核電汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子制造典型質(zhì)量問題分析和監(jiān)造措施

劉世輝，陳富彬，周新華

(三門核電有限公司，浙江臺(tái)州， 317112)

核電汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子制造典型質(zhì)量問題分析和監(jiān)造措施

劉世輝，陳富彬，周新華

(三門核電有限公司，浙江臺(tái)州， 317112)

文章簡要介紹了核電汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子設(shè)備制造中的幾個(gè)典型質(zhì)量問題的發(fā)生、原因分析和處理過程以及質(zhì)量監(jiān)督的應(yīng)對(duì)措施，為后續(xù)核電汽輪機(jī)制造過程質(zhì)量監(jiān)督提供了參考。

核電汽輪機(jī)，質(zhì)量監(jiān)督，不符合項(xiàng)

1 概述

汽輪發(fā)電機(jī)組主要功能是把二回路的蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)做功發(fā)電[1]。以AP1000汽輪機(jī)為例，采用1個(gè)高壓缸、3個(gè)低壓缸的串聯(lián)布置結(jié)構(gòu)，如圖1所示[2]。目前我國運(yùn)行和在建的核電機(jī)組中，核電汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子有3種結(jié)構(gòu)形式：整鍛轉(zhuǎn)子、套裝轉(zhuǎn)子和焊接轉(zhuǎn)子，3種結(jié)構(gòu)各有利弊。本文以套裝轉(zhuǎn)子為例（俗稱 “紅套轉(zhuǎn)子”），利用熱脹冷縮原理實(shí)現(xiàn)輪盤與中心軸過盈配合的工藝方法；簡單講，就是通過加熱輪盤使其內(nèi)孔直徑脹大 （略大于中心軸外圓直徑），在熱態(tài)情況下實(shí)現(xiàn)輪盤與中心軸的套裝；隨著輪盤逐漸冷卻，內(nèi)圓直徑收縮，最終實(shí)現(xiàn)與中心軸之間過盈裝配。優(yōu)點(diǎn)是輪盤與軸分別單獨(dú)制造，鍛件小，加工方便。缺點(diǎn)是葉輪孔處應(yīng)力較大、轉(zhuǎn)子的剛性差，在高溫運(yùn)行過程中，蠕變易使葉輪與主軸套裝處產(chǎn)生松動(dòng)現(xiàn)象，快速啟動(dòng)適應(yīng)性差[3]。

由于大型核電汽輪機(jī)組的蒸汽流量為大型火電汽輪機(jī)組蒸汽流量的2倍，這使得核電機(jī)組向大容量方向發(fā)展，其制造難度加大，制造投資成本增加，所以，對(duì)核電汽輪機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子部件的質(zhì)量監(jiān)督提出了更高的要求。

圖1 核電汽輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

2 質(zhì)量監(jiān)督的策劃工作

由于核電汽輪機(jī)組的制造難度加大，質(zhì)量監(jiān)督要求更高，為了更好地保證質(zhì)量監(jiān)督工作的規(guī)范性和有效性，質(zhì)量監(jiān)督人員在監(jiān)督工作實(shí)施前開展了一系列分析策劃活動(dòng)：編寫監(jiān)造大綱，主要在于明確質(zhì)量目標(biāo)和要求、監(jiān)督過程及所采用的方法和手段、所需資源、所需記錄及結(jié)果的驗(yàn)收準(zhǔn)則等內(nèi)容。主要的監(jiān)督策劃活動(dòng)包括：熟悉規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、圖紙等技術(shù)文件，熟悉加工、裝配、焊接、無損等基本技能，掌握監(jiān)督程序文件和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)反饋，制定設(shè)備制造風(fēng)險(xiǎn)分析等工作。

2.1 對(duì)合同、上游技術(shù)文件的消化吸收

供貨合同是質(zhì)量監(jiān)督人員與供應(yīng)商之間溝通的依據(jù)和基礎(chǔ)，質(zhì)量監(jiān)督人員通過研讀合同文件，掌握合同中技術(shù)要求、重大進(jìn)度節(jié)點(diǎn)、質(zhì)量監(jiān)督要求等，在監(jiān)督策劃過程中逐項(xiàng)落實(shí)合同要求。

