核電站永久性堆腔密封環防變形焊接工裝設計

林法振 杜 康

(山東核電設備制造有限公司技術中心，山東 海陽265118)

核電站永久性堆腔密封環，介于反應堆壓力容器密封邊與燃料池墊板之間，為一圓形水密封裝置。該裝置既可以阻止水浸入反應堆腔，也可以吸收反應堆壓力容器徑向和垂向的膨脹。永久性堆腔密封環由6段相同的弧形結構組成，該結構是一種L型截面高精度長弧形不銹鋼薄板焊接件。

傳統防變形裝置只能對較規則板進行焊接剛性固定，難以同時完成對薄壁弧形結構的高精度組對、焊接變形控制及通過一次裝夾對工件進行多方位焊接等功能。因此，文中重點對堆腔密封環弧形結構防變形裝置進行設計，在對堆腔密封環弧形結構制造工藝進行分析的基礎上，結合堆腔密封環弧形結構組對精度高、焊接變形大、尺寸精度要求高、翻轉焊接困難等問題，設計出一種滿足其制造要求的防變形焊接工裝。

1 堆腔密封環產品結構及難點分析

堆腔密封環弧形結構實體見圖1。

堆腔密封環弧形結構由水平弧形板、垂直弧形板、支撐板1、支撐板2組焊而成，其截面圖如圖2所示。該弧形結構在焊接過程中存在如下工藝難點：

(1)焊前組對精度高，兩厚度為3 mm薄板棱與棱之間組對成一條長度約3 000 mm的弧線，并保證兩板間角度為90°(0，+0.45°)，難度大。

(2)工件焊縫多，在總長約350 mm、厚度為3 mm的橫截面上，需焊接5條角焊縫，剛性差，容易變形。

(3)尺寸精度高，不易保證。

如圖1、2所示，組件焊接完畢，應保證：①在弧長3 000 mm×寬度135 mm×厚度3 mm平面上，平面度控制在1.5 mm之內；②在長度3 000 mm弧線上，兩3 mm厚不銹鋼板間角度均為90°(0，+0.45°)；③焊接件整體圓弧角度控制在60°(-0.02°，0)；④焊接件半徑尺寸在約束狀態下達到R2800 mm(-2 mm，0)。

(4)表面質量要求高，焊接、裝夾過程中表面保護困難。

2 防變形工裝結構設計

為有效克服堆腔密封環弧形結構制造中的以上工藝難點，特設計防變形工裝一套，該工裝可完成對弧形結構進行快速/高精度焊前組對、焊接變形控制、一次裝夾實現多方位焊接等功能，保護產品在焊接過程中的表面質量，以最終制造出合格的產品。

防變形工裝結構簡圖如圖3所示，由旋轉機構和 旋轉支架兩部分組成。其中工裝主體結構見圖4。

2.1 箱體結構設計及有限元分析

圖4中，箱體6為封閉結構，強度可靠。為提高該箱體的強度、節省空間，箱體內部按45°定位角度配置了加強筋板9。焊接在箱體上的水平定位板7、弧形定位板8在經過數控機床加工后，其定位精度可長期保持。因此對箱體結構進行了有限元分析。

(1)創建有限元模型

根據設計要求，選擇箱體材料為Structural Steel。建立箱體結構三維模型并進行網格劃分.其網格劃分效果圖如圖5所示。

(2)添加約束和載荷

箱體結構主要實現堆腔密封環的支承及工件焊接時的變形抑制。在兩旋轉軸端部施加圓柱約束，箱體結構本身重量在垂直方向上加載一個大小為9.8 m/s2向下的加速度，對水平定位板和弧形定位板施加載荷，載荷大小為5 MPa。約束和施加載荷如圖6所示。

(3)計算結果分析

靜力分析結果如圖7所示。

由圖7可以看出，箱體水平定位板和弧形定位板最大變形僅為0.34 mm，滿足設計要求。旋轉軸處最大應力為7.8 MPa，遠遠小于材料的屈服強度。

2.2 高精度長弧形定位面設計

根據焊接件結構，設計L型橫截面長弧形定位面，如圖4所示。水平定位板7、弧形定位板8在箱體上呈L形配置，其強度高，變形小，定位面精度可長期保持，使焊接件弧形面和水平面均得到可靠定位。該L型定位面，由數控機床在一次裝夾中加工而成，形狀和位置精度均在±0.2 mm之內，滿足產品精度要求?；⌒味ㄎ幻姘霃匠叽缗c所焊接件弧面半徑相同，保證焊前準確組對。

2.3 弧面壓緊機構設計

上部壓緊機構3用于水平弧形板定位后的壓緊，該機構的壓緊塊為倒L型，直接焊接在定位板一側，簡單可靠。下部壓緊機構4用于垂直弧形板定位后的壓緊，該機構的底部支撐與箱體焊接至一起，并由箱體底部延伸而出，使壓緊機構與旋轉體成一個整體，結構簡單、緊湊。經實踐證明，此種壓緊機構剛性和強度均可靠。

弧形壓板5共13塊，采用分列式壓緊法，壓板弧度與所壓工件表面弧度相同，壓板厚度>10 mm，長200 mm，剛性好，壓板弧面變形小，壓力分布均勻，壓緊可靠，可有效地控制不銹鋼薄板在焊接過程中所產生的波浪變形[2]。

2.4 旋轉機構設計

堆腔密封環弧形結構焊接過程中需翻轉焊接，故該裝置采用了旋轉結構設計，代替了焊接過程中行車對夾具體的翻轉。

2.4.1 旋轉中心的確定

通過三維建模軟件UG分析，找出夾具體在支撐軸垂直面上的重心坐標，使支撐軸的旋轉中心線通過重心并垂直于定位面，防止旋轉偏心[4]。依據重心坐標點位置，數控加工兩支撐軸的定位孔，保證兩支撐軸同心，使得軸承旋轉平穩、減小摩擦阻力。見圖8。

2.4.2 旋轉及固定

旋轉箱體可在旋轉支架上進行360°旋轉。如圖9，在旋轉箱體上設計了3個定位塊，采用定位銷軸固定鎖緊的方法，使夾具體在旋轉過程中具有3個固定工位，以滿足工件在組焊過程中各工序的要求[3]，方便了對產品各方位焊縫的翻轉焊接，結構簡單，易于操作，降低了勞動強度，同時也避免了因翻轉而造成的工件變形。

3 應用效果

截至目前，該防變形工裝已應用完成國內4個核電站機組的堆腔密封環高精度長弧形不銹鋼薄板焊接部件的制造，產品檢驗合格，已交付電站使用。

實踐證明，該裝置結構安全、強度可靠，可有效、快捷地完成高精度長弧形不銹鋼薄板焊接部件快速準確組對、控制焊接變形、保護表面粗糙度等功能，保證產品質量合格。防變形工裝實物如圖10所示。

4 結語

基于核電站永久性堆腔密封環弧形結構焊接過程中出現的制造難點，設計了一種防變形焊接工裝。并在設計時對其薄弱部位進行了強度校核，對其旋轉中心進行了軟件分析計算。經工程實踐證明，運用該裝置可有效地解決核電站堆腔密封環弧形結構的各種制造難點。

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