核島球形罐頂冷成型工藝

摘要:本文描述儲罐罐頂瓜瓣壓制模具的設計原則和制作，拉冷壓成型的儲罐罐頂瓜瓣及中心頂圓板分曲率能夠得到有效控制的方法。

關鍵詞:模具制作;分段分次壓制;冷成型;曲率控制

1 概述

EM7工作包是嶺澳二期工程大容量儲罐現場預制和安裝，其中儲罐罐頂瓜瓣及中心頂圓板的冷壓成型工作主要包括換料水箱PTR(兩臺)、除氣水箱TEP(三臺)及輔助給水箱ASG(兩臺)，其中PTR為不銹鋼罐，質保等級為Q1級，TEP為不銹鋼罐，質保等級為Q3級，ASG為碳鋼罐，質保等級為Q2級。核島設備的監造過程和驗收都極其嚴格，有別于非核級的設備，本文描述儲罐罐頂瓜瓣壓制模具的設計原則和制作，拉冷壓成型的儲罐罐頂瓜瓣及中心頂圓板的曲率能夠得到有效控制的方法。

2 儲罐瓜瓣壓制可行性方案探討

采用四柱液壓機和長方形凸凹模具進行瓜瓣冷壓成型方法，實際上是一種早已為人們采用的傳統方法，它不僅可用來壓制直徑小于10米的小型薄壁球型瓜瓣，同時也可用于尺寸精度要求很高的大尺寸厚壁球型瓜瓣，例如AP1000核電站中直徑約40m，板厚約48mm，高約56m的安全殼頂部的球型瓜瓣，就是采用這種長方形凸凹模具分段分次冷壓成型的。由于安全殼球型瓜瓣板的厚度大，所以壓制成型后，設計不僅對寬度方向的曲率允差有很嚴格的要求，同時對長度方向的曲率允差也有同樣嚴格的要求。我們知道，標準要求越高，壓制難度越大，為什么壓制安全殼瓜瓣要求長寬方向的曲率全都必須要達到設計要求?這與這種大尺寸大厚度的安全殼球型瓜瓣具有很大的剛性有關。剛性太大，曲率如果達不到設計允差要求，安裝對口時，僅靠楔具楔是很難將大的錯口調整過來的，所以壓制成型的安全殼瓜瓣的曲率必須全都符合允差要求。否則將給安裝對口工作帶來極大的麻煩。

嶺澳一期EM7工作包中的ASG、TEP儲罐罐頂瓜瓣采用的就是分段分次長方形凸(凹)模冷壓成型技術，由于EM7工作包中的上述常壓儲罐罐頂瓜瓣最大寬度尺寸僅有1538mm，而最大長度尺寸也只有5870mm，板的長寬尺寸與安全殼瓜瓣比，要小得多，其最大厚度也只有8mm，更是不能與安全殼瓜瓣比。瓜瓣板的尺寸小，厚度小，剛度也相應小多了。綜上可知，壓制儲罐罐頂瓜瓣要比壓制安全殼瓜瓣的難度小多了。一般來講，只要板寬方向的曲率符合設計要求就可以了，對于板長方向的曲率雖然也要求達到設計要求。但實際情況是，由于儲罐罐頂瓜瓣剛性差，這就好比卷制厚度12mm以下的儲罐壁板一樣，整塊板的曲率其實都沒有達到設計要求，事實上也不可能達到設計要求，全靠安裝時將其圍靠，如果稍有偏差也不會影響安裝對口。但在安裝時必須采用焊接弧形加強板的方法來保證長度方向的曲率達到設計要求。(弧形加強板的曲率與罐頂瓜瓣的曲率是一樣的)

3 儲罐罐頂瓜瓣壓制模具的設計原則和制作方法

3.1 凸凹模設計

3.1.1 凸凹模設計原則

凸凹模設計以PTR儲罐對接拱頂球型瓜瓣為例，圖1所示為該罐球型對接拱頂水平投影直徑11895mm(弦長)x 6mm( 板厚) ，設計曲率半徑10980mm，分為27等分的施工圖。

冷壓成型模具設計原則主要有三點:

