三代核電蒸汽發生器抗振條的制造技術研究

□夏炎鑫□袁亞蘭□束志華

1上海電氣核電設備有限公司　上海　201306

2丹陽市龍鑫合金有限公司　江蘇丹陽　212352

三代核電蒸汽發生器抗振條的制造技術研究

□夏炎鑫1□袁亞蘭1□束志華2

1上海電氣核電設備有限公司上海201306

2丹陽市龍鑫合金有限公司江蘇丹陽212352

核電蒸汽發生器的抗振條是管束部分的關鍵部件，抗振條呈V形，兩端連接端帽。三代核電蒸汽發生器抗振條的厚度、角度、材料、加工精度等方面要求很高，制造難度大。研究了第三代先進壓水堆核電蒸汽發生器抗振條的制造關鍵技術，從不銹鋼棒料成型及加工、抗振條角度彎制、抗振條檢測技術、抗振條R區修磨、抗振條與端帽裝配墩壓等方面進行研制開發，成功研制出三代核電蒸汽發生器抗振條模擬件，實現了產品自主化和國產化，填補了國內空白。

蒸汽發生器是核電站核島的主要設備，抗振條是蒸汽發生器管束部分的關鍵部件。抗振條呈V形，兩端連接端帽。在管束的U型管之間插入抗振條，用于U型管的固定。抗振條的制造精度、抗振條和U型管之間的裝配間隙控制會直接影響U型管的使用壽命，因此，對抗振條的材料性能、尺寸加工精度和彎曲成型工藝均提出了很高要求［1］。與二代加核電蒸汽發生器所用抗振條相比，三代核電蒸汽發生器抗振條在厚度、角度、材料和加工精度等方面都有較大改變，給制造工藝帶來新的技術難題。

1　抗振條的結構特點和工藝難點

1.1抗振條的結構特點

三代核電蒸汽發生器抗振條共有6組，總計978根。抗振條本體采用鐵素體SA-479 TY405不銹鋼制造，端帽采用SB-166 N06690鎳基材料制造，外形包含了268個角度。兩種不同堆型（二代加和三代）的蒸汽發生器抗振條參數對比見表1。

表1　二代加和三代核電蒸汽發生器抗振條參數對比

1.2抗振條制造工藝難點

三代核電蒸汽發生器抗振條設計制造精度要求為：①厚度尺寸：（4.028±0.013）mm；②平面度：0.25 mm/300 mm，整根≤1.5 mm；③直線度：3 mm/300 mm，整根≤9.6 mm；④平行度：0.025 mm；⑤表面粗糙度：1.6μm。

由上述要求可見，為了確保抗振條研制滿足設計尺寸要求，對抗振條制造過程中的冷拔、精磨、彎制成型、R區修磨等工藝提出了愈加嚴格的要求。抗振條制造工藝難點包括：①抗振條棒材尺寸控制工藝；②抗振條彎制工藝；③抗振條檢測工藝；④抗振條平面度控制工藝；⑤抗振條與端帽的裝配工藝。

2　三代核電蒸汽發生器抗振條制造工藝、開發內容、過程和結果

2.1不銹鋼棒材成型工藝

不銹鋼棒料SA-479 TY405需要經過鍛打、熱軋、冷拔，每道工序在執行過程中均有修磨步序，才能確保材料表面質量達到技術要求。材料鍛打成坯后，對棒材進行超聲波檢查，確保材料內部無缺陷。不銹鋼棒材最終成形時，采用精度較高的聚晶模進行拉拔。

由于三代核電蒸汽發生器抗振條的最大跨度達3 964 mm，為了有效控制棒材的平面度和表面粗糙度，滿足設計要求，與設備制造廠家聯合研制了新型數控磨床，如圖1所示。棒材冷拔完成后，平鋪在平面磨床工作臺上對棒材進行修磨，通過磨床的工作臺和磨頭對棒材外形進行修正，以確保棒材的厚度、寬度、扭曲度和平整度滿足圖紙要求，達到要求后才能進行抗振條角度彎制。