上游技術(shù)文件主要包括設(shè)備規(guī)格書 （或產(chǎn)品說明書）、設(shè)計(jì)圖紙、采購規(guī)范、技術(shù)條件、試驗(yàn)及檢驗(yàn)規(guī)程等。這類文件主要用于指導(dǎo)設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)，質(zhì)量監(jiān)督人員熟悉上游技術(shù)文件有利于加強(qiáng)對(duì)制造廠設(shè)備生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制，所以，質(zhì)量監(jiān)督人員不光要熟悉掌握原材料采購規(guī)范、圖紙及制造技術(shù)規(guī)范、裝配操作規(guī)范、特殊工藝要求 （如：動(dòng)平衡試驗(yàn)規(guī)范），還要熟悉相關(guān)的無損探傷規(guī)范及設(shè)計(jì)方引用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等。

2.2 對(duì)質(zhì)量監(jiān)督管理程序和監(jiān)造技術(shù)文件熟練掌握

質(zhì)量監(jiān)督人員還應(yīng)做好監(jiān)督程序的準(zhǔn)備工作，熟練掌握質(zhì)量監(jiān)督管理程序，主要包括合同規(guī)定的外發(fā)制造廠的質(zhì)量管理程序和規(guī)范質(zhì)量監(jiān)督人員自身工作行為的監(jiān)督程序。如：設(shè)備制造活動(dòng)中不符合項(xiàng)處理、設(shè)備制造質(zhì)量監(jiān)督、工程物資的交付、運(yùn)輸、到貨檢驗(yàn)和現(xiàn)場倉儲(chǔ)管理等。還應(yīng)該熟練掌握包括設(shè)備制造質(zhì)量監(jiān)督分級(jí)文件、專用監(jiān)督計(jì)劃、監(jiān)督導(dǎo)則等質(zhì)量監(jiān)督技術(shù)文件。

2.3 對(duì)設(shè)備制造風(fēng)險(xiǎn)分析和監(jiān)造難點(diǎn)的預(yù)判

質(zhì)量監(jiān)督人員結(jié)合專業(yè)知識(shí)，通過對(duì)設(shè)備制造過程工藝流程的分析，對(duì)設(shè)備制造過程中重大質(zhì)量事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別和評(píng)估，制定風(fēng)險(xiǎn)分析跟蹤記錄文件，在工序進(jìn)行中做到事前分析制造難點(diǎn)，事中提醒跟蹤措施，事后總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，切切實(shí)實(shí)達(dá)到質(zhì)量監(jiān)督風(fēng)險(xiǎn)分析的目的。

3 核電汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子制造中典型質(zhì)量問題分析和監(jiān)造應(yīng)對(duì)措施

通過對(duì)上述的質(zhì)量監(jiān)督準(zhǔn)備工作，質(zhì)量監(jiān)督人員對(duì)所監(jiān)督的設(shè)備達(dá)到知己知彼，但是在實(shí)際制造中，出現(xiàn)了各種各樣的質(zhì)量問題，下面就其中的典型質(zhì)量問題進(jìn)行原因分析和質(zhì)量監(jiān)督所采取的措施，以期對(duì)后續(xù)同類設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督提供經(jīng)驗(yàn)反饋。

3.1 低壓轉(zhuǎn)子機(jī)加工過程典型質(zhì)量問題和監(jiān)督應(yīng)對(duì)措施

核電汽輪機(jī)組套裝低壓轉(zhuǎn)子，如圖2所示，最大直徑Φ2 975 mm，長度為11 950 mm，重量為156 800 kg，帶葉片最大直徑Φ5 600 mm，重量達(dá)到180 800 kg。第1～3級(jí)為叉型葉根，4～5級(jí)為圓弧樅樹型葉根。1～3級(jí)為自帶冠葉片，次末級(jí)、末級(jí)沒有圍帶，末級(jí)葉片汽道為57″葉片[2]。

圖2 核電套裝低壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

以套裝低壓轉(zhuǎn)子機(jī)加工為例，如圖3所示，其工藝加工過程是：粗車 （留余量1 mm）→磁粉檢查→半精車 （留余量0.25 mm）→精車→劃線→鏜靠背輪聯(lián)結(jié)孔→銑輪槽 （4～5級(jí)）→鉆葉根銷孔 （1～3級(jí)）→鉗工倒角→修平衡槽鎖口。其中，低壓轉(zhuǎn)子的精度要求非常高，兩軸頸的全跳動(dòng)精度要求≤0.015 mm，圓柱度≤0.015 mm，表面粗糙度≤Ra0.8 mm；所以機(jī)加工是套裝低壓轉(zhuǎn)子制造質(zhì)量監(jiān)督的重點(diǎn)。制造中出現(xiàn)了一些典型的質(zhì)量問題。

