冷裝技術在核電設備中的應用①

(西安核設備有限公司,陜西　西安　710021)

板焊結構穩壓器是百萬千瓦級壓水堆核電站一回路冷卻劑系統中的主要設備，其主要功能是建立并維護反應堆系統一回路的系統壓力；補償一回路因溫度變化引起的容積變化，緩解因溫度變化引起的壓力波動，避免冷卻劑在反應堆內沸騰；通過噴淋和加熱器來保持穩壓器內水一汽的平衡溫度，把一回路的壓力限制在一個范圍內，并防止一回路超壓。當一回路超壓時，通過安全閥把穩壓器內的蒸汽卸到卸壓箱內。板焊穩壓器均采用電加熱式結構，即通過下封頭上的63個電加熱元件組件來調整控制一回路冷卻劑的溫度及壓力。板焊穩壓器下封頭底部的三組同心圓上分布了63-φ30MF電加熱元件套管孔，63個電加熱元件套管從封頭底外部貫穿插入穩壓器內部，用于安裝、防護和密封電加熱元件組件，見圖1。

圖1　穩壓器下封頭裙座筒體組件Fig.1　Pressure regulator lower head skirt cylinder assembly

為了滿足核電站復雜工況需求，確保安全穩定運行，設計要求穩壓器下封頭上分布63-φ30MF電加熱套管孔和電加熱套管配合套裝過盈量為0.01～0.03 mm。由于以往公司生產多臺穩壓器結構為鍛焊結構，冷裝工藝技術和操作過程成熟，質量穩定可靠。板焊穩壓器是國內首次制造，無成熟經驗可借鑒，如何順利一次成功地將電加熱套管裝入下封頭電加熱套管孔中，成為制造過程中必須解決的一個工藝難題。針對下封頭組件形狀復雜、體積龐大，而電加熱套管直徑小、外形規則，我們選用冷裝法完成電加熱套管和孔的過盈套裝，并通過試驗摸索制定切實可行、穩定可靠的工藝方案保證冷裝質量。

1　工藝分析

板焊穩壓器下封頭材料為16MnD5+過渡層D309LHR+面層D308LHR多種復合材料，厚度為(115+12)mm,63-φ30MF電加熱套管孔分布于下封頭球形面的三組同心圓上，孔位特殊，故在套管孔加工過程中因封頭外表面曲率不同形成單邊吃刀，在套管孔入口處孔徑軸線存在微量偏移；在套管孔出口端又遇見母材、堆焊過渡層和堆焊面層面產生了4種不同硬度的加工層，再加上出口端表面曲率不同，套管孔出口端軸心線又產生了微量空間偏移。盡管采用微量法、選用耐磨刀片和強化刀桿消除套管孔徑不同軸因素，但是實際加工套管孔仍存在0.01 mm同軸度誤差。電加熱套管材料為Z2CND18-12控氮不銹鋼，裝配外徑為φ30MF,見圖2。電加熱套管配裝外徑采用磨削加工，因其材料為Z2CND18-12控氮不銹鋼，導熱性能差，磨屑粘附性強易堵砂輪，磨削區溫度高，配磨外圓會產生0.010 mm不圓度。綜上所述，套管孔和套管加工所產生的配合面累計形狀誤差Δ形狀=(0.01+0.01)mm，是影響冷裝質量的因素之一[1]。

