核电蒸发器的工艺特点和生产组织

李绍海 ，魏 明 ，盛 伟

(1.中国联合工程公司，浙江杭州310022；2.上海电气核电设备有限公司，上海201306)

我国已把积极发展核电作为能源战略的重要组成部分，并纳入了国家中长期发展规划。目前国内已有5大核电重型容器制造基地，可以承担蒸发器、压力壳、稳压器三大件重型产品的制造。但是作为一个投资巨大的核电重型容器制造基地，在基本建设完成后，将面临着如何针对市场订单情况，确定工艺布局和组织生产的问题。本文以制造工艺最复杂的蒸发器为例，对此问题进行分析和总结。

1 核电蒸发器生产工艺特点

1.1 产品特点

蒸发器是核岛一回路系统的关键设备，承担堆芯冷却剂和蒸汽的换热，并将高压蒸汽输出的功用。其制造工艺复杂，质量控制和过程控制严格，属于核安全一级和核质保一级设备。在一定程度上，代表了核岛承压设备制造能力的最高水平。

压水堆核电机组包括CPR1000、AP1000、EPR三种堆型。其中，第三代AP1000蒸发器最大。单台蒸发器主要规格最大直径Ф5 334 mm，总长22 460 mm，总重664 t。1套机组含2台蒸发器。

在部件组成上，蒸发器由上部筒体组件、汽水分离组件、下部筒体组件、管束组件、管板、水室封头等组件构成。

1.2 主要工艺环节及生产装备

核电蒸发器的制造涉及的主要工艺环节，包括焊接、加工、热处理、检验、水压试验等工序，另包括部分专用工序。概括如下：

(1)主焊缝焊接。主要采用窄间隙埋弧自动焊机，配合滚轮架进行焊接；

(2)表面堆焊。主要采用自动带极堆焊机，配合滚轮机或变位机进行内壁堆焊；

(3)接管堆焊或接管预堆边。采用手工或自动热丝TIG焊机焊接；

(4)安全端焊接。采用手工或自动热丝TIG焊机焊接；

(5)管子管板封口焊。采用管子管板焊机焊接；

(6)筒体或封头部件加工。采用立车加工坡口或外形；

(7)接管孔加工。主要采用数控镗铣床；

(8)管板钻孔。主要采用数控三轴深孔钻；

(9)射线探伤。4～9 MeV直线加速器；

(10)热处理。台车式热处理炉及大型局部热处理装置；

(11)清理。用大型喷丸室清洁工件表面；

(12)清洁。在大型清洁室内完成管系部分的制造。

1.3 生产工艺特点

归纳起来，蒸发器的制造有如下几个突出的工艺特点，也是蒸发器制造与一般重型容器制造的主要区别之处：

(1)产品制造周期长，产品规格相近。蒸发器的制造周期很长，通常在28～40个月，而一般重型容器的制造周期为6～12个月。长周期，一方面是由于产品自身的工艺环节多，另一方面在于蒸发器的制造环节和质量控制环节要求都很高。

不同核电机组蒸发器的规格和生产工艺基本相同。例如蒸发器的总长度一般在22～23 m。其他各个组件的外形和重量也基本相似。因此通常将规格相近、工序相同的工件，设置在一个功能分区内进行制造。

上述两个特点，决定了蒸发器生产的专业性。即对于重型容器而言，在一台产品制造完成后，可立即编制另一台不同规格产品的生产计划。而对于蒸发器的制造，往往在交货期的前三年就需要根据纲领或订单情况制定相应的生产计划，并且落实产品生产的工艺布局。

(2)工艺布局紧凑，工件布置明确。生产核电重型容器的厂房起重能力大，重型车间的起重机能力在700 t左右。车间地坪荷载高，较大的地坪承载可达120 t/m2。可见蒸发器生产厂房的单位面积造价很高。因此，在设计和生产时，都必须提高车间的场地利用率，尤其是重型车间。与此相应，在设计和生产时的工艺布局，也必须紧凑。而紧凑的工艺布局，意味着生产工位的调整灵活性小。