圖3 核電低壓轉(zhuǎn)子機(jī)加工

某項(xiàng)目2#低壓紅套轉(zhuǎn)子電機(jī)端三級(jí)輪盤半精刀鏜銑輪槽過程中，由于刀具斷裂導(dǎo)致槽底和輪槽兩側(cè)壁被碰傷，不滿足設(shè)計(jì)圖紙的要求，其中最嚴(yán)重的碰傷長11 mm，寬7 mm，深1 mm，如圖4所示。

圖4 誤加工后的輪槽

發(fā)生該質(zhì)量問題后，設(shè)計(jì)部門通過三維模型進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖5所示，誤加工后的應(yīng)力分布與設(shè)計(jì)模型基本一致，最大應(yīng)力比設(shè)計(jì)應(yīng)力有所提高，如圖6～7所示；雖然沒有產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，而且最大應(yīng)力值沒有超過材料的屈服極限，強(qiáng)度考核是合格的；最終還是通過修磨，減少應(yīng)力集中，確保損傷后的輪槽的安全性得到保障。

圖5 輪槽損傷后的應(yīng)力情況

圖6 輪槽設(shè)計(jì)模型

圖7 輪槽損壞后的模型

綜上所述，在低壓轉(zhuǎn)子的機(jī)加工過程中，質(zhì)量監(jiān)督人員應(yīng)該對(duì)以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)督：臥式車床加工精度的檢查、轉(zhuǎn)子上車床找正后對(duì)加工前軸向跳動(dòng)和外圓跳動(dòng)的檢查、轉(zhuǎn)子精加工后各臺(tái)階尺寸的檢查、軸頸圓度的檢查、粗糙度和跳動(dòng)的檢查、表面磁粉探傷的檢查、輪槽的檢測 （如：分度精度節(jié)距的檢測、槽寬檢測、深度檢測、型線檢測 （葉根試塊、通止規(guī)））等。

3.2 低壓轉(zhuǎn)子和輪盤間騎縫銷孔加工典型質(zhì)量問題和監(jiān)督措施

輪盤紅套是低壓紅套轉(zhuǎn)子的核心技術(shù)，制造廠、質(zhì)量監(jiān)督人員都比較重視，所以無論從文件準(zhǔn)備、人員培訓(xùn)、模擬訓(xùn)練、質(zhì)量監(jiān)督等方面進(jìn)行了全方位的關(guān)注，但是，在制造過程中，很小的失誤都會(huì)造成大影響，例如：

某項(xiàng)目汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子Ⅱ調(diào)閥端一級(jí)輪盤加工騎縫銷孔時(shí) （如圖8所示），由于操作人員使用鉸刀進(jìn)入太深，導(dǎo)致3個(gè)騎縫銷孔的輪盤內(nèi)弧面被鉸刀刮傷。1#孔 （12點(diǎn)鐘）位置劃傷長9.06 mm、寬3.74 mm；4#孔 （2點(diǎn)鐘）位置劃傷長6.90 mm、寬3.00 mm（如圖9所示）；5#孔 （9點(diǎn)鐘）位置劃傷長9.65 mm、寬2.35 mm。

圖8 騎縫銷位置圖

圖9 一級(jí)輪盤騎縫銷孔4#孔加工失誤

輪盤騎縫銷孔設(shè)計(jì)尺寸要求Φ20H7（+0.021 mm），由于孔深導(dǎo)致加工鉆床懸臂長，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鉆軸晃動(dòng)大；孔精度要求高導(dǎo)致加工工步多，經(jīng)歷鉆、鉸和研磨，使用的鉸刀刃薄且硬，才可以鉸出粗糙度高的孔徑，相對(duì)來說，鉸刃就脆性高，容易斷裂，尤其是當(dāng)鉆床刀臂晃動(dòng)厲害或與鉆孔中心線平行度不好時(shí)，均會(huì)使刀刃受力不均而易崩刃。

雖然騎縫孔并不是主要承擔(dān)傳遞葉輪力矩作用的孔，是套裝葉輪在轉(zhuǎn)子超速時(shí)離心作用造成孔徑達(dá)到極限時(shí)防止葉輪松動(dòng)的保險(xiǎn)銷，但對(duì)機(jī)組葉輪強(qiáng)度的變化還是有一定影響，調(diào)閥端一級(jí)輪盤壽命評(píng)估無法滿足設(shè)計(jì)要求，直接導(dǎo)致最終機(jī)加工去除該級(jí)輪盤。這是典型的非關(guān)鍵工序造成 “陰溝翻船”的案例。