圖2　電加熱元件套管Fig.2　Electric heating element sleeve

冷裝就是冷卻收縮被包容件，以形成裝配間隙的過盈連接。為了保證冷裝質量，首先需核定電加熱套管的安全冷裝間隙，電加熱套管的安全冷裝間隙Δ冷裝=Δ0+Ymax+Δ形狀[2]。其中Δ0是為了避免冷裝中配合面互相插傷、粘連需要的最小間隙，采用同樣公稱直徑φ30MF間隙配合H7/g6 的最小間隙,查公差表計算出Δ0=EI-es=0-(-0.007)=0.007 mm；Ymax即為圖紙設計裝配的最大過盈量，Ymax=0.03 mm；孔徑和套管配合面加工累計的形狀誤差Δ形狀=0.02 mm，計算核定電加熱套管安全冷裝間隙Δ冷裝=0.057 mm。電加熱套管配裝直徑僅為φ30 mm,其冷卻收縮量要大于安全冷裝間隙0.057 mm，才能滿足冷裝要求。參照圖3金屬材料收縮比得知，冷卻溫度T冷卻<100 K即-173℃，不銹鋼類材料收縮比趨于平穩，其冷縮量基本上達到最大狀態。參閱常用冷卻劑物理性能表1，選定冷卻劑為液氮，液氮沸點-195.8 ℃(合計77.2 K)即為電加熱套管的冷卻溫度，根據金屬材料冷卻冷縮量的理論公式Δ理論=L(L293-LT)/L293(L為被包容件直徑，LT-被包容件在冷卻溫度K下的直徑,L293被包容件在20 ℃(即293 K)下的直徑)，計算電加熱套管的理論冷縮量。查圖3金屬材料收縮比，確定不銹鋼在冷卻溫度77.2 K時，其收縮比(L293-LT)/L293=275×10-5，計算電加熱套管的理論冷縮量Δ理論≈30×275×10-5mm=0.0825 mm。電加熱套管理論冷縮量Δ理論為0.0825 mm，大于電加熱套管安全冷裝間隙0.057 mm,故采用液氮冷卻是合理的選擇[3]。

圖3　常用金屬收縮比Fig.3　Shrinkage ratio of metal materials

冷卻劑在101.325 kPa(1 atm)沸點/℃氣化潛能/(kJ/kg)固體二氧化碳-78.5572液態氨-183213液態空氣-194.5209液態氮-195.8199

電加熱套管冷縮后溫度低，冷裝時間短，實測冷縮量不易實現，故采用冷卻時間來保證工件冷卻溫度，以冷卻溫度控制工件冷縮量。為了達到最好的冷卻效果，采用直接冷卻法，將工件直接置放于帶絕熱層冷卻桶的液氮中。根據冷卻時間經驗公式確定冷卻時間：

t經驗=α·δ+(6～8)min

式中：α——工件材料冷卻綜合系數，單位：min/mm；鋼類材料α=1.2；

δ——被凍零件的特性尺寸，即零件的最大斷面半徑或壁厚尺寸(mm)，工件壁厚3.5mm。

經計算，電加熱套管經驗冷卻時間t=1.2×3.5+6=10.2min。但是計算出的經驗冷卻時間僅能參考，不能作為冷裝工藝參數直接指導冷卻套裝，我們還需通過試驗選定適宜的冷卻時間，以保證冷縮效果[4]。

冷裝時動作要迅速，才能保證在配裝間隙消失前裝配結束。板焊穩壓器下封頭組件體積龐大，以臥式置放，冷裝操作時，套管順利導入管口、套管軸心與套管孔軸心保持重合、工件結合面清潔、人工操作熟練程度等都是影響冷裝質量的因素，因此需要通過冷裝試驗摸索，進一步完善確定冷裝工藝方案。

2　冷裝試驗

針對冷裝工藝分析，制定冷裝試驗工藝，如圖4所示。

圖4　下封頭電加熱套管孔冷裝試板Fig.4　Cold mounting test plate for the electric heating sleeve of the lower head

