“華龍一號”核反應堆堆芯板的制造

□辛正高 □劉增瑞 □徐 杰 □莫文斌

上海第一機床廠有限公司 技術部 上海 201308

1 技術結構

“華龍一號”是由我國自主研發的第三代核反應堆，堆芯板分為上堆芯板和下堆芯板，兩者結構相近，筆者僅以上堆芯板結構來說明上、下堆芯板在結構上的制造難點。

如圖1所示，上堆芯板外徑為3 616 mm，厚度為76.2 mm。基準面平面度要求為0.05 mm/300 mm，全部0.25 mm。另一面平行于基準面的要求為0.05 mm/300 mm，全部0.25 mm。燃料組件定位銷孔相對于外圓位置度要求不大于0.15 mm，相對于基準面垂直度要求不大于0.038 mm。

圖1 上堆芯板結構

2 材料特性

堆芯板的材料均為Z2CN19-10控氮型奧氏體不銹鋼，需滿足RCC-M標準要求，經1050～1150℃固溶處理，滿足晶間腐蝕試驗、室溫和高溫拉伸試驗、沖擊試驗，以及表面檢測、體積檢測等要求[1]。堆芯板的材料需具有足夠的強度、韌性，具體性能參數見表1。另外，材料還需具備耐腐蝕和耐輻照性能。

表1 堆芯板材料性能

堆芯板的材料成分見表2，其中硫、磷含量低，塑性和韌性好，切削性差，原材料洛氏硬度（HRB）不大于92，較軟，不利于切削。

表2 堆芯板材料成分

堆芯板材料熱導率為14 W/(m·K)，導熱性不佳，黏性較大，不易斷屑，因此切削加工難度較大。零件機加工時需使用核電專用冷卻液導出熱量，防止切削熱量傳導進入基體材料。

堆芯板材料線膨脹系數為16.6×10-6K-1，線膨脹系數較高，機加工過程中容易受熱引起零件尺寸和精度變化。利用數控機床機加工堆芯板的平面和孔系時，應采用線性補償的方法對工件熱膨脹進行線性補償，以提高加工精度。

3 制造流程

上、下堆芯板的材料采購規格分別為88 mm×3 680 mm×4 420 mm、3 685 mm×3 685 mm×60 mm，水切割下料后尺寸分別為φ3 670 mm×88 mm、φ3 661 mm×60 mm，毛質量分別為7 307 kg、4 996 kg，加工完成后質量分別為3 745 kg、2 672 kg。上、下堆芯板通過車削、銑削加工去除材料的質量百分比分別為48.7%和46.5%，切削加工量大。整個機加工過程分為粗加工、半精加工、精加工，如圖2所示[2]。

粗加工工序可分為φ6.3 m立式車床粗車加工大平面及數控鏜銑床粗加工孔。粗車前應先校正原材料平面度不大于3 mm，然后車削加工出兩平面平面度不大于2 mm，鉆鏜所有孔系和四個缺槽至單邊余量約5 mm，靜置時效不短于一周。粗加工使工件獲得一定的平面度和孔系位置度，并通過靜置時效，使粗加工過程中產生的加工應力充分釋放。

半精加工前先復校正零件平面度，滿足0.25 mm/300 mm，全部1 mm。車模工裝安裝平面平面度不大于0.2 mm，脹緊套工裝均勻布置，保證車削時受力均勻。至少四次翻轉工件，每次翻轉工件時校正上平面和外圓，每次翻轉后的進刀量在0.25～1.0 mm之間，并逐漸減小。加工后，外圓留2.5 mm余量，厚度單邊留1.5 mm余量，平面度為0.10 mm/300 mm，全部0.3 mm，表面粗糙度Ra不大于3.2 μm。半精加工后也需要靜置不短于一周，充分釋放加工應力。

精加工分為精車削平面和精鏜孔系。精車削平面前，先復校正零件平面度滿足0.15 mm/300 mm，全部0.35 mm。車模工裝安裝平面平面度不大于0.08 mm，跳動值不大于0.05 mm，脹緊套工裝均勻布置，保證車削時受力均勻。至少兩次翻轉工件，每次翻轉工件時校正上平面和外圓，每次翻轉后的進刀量在0.15～0.5 mm之間，并逐漸減小。精加工后外圓和厚度單邊至圖示尺寸，基準面夾緊狀態時平面度為0.035 mm/300 mm，全部0.2 mm，自由狀態時平面度為0.035 mm/300 mm，全部0.2 mm，基準面粗糙度Ra不大于3.2 μm。若精車時無法達到表面粗糙度要求，可單面預留0.25～0.5 mm余量，通過在刀架頭部增加專用拋磨裝置，并安裝高目數砂紙來拋磨平面，達到表面粗糙度要求[3]。

圖2 堆芯板工藝流程

精鏜孔系前在機床固定落地板上安裝角鐵，在角鐵的合適位置安裝等高墊，等高墊均勻布置，保證鏜銑時受力均勻。加工等高墊工件安裝面至平面度不大于0.08mm，吊裝工件至安裝位置，確認工件與等高墊墊實，搭壓并固定工件。精鏜所有孔系前均需要預走刀，確認孔系有足夠的加工余量，如圖3所示。