質(zhì)量監(jiān)督人員吸取低壓紅套轉(zhuǎn)子中心軸和輪盤之間騎縫銷孔加工教訓(xùn)，在低壓轉(zhuǎn)子輪盤紅套工序中除了重點(diǎn)監(jiān)督：轉(zhuǎn)子中心軸吊上紅套滾輪架后水平度和徑向跳動(dòng)檢查、低壓轉(zhuǎn)子中心軸清潔度檢查、加熱記錄檢查、紅套過程全程跟蹤、紅套后輪盤冷跑校調(diào)檢查等，還對(duì)核電機(jī)組紅套轉(zhuǎn)子輪盤騎縫銷孔Φ20加工與裝配操作過程，要求操作人員自檢、質(zhì)檢人員專檢、工藝人員復(fù)查，加強(qiáng)對(duì)中心軸和輪盤之間騎縫銷孔加工先決條件檢查、加工過程巡檢和騎縫銷孔最終驗(yàn)收，避免類似質(zhì)量問題重復(fù)發(fā)生。

3.3 低壓轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)中典型質(zhì)量問題和監(jiān)督措施

汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子為撓性轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子直徑包括末級(jí)直徑達(dá)到5 m多，轉(zhuǎn)子重量達(dá)260 t，動(dòng)平衡試驗(yàn)是低壓紅套轉(zhuǎn)子裝配完工后最重要的性能試驗(yàn)項(xiàng)目，也是驗(yàn)證輪盤、靠背輪紅套和動(dòng)葉裝配質(zhì)量的重要指標(biāo)。質(zhì)量監(jiān)督人員對(duì)于此工序采取全程跟蹤的方式進(jìn)行見證。

例如：某項(xiàng)目汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子在進(jìn)行動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于調(diào)閥端、電機(jī)端軸頸與靠背輪端面距離不同，特別是電機(jī)端圖紙距離為2 530 mm，制造廠依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為外伸的電機(jī)端靠背輪部分會(huì)因?yàn)樽陨頁闲援a(chǎn)生動(dòng)平衡時(shí)的 “擺尾”影響，因此按照習(xí)慣采取電機(jī)端后支承擺架外移800 mm方案進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn) （如圖10所示），結(jié)果導(dǎo)致動(dòng)平衡性能指標(biāo)無法滿足技術(shù)要求。用西屋公司軟件模擬計(jì)算了轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)曲線，發(fā)現(xiàn) “擺尾”影響反而出現(xiàn)在擺架外移狀況下。

圖10 低壓轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡示意圖

質(zhì)量監(jiān)督人員和制造廠一起認(rèn)真復(fù)查工藝制造流程，分析認(rèn)為電機(jī)端聯(lián)軸器存在不平衡；主要原因在套圈機(jī)加工后沒有進(jìn)行過平衡檢查；配裝騎縫圓銷時(shí)存在長度不一致情況；圓銷工藝螺孔加工中也存在深度上的偏差 （盲孔）。綜上所述，累積各種偏差后，使聯(lián)軸器產(chǎn)生不平衡量。對(duì)此，制造廠采取了整改措施：在加工過程中增加聯(lián)軸器套圈的平衡工序；在加工騎縫圓銷的長度和工藝螺孔時(shí)進(jìn)行配裝，以消除聯(lián)軸器的不平衡；同時(shí)，也把原工序超速試驗(yàn)-動(dòng)平衡-車準(zhǔn)轉(zhuǎn)子圍帶，調(diào)整為超速試驗(yàn)-車準(zhǔn)圍帶-動(dòng)平衡，以減少車圍帶工序?qū)?dòng)平衡的影響。最重要的是：對(duì)電機(jī)端的擺架在許可條件下內(nèi)移170 mm，最終做出了較為理想的結(jié)果，滿足了1 500 r/min時(shí)，軸承振動(dòng)速度≤0.3 mm/s的技術(shù)要求。

在后續(xù)的質(zhì)量監(jiān)督檢查中，質(zhì)量監(jiān)督人員重點(diǎn)關(guān)注了低壓紅套轉(zhuǎn)子各級(jí)動(dòng)葉裝配后檢查、動(dòng)平衡試驗(yàn)程序是否考慮支架位置的問題、頂軸油清潔度檢查、動(dòng)平衡試驗(yàn)前工序是否考慮騎縫圓銷、聯(lián)軸器套圈平衡問題等，確保了動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)的成功。