表2　冷裝試件配裝部分尺寸實測值

(2)冷縮試驗：配備好盛裝液氮的冷卻保溫桶，加入液氮，封蓋。復核6個冷裝試驗套管的配裝外徑，用φ0.5的不銹鋼捆綁試驗套管，在捆綁的不銹鋼絲提抓端黏附編號，然后將試驗套管放入液氮中臥式埋藏，分別在冷卻時間2 min、4 min、6 min、8 min、10 min、12 min、14 min、16 min、18 min、20 min快速提取試驗套管，用千分尺測量試驗套管配裝外徑冷縮后實測值，見表2，與試驗套管冷卻前外徑尺寸對比，計算出試驗套管的實時冷縮量，將套管實際冷縮量數據計入表3中。根據試驗套管實測冷縮量數據做出套管的實時冷縮圖(見圖5)，觀察套管實時冷縮圖得知，試驗套管在液態氮中冷卻10 min后，工件冷縮量趨于穩定，繼續冷卻，冷縮量僅在0.01 mm范圍內變化，與計算出電加熱套管的經驗冷卻時間10.2 min相吻合。為了達到最佳的冷卻效果，將套管的冷卻時間定為16 min。對比6個試驗套管冷卻16 min后，其外徑冷縮量在0.065～0.095 mm,與電加熱套管的理論收縮量0.0825 mm有微量差異，但是均大于電加熱套管安全冷裝間隙0.057 mm,可滿足冷裝要求。

圖5　套管實時冷縮圖Fig.5　Real time cold contraction of sleeve

表4　試驗套管外徑冷縮量實測值Table 4　The outer diameter of the sleeve cold shrinkage test measured value　單位：mm

(3)冷裝試驗：通過冷縮試驗，確定了冷卻劑和冷卻時間，核實了套管外徑實際冷縮量可滿足冷裝要求，但是冷裝操作時，套管順利導入管口、套管軸心與套管孔軸心保持重合、工件結合面清潔、人工操作熟練程度等都是影響冷裝質量的因素，因此通過冷裝試驗進一步排除這些影響因素，提高冷裝操作的穩定性和可靠性。

冷裝試驗分為故障冷裝試驗和順利冷裝試驗。為了模擬實裝工況，冷裝試板臥式置放操作臺并壓緊，首先用內弧刮刀沿管孔入口和出口刮除微型毛刺，沿入口端和出口端用160#紗布再次磨砂，手摸感覺滑溜，然后用亞麻布沾丙酮前后拉推清洗內孔，用白色亞麻布檢測無污物即可，然后分別進行故障冷裝試驗和順利冷裝試驗。

故障冷裝試驗：在冷裝過程中，套管可能會在入口、中途和出口端出現卡阻現象，選用1#、3#、5#編號孔進行冷裝卡阻試驗。按表5進行了故障冷裝試驗，并通過下一步順利冷裝試驗來驗證冷裝卡阻后修復方案的可行性。

表5　故障冷裝試驗Table 5　Fault cold mounting test

順利冷裝試驗：在冷裝過程中，控制冷裝時間、做到操作熟練流暢是保證順利冷裝的關鍵，通過冷裝試板中孔位編號6、4、2、5、3、1的冷裝試驗進一步優化冷裝流程、篩選確認最佳的冷裝時間，以保證冷裝順利完成?？紤]到操作空間影響，冷裝順序從右到左進行。先將套管進行清潔、標志，放入液氮中冷卻計時，同時清潔管孔，待套管冷卻至16 min，戴上防凍手套，快速提出工件，手握托平對正，目視垂直，上下左右微量擺動套管導入內孔，分別以快速、適中和緩慢用力一次推入，聽到哐當的一聲，整個過程即完成。 順利冷裝試驗見表6。

表6　套管順利冷裝試驗Table 6　Cold mounting test of sleeve

(4)強度檢測：對順裝的套管進行拉脫試驗，各套管冷裝后均滿足要求。

結合以上理論知識和實測數據分析，冷裝工藝及相應參數確定正確、可行，操作過程規范，滿足要求。

3　制定冷裝工藝方案

綜合上述試驗，制定了冷裝工藝方案，如下：

(1)工藝裝備：備專用刮刀一把、鉚工榔頭一個、紫銅棒φ29.5×300一根、木棒φ20×300一根、油光銼刀一把、160#砂布、亞麻布、防凍手套、清洗劑丙酮、冷裝用保溫桶φ800×600一個、冷卻劑液氮。