圖3 下堆芯板鏜孔

堆芯板的孔系位置要求高，與基準面的垂直度要求不大于0.038 mm，和外圓的位置度要求不大于0.15 mm。精加工應當以距中心1 290.22 mm位置的四個基準孔[4]為基準來定位X軸、Y軸。每加工一個孔，均以四個基準孔形成的X軸、Y軸來定位，通過使用補償機床誤差的方法[5]，來提高堆芯板孔系的位置度。為了保證上、下堆芯板上相對應的燃料銷孔位置度要求，要求上、下堆芯板燃料銷孔在同一臺機床上加工完成，并且在機加工前復查機床立柱的垂直度等關鍵因素，進而確保機床能夠滿足工件所需要的精度要求。

4 制造難點及解決方法

4.1 制造難點

“華龍一號”核反應堆的上、下堆芯板實物分別如圖4、圖5所示。任何成型工藝都不應使機加工后的堆芯板性能指標低于標準要求，必要時應在成型后進行熱處理，以便使材料性能恢復到符合要求的狀態。可見，切割下料、車削平面、鉆鏜孔系、裝夾吊裝和標識刻印都應以滿足RCC-M標準要求的方式來完成。工藝員需要通過分析上游要求，結合已有加工設備，模擬加工過程，通過計算切削應力和試驗來確認滿足RCC-M標準和圖紙技術要求，且加工成本相對較低、制造效率較高的加工工藝。

圖4 上堆芯板

圖5 下堆芯板

堆芯板材料切削性差，導熱性差，線膨脹系數高。堆芯板由采購的板材加工至零件最終形態，材料去除率接近50%。機加工去除材料極易因加工而產生應力變形，影響工件的最終加工精度。

半精加工和精加工時，上、下堆芯板中的孔已完成粗加工。此時，平面車削為斷續切削。上、下堆芯板兩平面的平面度要求高，斷續切削必然發生碰刀、崩刃現象，會影響工件車削加工的平面度。

上、下堆芯板的孔系位置要求高，與基準面的垂直度不大于0.038 mm，與外圓的位置度不大于0.15 mm，且上、下堆芯板上孔的尺寸精度也高，這對工件的精加工工藝提出了較高的要求。

4.2 解決方法

采用正反面交替切削，并在切削時使用核電專用冷卻液充分冷卻，可有效減小加工應力，從而減小加工引起的應力變形[6]。粗加工后進行靜置時效，使機加工引起的應力變形得到充分釋放。

采用定制專用刀具[7]，多次翻身，并控制切削參數[8]，提高切削線速度，逐次減小進給量與背吃刀量，最終表面拋磨，能有效解決斷續切削難題，保證工件的最終平面度要求。CPR1000與“華龍一號”堆芯板機加工參數對比見表3。

表3 CPR1000與“華龍一號”堆芯板機加工參數對比

在空調車間進行精密加工，控制環境溫度變化在2 K以內。使用同一機床機加工上、下堆芯板上所有孔系，在機加工前校正機床精度，尤其是機床立柱的垂直度。機加工時，使用同一基準孔為基準來定位X軸、Y軸。使用大量工裝夾具，如搭壓塊、脹緊套、三角架等，裝夾布置合理，數量充足，夾緊充分且不產生裝夾痕跡。在精鏜、精鉸工序中，使用合適的鏜、鉸刀具，并觀察工具的磨損情況。加工過程中可采取實時刀補方法[9]，或及時更換工具。使用充足的專用冷卻液充分冷卻加工過程中的工件，達到上、下堆芯板的平面度和位置度要求[10-11]。

5 其它注意事項

堆芯板工件在搬運、加工和檢查過程中，必須注意保護已加工表面，慎防工件表面碰傷、劃傷、壓傷和存放變形。

所有機加工完成后，工件在自由狀態下進行最終檢查，包括目視檢查、尺寸檢查、待焊位置液體滲透檢查。尺寸檢查時，利用量規測量開口銷間距，利用螺紋通規、止規檢查螺紋，利用粗糙度儀檢查表面粗糙度，利用激光跟蹤儀或大理石直尺檢查堆芯板平面度和部分孔系的位置度，如圖6所示。

圖6 平面度和位置度檢查

6 結論

工件翻轉交替加工和靜置時效可有效消除粗加工中產生的應力，為減小后續精加工變形創造了條件。

采用專用刀具和合理的切削用量，能有效解決碰刀、崩刃現象，在滿足堆芯板平面度要求的前提下，減少機加工成本，提高制造效率。

校正機床立柱，數控機床采用統一基準，對機加過程進行實時補償，并采取專用鉸刀精鉸孔系，使堆芯板孔系位置度達到設計要求，保證了產品質量。

“華龍一號”核反應堆堆芯板的制造采用了如上所述優化工藝，實施了過程控制和檢驗，使堆芯板質量滿足設計要求。