“華龍一號”控制棒驅動機構密封殼制造過程質量控制

劉九龍

(中原運維海外工程有限公司,上海 200233)

控制棒驅動機構是反應堆控制和保護系統的伺服機構，它安裝在反應堆壓力容器頂蓋上，能夠按照指令帶動控制棒組件在堆芯內上下運動、保持控制棒組件在指令高度、斷電釋放控制棒組件并使其在重力的作用下快速插入堆芯，為完成反應堆的啟動、調節功率、保持功率、正常停堆和事故停堆等功能。其中密封殼是反應堆一回路系統壓力邊界組成部分。密封殼是安全1級部件，抗震1I類部件，RCC-M 1級部件。

“華龍一號”采用ML-B型控制棒驅動機構，是一種豎直方向步進的磁力提升器。如圖1所示，它由驅動桿組件、鉤爪組件、密封殼、線圈組件、棒位探測器組件及隔熱套組件組成。

圖1 一體化密封殼與二代加型密封殼對比Fig.1 Difference between the latch housing of Gen 2+ and HPR1000 NPP

1 “華龍一號”控制棒驅動機構密封殼特點

1.1 主要技術要求

“華龍一號”ML-B型控制棒驅動機構密封殼由密封殼上段及貫穿件焊接而成。密封殼上段材料為00Cr18Ni10N奧氏體不銹鋼鍛件，等同于RCC-M M3301中規定的Z2CN19-10(控氮)材料。貫穿件材料為因科鎳-690鎳基合金鍛棒，等同于RCC-M M4102中規定的NC30Fe鎳-鉻-鐵合金棒材。焊接填充材料采用ERNiCrFe-7Aφ1.2 mm鎳基合金焊絲。

“華龍一號”ML-B型控制棒驅動機構共有密封殼61件，12種規格，最長2568 mm，最短2021.5 mm。外徑最大處203 mm，臺階式內孔貫穿整個密封殼。形位尺寸公差窄，內外圓部分同軸度要求0.02 mm，垂直度0.03 mm，有多檔臺階深孔。其中貫穿件段外圓尺寸需與壓力容器頂蓋組件上的開孔尺寸配做，配做公差0.02 mm。

1.2 與二代加堆型控制棒驅動機構密封殼區別

相比于以往二代加堆型控制棒驅動機構密封殼，“華龍一號”控制棒驅動機構采用了一體化密封殼，取消了下部Ω焊接結構，減少了冷卻劑泄漏的風險。

一體化結構的密封殼由奧氏體不銹鋼段的密封殼上段與鎳基合金的貫穿件焊接組成，合格的原材料、異種合金對接焊及密封殼的機加工成為“華龍一號”首臺控制棒驅動機構密封殼制造成功的關鍵。

2 “華龍一號”密封殼制造過程質量影響因素及質量控制要點

2.1 密封殼制造流程

密封殼由密封殼上段及貫穿件焊接組成，焊接完成后需進行無損檢驗、精加工及水壓試驗，其中貫穿件段需與壓力容器頂蓋管座孔配做。

2.2 原材料質量影響因素及控制要點

2.2.1 密封殼上段、貫穿件及焊材原材料

密封殼上段材料為00Cr18Ni10N奧氏體不銹鋼鍛件，貫穿件材料為因科鎳-690鎳基合金鍛棒，焊接填充材料采用ERNiCrFe-7Aφ1.2 mm鎳基合金焊絲。密封殼上段及貫穿件原材料均為真空冶煉電極棒+電渣重熔鋼錠+鍛造方法制造。

電渣重熔鋼錠具有成分偏析小、鋼水純凈度高，鋼錠致密度高等優點。密封殼上段材料鍛件加工后的Ω環部分液體滲透檢測不允許任何缺陷顯示，因此對鋼水純凈度及晶粒度要求較高，晶粒度要求大于5級，非金屬夾雜物ABCD類粗系≤0.5，細系≤1.0。貫穿件鎳基合金鍛件容易產生高熔點、高密度的金屬夾雜物及偏析，夾雜物的存在容易導致裂紋的產生和擴展。鎳基合金材料粘度大，流動性差，導熱性差，鍛造過程中由于大表面摩擦，和顯著的不均勻的內部應力和大的溫度差容易產生裂紋。