(1) 凸凹模曲率半徑設計

分段分次壓制成型用的凸凹模具形狀均為長方形，采用冷壓成型方法，基于冷壓的回彈較大，所以凸凹模的半徑皆應縮小，至于縮小多少主要憑經驗，本例凸凹模的半徑皆為拱頂設計曲率半徑的五分之三，這樣凸模壓到設計

半徑后還有充足的懸空量，憑借壓力大小來達到成型后的曲率，圖2(a)為用設計半徑和縮小后半徑劃線后取得的設計數據，圖2(b)為實際壓制時模具的結合情況。

(2) 壓力機的選擇

在懸空的模具上壓制，只能憑借壓力大小來控制所要達到的設計曲率，這點在理論上是找不到的，只能憑經驗取得，這是因為:

——材質的因素:材質不同，回彈量也不同，如Q235B的回彈量就小于16MnR鋼的回彈量。

板厚因素:板厚不同，回彈量也不同，不同厚度的板壓到同一曲率，薄板回彈量大，厚板回彈量小。

壓下速度的因素:壓下速度快的回彈量大，慢的就小。

板面積的因素:例如壓制球型瓜瓣，小面積的回彈量小，大面積的回彈量大，這是因為在壓制范圍四周，受到未被壓制部分的牽連的原因造成的，牽連小的回彈量小，牽連大的回彈量大。

鑒于以上原因分析，選擇壓力機的噸位，應遵循寧大勿小的原則，換言之，不怕大就怕小，在本工程階段選擇的壓力機為YB32-500四柱式萬能液壓機(最大工作壓力:500t，液壓缸壓力:250kgf/cm2，工作預緊壓力:100t，工作臺有效面積:左右2000mm、前后1420mm，立柱中心距:左右2200mm、前后1100mm，工作臺離地面高度:500mm，外形尺寸(mm): 4500×3600×5280，自重:42噸);在壓制前兩、三塊板時，速度不宜過快，因為這時是探索經驗的階段，是檢驗模具是否合適的階段，同時也是檢驗壓力機的出力是否符合要求的階段。

(3) 凸凹模長寬尺寸選擇

采用長方形凸凹模壓制儲罐瓜瓣，模具的長度尺寸是依據瓜瓣大端尺寸來確定，模具的長度尺寸實際比瓜瓣大端尺寸要大出約50~100mm，而模具的寬度尺寸的確定則以壓力機噸位的大小有著直接的關系，模具寬度尺寸設計越大，要求壓力機的噸位也必須大，否則很難壓到設計要求的曲率。本例模具寬度尺寸確定為460mm/500mm就是基于現有壓力機噸位偏小來設計的。凸模選擇460mm或500mm寬是否可行，有待實踐來檢驗。凹模的長寬尺寸在凸模長寬尺寸基礎上各加20mm即可。

3.2.2 凸凹模的制作

凸凹模系由厚20mm，高低錯落疊加在一起的25或27塊鋼板焊接成型，為保證凸凹模受力端呈球形的曲率能滿足壓制要求，我們根據經驗并參考相關資料，確定取拱頂設計曲率半徑的五分之三作為制作凸模球型曲率的半徑(注:凹模也采用同一曲率)。凸凹模制作詳見圖3。

4 工作條件

4.1 板材檢查

瓣片及頂圓板冷成型后不應有明顯的凹凸，用樣板測量，間隙不應大于10mm(弧形樣板弦長不應小于1.5mm)。

對于瓣片及頂圓板為不銹鋼時，在成型工作中工作臺要加襯面，對碳鋼和不銹鋼進行隔離保護，所有接觸工具應襯有不銹鋼或鍍鉻。

罐頂板成型時，表面劃傷及缺陷深度不得超過0.5mm。

成型后的瓣片及頂圓板表面不得有微裂紋。

4.2 主要人員工機具配制要求

技術員有多年的罐預制經驗，經過相應培訓，且考核合格并能勝任該項工作。

油壓機操作工能熟練的操作YB32-500四柱式萬能液壓機，經過相應的培訓，且考核合格并能勝任該項工作。

起重工起重工經相應培訓，且考核合格并能勝任該項工作。

質檢員有多年的質檢經驗，且經過相應的培訓，且考核合格并能勝任該項工作。

力工經過相應的培訓，且考核合格并能勝任該項工作。

配備YB32-500四柱式萬能液壓機;樣板(曲率應符合設計圖紙要求)另外需要備用一些消耗材料，如牛皮紙等

5 操作步驟

6 詳細說明

6.1 瓜瓣分段分次冷壓成型

將凹凸模具固定到四柱液壓機上(凸凹模制作見第三節儲罐罐頂瓜瓣壓制模具的設計原則和制作方法);

