?xì)馀_車式加熱爐，技術(shù)參數(shù)：（1）爐膛內(nèi)壁尺寸（長×寬×高）17 m×5.5 m×9 m；（2）臺車承重300 t（含墊鐵）；（3）工件最大尺寸（長×寬×高）16 m×4 m×8 m；（4）全爐最高使用溫度1 200℃±20℃；（5）控溫方式包括上位工控機(jī)集散控制、進(jìn)口智能儀表控制、手動控制3種方式；（6）能耗指標(biāo)為滿載熱效率≥32%（優(yōu)于國家特等爐標(biāo)準(zhǔn)）；（7）供電電源為AC 380 V（±10%），50 Hz。

6 裝配

蒸發(fā)器內(nèi)件安裝要求在清潔區(qū)進(jìn)行。U形管系的穿管、機(jī)械脹管、管子管板封口焊、液壓脹管、管束清洗等均需在清潔室內(nèi)進(jìn)行。穿管后，管系加工工藝設(shè)計采用了機(jī)械脹管機(jī)定位，全位置自動TIG管子管板焊機(jī)用于管子管板全位置氬弧焊接，液壓脹管機(jī)脹管，機(jī)械手清洗管束等一系列的成熟、先進(jìn)工藝。上海臨港基地的設(shè)計專門針對裝配用的大型清潔室進(jìn)行了較以往核島裝備基地的優(yōu)化。

核島蒸發(fā)器的管系制造是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，要求在空調(diào)溫度的清潔室內(nèi)完成管系的一系列制作。據(jù)多次考察，國外大型清潔室主要有3種形式，分別為法馬通大型清潔室、西班牙ENSA大型清潔室和韓國斗山大型清潔室。

工藝設(shè)計考慮到蒸發(fā)器大型化的發(fā)展趨勢、廠房造價、管系制造時間、廠房起重能力利用、能源消耗，以及海邊鹽分及濕度均較大、工件易銹等因素，優(yōu)化設(shè)計了新的大型清潔室，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化設(shè)計后的大型清潔室

7 特大、超重件的起吊及運(yùn)輸

考慮生產(chǎn)產(chǎn)品的整體及部件質(zhì)量，合理確定了廠房各跨的起重能力及軌高，廠房物流及生產(chǎn)工藝布局，建立了大件起吊運(yùn)輸便捷、物流簡潔高效的生產(chǎn)系統(tǒng)。廠房剖面圖如圖4所示。

圖4 廠房剖面圖

超重型跨采用上層700 t及（350 t+350 t）或850 t及（425 t+425 t）的起重能力，以滿足機(jī)組大型化（CAP1400蒸發(fā)器的質(zhì)量超過750 t）的要求，下層300 t的起重能力；重型跨采用上層500 t，下層150 t的起重能力，既滿足了核島產(chǎn)品、石化容器等超大、超重產(chǎn)品及部件的起吊要求，又提高了工作效率，還降低了工程造價。

8 立式裝配及水壓試驗

為了提高核電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益，國內(nèi)外第三代、第四代核電機(jī)組的設(shè)計均朝著大型化、重型化、一體化方向發(fā)展。核島設(shè)備的尺寸越來越大，質(zhì)量越來越重，加工要求也越來越高。核電設(shè)備制造朝著立式機(jī)加、立式裝配、立式水壓等立式加工工藝方向發(fā)展，尤其是AP1000、CAP1400、高溫氣冷堆機(jī)組的自主化制造方案基本傾向采用立式加工及地坑內(nèi)立式水壓試驗方案。

國外核電裝備基地大多設(shè)有地坑。如日本三菱12.5 m×12.5 m×6 m、西班牙ENSAφ12 m×8 m、韓國斗山φ10 m×15 m等。僅法國阿?，m的FANP夏龍采用地面試驗的方式。

上海臨港核島廠房700t超重型跨內(nèi)設(shè)立φ13 m×10 m的地坑，如圖5所示。地坑設(shè)有承重蓋板及承重支撐，以便在地坑長期不用于裝配或試驗狀態(tài)可轉(zhuǎn)化為蒸發(fā)器生產(chǎn)場地，地坑蓋板承重要求按該區(qū)域布置最大可能單支座承載425 t重產(chǎn)品制造工位考慮。

圖5 上海臨港核島廠房立式裝配及水壓試驗地坑示意圖

地坑使用工況：

1）作為工作場地。蓋板蓋上并支撐，蓋板形成平整工作表面，做生產(chǎn)場地使用。

2）高溫氣冷堆反應(yīng)堆壓力容器立式裝配及水壓試驗。蓋板打開，布置好產(chǎn)品支撐后，吊裝高溫氣冷堆反應(yīng)堆壓力容器本體放入地坑，支撐好后吊裝內(nèi)件或頂蓋，進(jìn)行內(nèi)件裝焊或水壓試驗。

3）AP1000-RPV立式水壓試驗。蓋板打開，布置好產(chǎn)品支撐后，吊裝AP1000-RPV本體放入地坑，支撐好后吊裝頂蓋，進(jìn)行水壓試驗。

4）大型石化容器、氣化爐的立式裝配。

9 結(jié)語

本文通過對五大核電重型裝備制造基地設(shè)計優(yōu)化過程進(jìn)行總結(jié)，闡述了大型先進(jìn)核承壓裝備制造基地設(shè)計要點及技術(shù)進(jìn)展，主要包括核電產(chǎn)品的產(chǎn)能規(guī)劃及大件機(jī)加工、成型、熱處理、裝配、特大及超重件的起吊及運(yùn)輸、立式裝配及水壓試驗等關(guān)鍵工藝。通過國內(nèi)外先進(jìn)制造工藝和設(shè)備選型的對比，進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化改進(jìn)，并取得了很好的工程建設(shè)成果，為我國大型先進(jìn)核電裝備制造技術(shù)取得重大突破、躍升到國際先進(jìn)水平作出了積極貢獻(xiàn)，對后續(xù)大型先進(jìn)核承壓裝備制造基地的建設(shè)與設(shè)計有重要參考價值。