(2)人員配備：鉚工2名，站在與下封頭相連接的筒體內，分別手持銅棒和榔頭，負責應急從封頭內壁往外擊打退出套管； 裝配鉗工1名，專門負責冷裝；檢驗工1名，負責應急檢測。

(3)冷裝操作

1)冷裝工況：將下封頭上三圈套管孔從內到外按逆時針方向依1～63#編號，套管孔實際長度分別為外圈30個孔深L=167 mm，中圈26個孔深L=151 mm，內圈7個孔深L=142 mm；冷裝過盈量為(0.01～0.030) mm，套管和套管孔配裝外圓表面粗糙度為Ra 0.8 um，套管外徑不圓度為0.01 mm,套管孔同軸度在0.01 mm，冷裝按內圈、中圈、外圈順序依次進行。

2)孔體清潔及微毛刺清除：用內弧刮刀沿管孔入口和出口刮除微型毛刺，沿入口端和出口端用160#紗布再次磨砂，手摸感覺滑溜，用亞麻布裹木棒沾丙酮前后拉推清洗內孔，用白色亞麻布檢測無污物后，再用亞麻布重點摩擦入口、出口端，手摸光滑即可。

3)套管冷卻：復核套管編號和外徑尺寸，用丙酮清洗、亞麻布擦拭干凈，用細不銹鋼捆綁套管，在捆綁的不銹鋼絲提取端黏附套管編號，將套管以平臥狀態放入冷裝桶中冷卻。冷卻桶離封頭距離2 m左右，以便鉗工提取套管。一次放入7～10件套管冷卻為宜，工件埋藏在液氮里，液氮表面開始發生劇烈翻騰和蒸發現象，5 min后逐漸平穩，冷卻至16 min，準備裝配。

4)快速裝配：鉗工戴好防凍手套，先看好套管標志，核對孔位，再快速提取套管，手握托平對正使套管軸線和孔心重合，目視垂直，上下左右微量擺動套管導入內孔，一次用力迅速推入，聽到軸向定位哐當聲，一個套管的冷裝就在3～5 s內順利完成。

5)應對冷裝中的“卡阻”問題：如果冷裝操作中出現“卡阻”，不能用力擊打硬裝，而是由封頭內側兩人協作，一人扶正紫銅棒，一人用榔頭擊打，若套管出現松退，可連續擊打7～8次退出。經打出來的套管，局部都帶有輕微的劃痕，上C6140A車床，用薄銅皮墊著保護，找正后用油光銼修磨，再用160#砂布砂光修復。內孔用羊毛輪黏附拋光劑修復光滑，檢測套管和孔尺寸及形狀公差，符合要求后重新冷裝。

針對內側擊打未出現松動的套管，已形成脹抱現象，不宜再擊打套管，上鏜床以套管找正，用鉆頭鉆削套管，套管與管孔預留0.3 mm黏附量，用柱狀砂布輪打磨去除黏附層，恢復管孔精度，重新配磨套管進行冷裝。

4　結束語

在實際的制造過程中，通過試驗篩選套管和套管孔的機加加工方案，提高了套管和套管孔精度；合理地選定冷卻時間取得套管最佳冷縮效果；徹底地清潔配裝面、清除微毛刺；為便于冷卻過程的操作，采取內圈、中圈到外圈的冷裝順序，選用連續流暢的冷裝流程，做到操作熟練、迅速，縮短了冷裝時間；提前設置好應急預案應對冷裝“卡阻”問題，成功地完成了方家山、福清、昌江6臺穩壓器的下封頭組件電加熱套管冷裝工作，解決了板焊穩壓器制造中的一個工藝難題。保質保量地完成套管冷裝工作，標志著我公司在板焊穩壓器制造領域內的又一次技術突破，實現了核電站反應堆核心設備國產化的供貨目標。