將下好的瓜瓣料板大頭一端送進四柱壓力機凹模上;

在吊車配合下，由一端開始，逐段送入，逐段壓制，壓制時不能一次壓到設計弧度，避免瓜瓣局部產生過大的變形和皺痕，每壓一段要移動一次板料，距離大小要與前次重合三分之一左右(見圖4)，一般應分兩到三次壓制成型，壓制過程注意隨時卡樣板檢查，通過調整壓力來達到所需要的曲率(第一次試壓采用凸模寬度為460mm，凹模寬度為480mm的模具來壓制，如果第一次試壓成功，且壓力機出力能夠滿足要求的情況下，可將凸模的寬度加大到500mm，同時將凹模的寬度加大到540mm，以利提高壓制效率;如果第二次試壓由于壓力機出力不能滿足要求，應將凸凹模具縮小到第一次試壓時的寬度);

瓜瓣成型后應對其凈料線(注:可視其為瓜瓣水平投影輪廓線)進行檢查，若有必要應對線型進行糾偏，當確認糾偏后的瓜瓣凈料線與地樣上的瓜瓣水平投影輪廓線完全重合時，方可進行下一步的工作。

以糾偏后的瓜瓣凈料線為基準，利用氧、乙炔或等離子切割機切除周邊多余部分(瓜瓣壓制前四周均留有修切余量)最后再按圖紙要求開出坡口。

特別提醒:

壓制瓜瓣是一項較復雜的壓制工藝，不像人們想象的那么簡單，壓此彼放，要想達到完全吻合樣板需要付出相當的時間和精力，這一過程即稱之為矯正過程，矯正時應先矯寬度方向，后矯長度方向，因為弧欠要比弧過好矯正得多，所以在開始壓制時不要急于求成，應遵循寧欠勿過的原則逐步進行。

6.2 尺寸、外觀及清潔度檢查

尺寸檢查:采用弦長1.5米的樣板測量，其間隙不得大于6mm。

外觀寸檢查:瓜瓣片的邊緣不能有起褶皺現象;冷壓出來的瓜瓣片不應有局部的凸凹不平;瓜瓣片的縱向和橫向要有很好的連續性。清潔度檢查見RCC-M 2000版F6300。

7 補充措施

用于奧氏體不銹鋼成型的工具經清潔和除油以預防受到污染，并且不含鐵素體;

奧氏體不銹鋼工件應盡可能避免與碳鋼接觸，凸凹模上各焊上一塊不銹鋼薄板，防止壓制時加工件與碳鋼模具接觸;設備應由專人操作。

8 結論

目前國內掌握該工藝的生產廠家不多，具備核島球形罐頂冷壓成型加工經驗的單位更少，該技術目前在國內處于領先水平。

球形罐頂冷成型技術的攻克，為公司帶來了極大的經濟效益，如果13臺罐的球形罐頂全部外委加工，嶺澳一期外委合同價為117萬元，而我們自己壓制的費用僅15萬元左右，具有良好的經濟效益。掌握了該技術后， 大大提升了公司儲罐的制造能力，將為公司帶來長期的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]《壓水堆核島機械設計和建造規則》RCC-M2000版.

[2]《板料冷壓成形的工程解析》2004 年7月.胡世光;陳鶴崢編.北京航空航天大學出版社

[3]《工程材料及成型工藝》2007.3.馬壯，趙越超，馬修泉主編.東北大學出版社

[4]核島相關安裝程序

TM-K8031《EM1至EM7和EM10安裝階段的貯存與保護 》

TM-K8012《對奧氏體不銹鋼要禁用的污染物品 》

GH-K1501 《EM7現場預制罐板材冷成型》

PTR、ASG、 TEP罐施工圖紙