2.2.2 影響密封殼原材料質量的因素

冶煉、鍛造、熱處理、理化試驗操作人員在原材料制造、加工、試驗過程中的個人專業技能和工作態度直接影響著原材料的最終質量。煉鋼爐、鍛造設備、熱處理爐、加工設備、理化試驗設備的運行穩定以及運行功能都會直接影響原材料的質量。電極棒原材料及冶煉過程中添加的各種元素材料直接影響鋼錠的化學成分，產品的最終化學成分是由電極棒及鋼錠的冶煉過程來保證。加工過程中用到的潤滑、冷卻等直接與原材料接觸的介質中的鹵素離子也會污染不銹鋼。合格的煉鋼工藝、鍛造工藝、熱處理工藝對鍛件質量的合格至關重要。試樣的正確取樣是保證理化檢驗能準確反饋鍛件質量的前提條件。

2.2.3 密封殼原材料質量監督控制要點

1)在監造檢查時，應檢查冶煉、鍛造、熱處理、理化試驗操作人員的資格證書，確保操作人員的個人專業技能滿足要求。檢查煉鋼爐、鍛造設備、熱處理爐、加工設備、理化試驗設備的維護保養記錄，檢查計量儀表的標定記錄，確保設備運行穩定、儀表顯示準確。

2)其次，應檢查產品制造過程中產生的各項報告。在檢查各項成品化學成分報告、理化試驗報告、無損檢測報告滿足技術條件以外，還應重點關注以下報告：①電極棒的化學成分報告，通過電極棒化學成分報告與澆包及成品化學成分之間的差異，碳錳硅等元素的燒損值來判斷報告的合理性;②加工中與鍛件直接接觸的切屑液及冷卻液報告，避免鹵素元素污染鍛件;③鋼錠的冶煉記錄、鍛造比報告中的過程參數記錄，檢查與冶煉、鍛造工藝的一致性。其中鍛造比反應了鍛件的變形量，終鍛溫度決定了鍛件內部晶粒度，應檢查鍛造比大于3，終鍛溫度應大于850 ℃;④固溶熱處理報告，檢查密封殼上段固溶熱處理保溫溫度控制在1050～1100 ℃，貫穿件固溶熱處理保溫溫度控制在1000～1100 ℃，保溫時間大于1.5 h，水冷轉移時間小于5 min。

3)檢查各項制造相關文件的有效性。檢查質量計劃的批準函，檢查各類熱冷工藝、無損檢測規程、理化試驗大綱的審批。在監造時應特別重點關注取樣圖，檢查與技術條件的一致性，在取樣見證時應重點關注試樣的取樣位置及取樣方向并做好標記記錄，在理化試驗見證時應仔細核對試樣編號。

4)檢查各制造環節環境情況。其中固溶熱處理冷卻水采用地下循環冷卻水，水溫不大于20 ℃，理化試驗室環境溫度應控制在18～28 ℃，濕度控制在30%～70%，液體滲透檢測環境溫度不低于10 ℃。

2.3 密封殼焊接過程質量控制重點

2.3.1 密封殼異種金屬對接焊技術要求

密封殼異種金屬對接焊技術要求如圖2所示。

圖2 密封殼對接焊Fig.2 Butt welding of the latch housing

密封殼對接焊采用手工鎢級氬弧焊打底，自動鎢級氬弧焊滿焊。層間溫度≤120 ℃(設計院要求不大于225°),焊后需要進行穩定化熱處理，400 ℃±10 ℃，保溫時間10 h。 主要焊接參數如表1所示。