圖1　平面磨床

2.2抗振條角度彎制工藝

三代核電蒸汽發生器抗振條外形共包含了268個角度，角度公差±0.5°。抗振條在彎制成型過程中，因為材料的拉伸性能及加工硬化等因素，棒材冷折彎過程伴隨著材料的彈性形變和塑性形變［2］，有一個回彈的過程，回彈數據掌握不好，會造成角度與圖紙要求不符合。同時，彎制角度大小的不同對材料的回彈也會產生影響。因此，在抗振條彎制時需要反復試驗、修正、再試驗，摸索到材料的回彈率，從而選定彎制時的角度設定值。抗振條共計268個角度，分為6組，對于每組抗振條選擇一個角度進行折彎試驗（見表2），以此來摸索抗振條的回彈率。

通過反復多次試驗，總結得出抗振條折彎角度越小，回彈率越大，并確定每組抗振條彎制的最佳角度值（見圖2）。在產品正式彎制前，需加強以下工序質量的控制：①材料熱處理工藝必須一致，確保材料的性能滿足要求［3］；②反復試驗，研究獲得棒材的回彈系數，通過數控精準設定折彎角度；③批量折彎前取一小段材料進行復驗，確認輸入數據。

2.3抗振條檢測工藝

以往的核電項目，如300 MW、600 MW和1 000 MW二代加核電蒸汽發生器［4］的抗振條都為三個角度一組，抗振條角度測量采用專用模具進行，而三代核電蒸汽發生器有268個角度，采用模具測量效率很低。當使用傾角儀測量抗振條角度時，需要將抗振條處于豎直位置，且抗振條的一條腿必須與測量平臺貼合，而抗振條最長可達3 964 mm，將其豎直，可能使其產生形變或者扭曲。由于三代抗振條的高要求，需開發設計一種新型專用角度測量儀，該測量儀通過傳感器來測量角度，角度誤差可以精確到0.01°，如圖3所示。在測量時，將抗振條的兩條腿定位于測量平臺的導軌上，測量儀通過導軌與抗振條兩條腿的內側接觸，從而測出抗振條的角度，并用計算機采集角度數據，以此來滿足該檢驗項目。

表2　抗振條彎曲角度試驗（°）

圖2　抗振條角度彎制

圖3　角度測量儀

使用該儀器測量角度，簡單易操作，測量結果直接顯示，角度的測量精度達到了0.005°，完全滿足使用要求。

2.4抗振條R區修磨工藝

由于抗振條彎曲過程中材料受到彎曲應力的作用，且在R區的外應力面上受到拉力的影響，因此靠近外應力面的兩個側面的截面積尺寸變小。與此同時在彎曲的內應力面上受到壓應力的影響，靠近內應力面的兩個側面的截面積尺寸變大，顯然這是一個新的難點，即如何保證角度彎曲時受力的截面積尺寸不變，使厚度、平行度、平面度的指標在設計規定的公差范圍之內。同時，三代核電蒸汽發生器抗振條對R區增厚區除了有厚度要求外，還增加了平行度的要求，難度更大。

在最初階段，R區增厚區采用手工打磨的方法，但手工打磨成型質量差，不好控制，且不能滿足抗振條整體平行度0.025 mm的要求。經多次試驗，設計了一款新型平面磨床，并且定制了專用模具，專用于R區打磨。新型平面磨床的工作臺具有磁性，抗振條只要放置在工作平臺上即可打磨，無需進行額外的固定工作。磨床采用砂輪進行打磨，砂輪的定位磨削深度和進給量采用數控進行設定。