3.4 低壓缸制造典型質(zhì)量問題和監(jiān)督措施

汽輪機(jī)低壓缸是大型鋼結(jié)構(gòu)焊接部件，主要零部件包括低壓內(nèi)缸Ⅰ、低壓內(nèi)缸Ⅱ、低壓轉(zhuǎn)子、低壓各級(jí)隔板、進(jìn)汽和排汽導(dǎo)流環(huán)、波紋管等，如圖11～12所示。

圖11 低壓缸結(jié)構(gòu)剖視圖

圖12 低壓缸結(jié)構(gòu)圖

低壓缸制造的關(guān)鍵工序是下料、劃線定位、裝焊、熱處理、機(jī)加及總裝。其中，裝焊階段的監(jiān)督重點(diǎn)是低壓導(dǎo)流環(huán)堆焊的質(zhì)量監(jiān)控，主要因?yàn)槎押傅暮附恿糠浅４螅鄯蠼饘俣押负穸取? mm，而且低壓導(dǎo)流環(huán)整體外形尺寸為Φ7 100 mm，高883 mm，重量11 300 kg，焊接難度極大，所以，為保證焊接位置，只能大端向下在40 t變位器上進(jìn)行裝卡，裝卡時(shí)由于直徑超過變位器要求，只能偏心裝卡來保證焊接過程的穩(wěn)固。所以，質(zhì)量監(jiān)督人員對(duì)堆焊工序進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)督：檢查焊接數(shù)據(jù)包的完整性，焊接過程中參數(shù)的穩(wěn)定性。在對(duì)堆焊變形的控制中，質(zhì)量監(jiān)督人員重點(diǎn)關(guān)注操作人員是否按照工藝要求在堆焊前執(zhí)行尺寸測量，并打上樣沖眼，在堆焊后測量尺寸以明確變形量是否在變形范圍內(nèi)。

在低壓缸的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，由于缸體是焊接件容易變形，而且在機(jī)加過程中部分部位粗糙度要求很高，所以，質(zhì)量監(jiān)督人員在總裝過程中重點(diǎn)測量各個(gè)配合間隙是否滿足≤0.1 mm的要求；這對(duì)機(jī)加提出了較高要求，也是監(jiān)督員的關(guān)注重點(diǎn)。在總裝過程中調(diào)水平是先決條件，調(diào)水平精度的優(yōu)良程度對(duì)裝配起至關(guān)重要的作用，水平的誤差要求≤0.05 mm，再下一步就是對(duì)汽缸找中心、拉鋼絲、測量汽缸的同心度，要求≤0.05 mm，以確保最終裝配符合圖紙要求。以上就是汽輪機(jī)低壓缸制造過程中質(zhì)量監(jiān)督需要關(guān)注的幾點(diǎn)。

4 總結(jié)

本文依據(jù)設(shè)備制造質(zhì)量監(jiān)督體系對(duì)核電汽輪機(jī)低壓紅套轉(zhuǎn)子質(zhì)量監(jiān)督工作的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和監(jiān)督措施進(jìn)行分析，通過對(duì)低壓紅套轉(zhuǎn)子制造監(jiān)督實(shí)施中遇到的幾個(gè)重要質(zhì)量問題進(jìn)行梳理和分析，確定質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)，分析質(zhì)量監(jiān)督應(yīng)對(duì)措施，為后續(xù)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子的質(zhì)量監(jiān)督提供參考。

[1]廣東核電培訓(xùn)中心.900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京:原子能出版社,2007

[2]林誠格,郁祖盛.非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000[M].北京:原子能出版社,2008

[3]王巖,范旭日,邵飛.壓水堆核電站汽輪機(jī)的特點(diǎn)分析[J].科學(xué)技術(shù),2011,（5）:145

Typical Quality Problems and Supervision Measures for Low Pressure Rotor of Nuclear Steam Turbine

Liu Shihui，Chen Fubin，Zhou Xinhua

（SANMEN Nuclear Power Co.,Ltd.,Taizhou Zhejiang,317112）

The article briefly introduced several typical quality problems occuring during equipment manufacturing of the nuclear steam turbine low pressure rotor,reason analysis,treatment process and quality supervision measures.It provided a reference for the quality supervision of follow-up nuclear steam turbine manufacturing process.

nuclear steam turbine,quality supervision,non-conformance reports

TM263

B

1674-9987（2015）03-0064-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.015

劉世輝 （1975-），男，碩士，2005年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)化工機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)在三門核電公司從事設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督工作。