表1 密封殼異種金屬對接焊主要參數Table 1 Welding parameters of the latch housing

2.3.2 密封殼異種金屬對接焊的難點

密封殼上段與貫穿材料熔點不同，00Cr18Ni10N熔點約為1200～1300 ℃，因科鎳-690熔點約為1343～1377 ℃，熔點低的密封殼上段材料容易滲入過熱區的晶界，使焊接接頭質量難以保證。兩種材料線膨脹系數不一致，熔池結晶時會產生較大的焊接應力，容易導致焊縫及熱影響區產生缺陷。兩種材料的比熱容不一樣，會使焊縫金屬的結晶條件變壞，晶粒嚴重粗化。兩種材料的電磁性不同，會影響焊接電弧的穩定性。密封殼異種合金焊接的批量化生產尤為困難，面臨層間溫度控制不易、粉塵飛濺保護、焊接變形、周轉時間長、層間無損檢查頻繁需要零件多次裝運和裝夾等難點。

2.3.3 “華龍一號”密封殼對接焊的改進

“華龍一號”首臺控制棒驅動機構密封殼異種合金焊接難點，采用了一種新開發的焊接、無損檢測、轉運一體整體式布局的專用自動焊機(見圖3)。

圖3 “華龍一號”密封殼對接焊專機Fig.3 The butt welding machine for the latch housing of HPR1000

該專用自動焊機，可實現龍門架、動柱多工位交替使用，每個工位可單獨進行焊接、打磨等工作。工件內部可通循環冷卻去離子水，以便控制層間溫度。采用浮動的支撐結構，防止長軸零件焊接熱變形對質量產生影響。該焊機擁有弧長跟蹤功能，可根據待焊表面的高低自動調整焊弧的高度，特別有利于多層焊縫的質量控制，極大的有利于焊接質量的穩定。在焊接時向密封殼內孔注入溫控循環水，有利于層間溫度控制，極大縮短層間溫度自然空冷時間，提高焊接效率的同時也改善了焊縫及熱影響區的組織晶粒度。自動焊過程中，冷卻水溫度控制在40°～70°。該焊機對焊縫處有防塵保護罩，減少了焊縫打磨粉塵飛濺。該焊機采用密封殼端固定，貫穿件端浮動滾輪的支撐，避免了因焊接變形導致大小端不同心從而影響焊接質量的風險。

2.3.4 密封殼對接焊過程質量控制要點

(1)密封殼對接焊質量影響因素

持證焊工及輔助工的個人專業技能、焊接設備的運行穩定以及運行功能、焊接材料和母材本身的質量、焊接工藝評定及焊接工藝、焊前清潔度、焊接過程中防塵、施焊環境溫度濕度等都對焊縫的質量有影響。

(2)密封殼對接焊過程質量控制要點

在焊接前，仔細檢查密封殼上段及貫穿件坡口尺寸并確保焊前無損檢驗合格。檢查操作人員相應證書，檢查焊工相應的資格證書在有效期內并檢查連續施焊記錄。檢查操作人員定期培訓記錄，確保操作人員可以依照焊接要求嚴格執行。檢查焊機及輔助設備運行穩定狀態，檢查設備保養記錄，檢查需要計量標定的電流電壓表、氣瓶流量表、測溫儀等標定記錄，確保設備合格有效。檢查領用原材料密封殼及貫穿件是否匹配，檢查標識一致性并核查焊材爐批號。

裝焊時檢查密封殼上段與貫穿件之間間隙及同心度是否合格。在焊接過程中，仔細核查各項焊接參數與焊接工藝的一致性。檢查焊接過程中環境溫濕度及層間溫度，核查滾輪架上無異物，檢查環境中粉塵污染情況。嚴格控制層間溫度及各項焊接參數，防止熱輸入過大。

焊接完成后重點監督焊后各項無損檢測。另外需額外關注焊縫咬邊情況及焊縫高度是否高出母材表面。

2.3.5 密封殼焊接射線檢查“黑線”顯示

首臺“華龍一號”控制棒驅動機構密封殼對接焊縫在加工后的最終射線檢查時發現，在00Cr18Ni10N側熔合區的膠片上存在一條較為明顯的黑度較大的顯示，此顯示連續分布在整個焊縫中。在UT超聲波及焊后射線檢測時未發現該現象。射線底片上影像從00Cr18Ni10N側至焊縫依次變亮，從底片上觀察發現變化呈現梯度變化。“黑線”距離焊縫背面約2.5 mm，寬度約0.2～0.4 mm(見圖4)。