2.5尺寸的最終檢驗工藝

抗振條角度彎制、角度測量和R區打磨完成后，將其就位于測量平臺進行尺寸的最終檢查。整根抗振條的平面度要求為0.25 mm/300 mm和1.5 mm /總長。測量平臺是針對三代核電蒸汽發生器抗振條的平面度檢測要求定制的，其精度達到雙零等級。最終尺寸檢查時，抗振條就位于測量平臺，用塞尺檢查抗振條與測量平臺的間隙，如果平面度不滿足圖紙要求，則進行人工修整，直至整根抗振條的平面度滿足設計要求為止。如圖4所示為抗振條的最終尺寸檢查。

圖4　抗振條最終尺寸檢查

2.6抗振條與端帽裝配工藝

抗振條本體采用鐵素體不銹鋼SA-479 TY405，端帽采用SB-166 N06690鎳基材料，按照設計要求，抗振條與端帽裝配后，為了防止端帽被拉脫，要在抗振條上四處和端帽上一處墩壓固定，且滿足拉脫力F≥4 448 N。鐓壓及拉脫力考核需要經過多次試驗，試驗前需定制鐓壓模具，并確定墩壓參數。試驗時，根據拉脫力的大小來修正墩壓力，最終根據墩壓的深度和圓角尺寸對模具進行改進，并在墩壓模具上增加深度控制工裝，從而保證5點墩壓一次成型。抗振條和端帽墩壓工藝試驗拉脫力數據如表3所示，抗振條和端帽墩壓如圖5所示。

表3　抗振條和端帽墩壓拉脫力數據

圖5　抗振條和端帽墩壓

3　結論

三代核電蒸汽發生器抗振條國產化所面臨的一系列難題被逐個攻克。通過對制造工藝的試驗、研究以及模擬件制作與改進，最終全面掌握了三代核電蒸汽發生器抗振條制造工藝技術，抗振條模擬件如圖6所示。

圖6　抗振條產品模擬件

（1）掌握了抗振條精確成型及檢測技術、抗振條與端帽墩壓工藝，以及產品的最終檢測技術。

（2）形成了一整套抗振條制造專業生產裝備。

（3）成功研制出一整套三代核電蒸汽發生器抗振條模擬件，實現了配套產品自主化和國產化，達到了抗振條的專業化生產能力，填補了國內三代核電蒸汽發生器抗振條制造技術的空白。

［1］景軍濤，羅吾希，江才林，等.ERP蒸汽發生器制造過程中變形控制的研究［J］.上海電氣技術，2012，5（4）：38-42.

［2］張鐵山.板料沖壓成形中的摩擦與回彈研究——基于分形理論和神經網絡的板料沖壓成形接觸摩擦與回彈研究［D］.南京：南京理工大學，2004.

［3］王信友.沖壓工藝與模具設計［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［4］孫德意.國內首臺二代加百萬千瓦級核島蒸汽發生器自主研制成功［J］.機械制造，2010，48（10）：4.

The anti-vibration strip in nuclear steam generator is a critical component of the pipe bundles. Anti-vibration strip is made of V type with end caps at both ends.The anti-vibration strip used in the 3rd generations nuclear steam generator are more difficult to be manufactured due to higher requirements on thickness，angles，materials and manufacturing accuracy.Researched on the key manufacturing technology of the anti-vibration strip for the 3rd generation of nuclear power steamer in advanced pressurized water reactor.By research and development on molding&processing of the stainless steel bar，angle bending of anti-vibration strip，detection technique of anti-vibration strip，regrinding of R section of anti-vibration strip，assembly& pillar press of anti-vibration strip and end cap etc.，the simulated piece of anti-vibration strip applied to the 3rd generation of nuclear power steamer was developed successfully and the product that fills the domestic blank is realized fully by self-reliance and localization.

核電蒸汽發生器；抗振條；角度彎制；檢測技術；墩壓

Nuclear Power Steamer；Anti-vibration Strip；Angle Bending；Detection Technique；Pillar Press

TH16；TP311.52

A

1672-0555（2016）02-032-04

2016年1月

夏炎鑫（1964—），男，本科，高級工程師，主要從事核島主設備制造技術研究等工作