圖4 密封殼對接焊縫射線檢驗“黑線”示意圖Fig.4 Schematic ofthe “black line” for the X-ray inspection of the butt weld of the latch housing

經過1∶1焊縫模擬件試驗驗證，該“黑線”顯示位于手工焊與自動焊相結合的位置。各項理化性能試驗均合格，室溫拉伸、彎曲試驗、沖擊試驗、金相檢驗、硬度檢驗均合格，證明該“黑線”顯示不是缺陷。經設計院與廠家分析，“黑線”是由于手工焊打底和自動焊蓋面造成異種金屬的不同稀釋和晶粒度在射線底片上的顯影。同時通過在模擬件上選擇尺寸為0.2 mm的刻槽，該刻槽小于底片上像質計靈敏度極限(0.25 mm)。通過RT檢測發現，底片上清晰可見人工刻槽缺陷，排除了該“黑線”顯示的存在影響缺陷判斷的可能。經設計院及第三方無損專家審查，認可該結論。

2.4 密封殼機加工質量控制重點

2.4.1 密封殼加工難點

1)密封殼形位尺寸公差窄，內外圓部分同軸度要求僅0.02 mm，垂直度0.03 mm，深孔尺寸公差僅0.06 mm，多段臺階深孔加工難度大，如圖5所示。

圖5 密封殼Ω環尺寸圖Fig.5 The Ω ring size of the latch housing

2)密封殼Ω環異形結構及較高的形位尺寸公差導致加工難度大，一旦加工錯誤，補救措施較少，容易產生報廢情況。Ω形結構加工后尺寸測量較難，較依賴數控程序及機床本身精度。

3)密封殼貫穿件段外圓尺寸需與壓力容器頂蓋組件上的開孔尺寸配做，配做公差僅0.02 mm。

2.4.2 密封殼加工質量控制要點

1)在加工內外圓同軸度要求較高的尺寸時，因外圓加工較內孔加工容易，采用內孔為基準，在外圓最終精加工前，將工件以內孔為基準找正后采用三抓內卡盤夾緊在數控機床上，采取小吃刀量慢進給方式，每加工一刀就復測一遍尺寸，直至尺寸合格。對于同側同軸度要求尺寸，采用最終精加工一刀落的方式保證同軸度。對于有垂直度的端面，以內外圓為基準，找正夾緊后加工端面。對于采用同一基準的尺寸，一次裝夾，一起加工。同時做好刀具對刀工作，檢查車間刀具對刀記錄，檢查刀具使用時間，避免刀具過度使用。在對刀校準間隙期間加工，導致尺寸超差。

2)中部Ω環的加工。在制造產品前，用Ω焊接見證件試驗件在產品密封殼加工機床上模擬Ω環的加工，加工后在三坐標檢驗儀上測量精確尺寸，以驗證數控程序的正確性。數控主程序一旦確定，不再更改。Ω環加工完成后采用測量卡板透光檢驗Ω形狀，采用專用測厚量具測量Ω環厚度，每完成一件測量一件，合格后再下機床。

3)在配做貫穿件與壓力容器頂蓋配合段尺寸時，放置多段中心滾輪架，以保證配車段與密封殼其余外圓尺寸的同心度，減小轉動時因自重產生的撓曲。裝夾產品時用薄片不銹鋼軟包覆產品，同時在配車貫穿件段刀具前放置擋屑板，避免切屑劃傷密封殼其他最終加工表面。

3 結論

本文從“華龍一號”控制棒驅動機構密封殼制造過程中的原材料、焊接、機加工三個方面入手，通過分析密封殼制造過程中影響原材料、焊接、加工的質量因素及難點，針對性地提出了在監督檢查制造過程的質量控制要點。

在原材監造及報告審查中，除檢查各項產品報告及工藝、質保文件以外，還應重點檢查電極棒化學成分、切屑液、鍛造比、熱處理等報告。在密封殼異種金屬焊接采用改進的焊接設備基礎上，從焊前、焊中、焊后三方面提出了焊接過程質量控制的要點。在機加工過程中，通過合理裝夾、選取合適基準面、采用專用量具等方式，確保加工尺寸合格。