蒸发器原材料多为半精加工锻件，从原材料投料开始到包装发运，一直以部件、组件以及成品的状态，停留在生产车间，处于生产加工或准备状态。据统计，一座年产18台的核电蒸发器的厂房，在生产高峰期，车间内布置的生产工件有80多件。其中，小型组件净质量约50 t，大型组件净质量在500～664 t。而在厂房设计时，这些组件已经按照对应的区域进行布置。国内某大型核电制造企业，其车间地坪荷载规格(t/m2)分别为 5，10，33，35，40，75，83.3，115，122.5。这些不同荷载区域，对应着不同的生产功能。因此，这些工件受地坪荷载、起重能力、工艺流程、设备配置等因素的限制，不能随意放置。

由上述蒸发器生产的工艺特点，可见蒸发器的生产组织非常复杂。

2 生产组织和计划建议

企业在生产时，会根据产品的制造工艺流程和组件的制造周期，制定一个生产计划，以便控制和组织生产。对于一般重型容器，由于总体制造周期和主要工艺环节的制造工期相对较短，因而可留出了较大的生产组织调整空间。而对于核电蒸发器，其总体制造周期和某些特定工艺环节的制造周期都很长，而且关键部件不允许外协分包。因此，如果没有精细化的生产组织，则很难保证生产进度要求。

这里可能出现两种情况：第一种情况是设备工序出现问题：即产品的某些关键加工工序排在了一起，由于工序冲突，造成长时间等待。第二种情况是产品布局出现问题：即工件摆放混乱，某些净质量和尺寸较大的组件，在进行下一道生产工序时却找不到摆放位置。

对于蒸发器的的生产组织，本文总结并建议如下：

(1)确定至少一个制造周期内的生产任务。根据生产纲领及订单交货情况，确定每年需要产出的产品数量。例如，在2013年需交货4台，在2014年需交货6台，在2015年需交货3台、在2016年需交货6台。那么最大生产负荷即为6台，且在2011年就需要进行投料生产(制造周期按3年)。

(2)确定控制生产节拍的关键工序及设备。在按照生产工艺流程组织生产时，还需落实各个生产工序的生产工时。不同的组件，在进行焊接、堆焊、立车加工、深孔钻加工、管系制造等工序时，所占用的时间不同。例如，完成一条环缝的焊接约需一个星期的时间(含辅助时间)，而完成一块管板的钻孔需4个月时间(指AP1 000机组蒸发器)。由于管板深孔钻床投资很大，且属于固定设备，无法进行临时调节，因此管板深孔钻就成为控制生产节拍的关键工序。按照经验，蒸发器制造控制节拍的关键工序和装备，为管板深孔钻工序和清洁室管系制造工序，分别为4个月和6个月(指AP1000机组蒸发器)。

(3)制定投料周期。制定投料周期是为了指导进度计划。假设生产厂房内配置了2台深孔钻床和4座清洁室，按照对应的生产工时计算，可能达到的最大生产能力分别为年产6台蒸发器(每台深孔钻床钻孔3块)和8台蒸发器(每座清洁室可完成管系制造2台)。这样就决定了产品投料周期应为4个月，每批同时投料2台，每年生产蒸发器6台，并以此作为制定进度计划的依据。

(4)确定生产高峰。在进行生产组织时，各个时段的生产负荷处于不断变化的状态，不可能做到实时进行调整。因此，必须以最大生产负荷为依据，制定生产计划，这样便可以满足各个时段的生产要求。

由于蒸发器的制造周期长，在第一批产品还在车间生产时，后续各批产品也陆续开始生产，最终会形成一个最高峰的生产状态。在生产高峰期内，车间的产品工件数量最大，生产负荷最高。假定蒸发器的制造周期36个月，每4个月投料2台，则在最高峰时段，车间内共有9批18台蒸发器产品，处于单件、组件或成品状态。其中第一批2台蒸发器，已经处于包装发运状态，最后一批2台蒸发器，处于部件准备状态。

(5)规划场地布局，指导生产。根据产品工艺流程和主要工序的生产工时，可以制定出单台产品的生产进度计划；将单台产品生产进度计划与投料周期相结合，可确定出在高峰期整个车间内产品工件的生产状态。如有多少部件处于焊接状态、多少组件处于钻孔状态、有多少组件处于清洁室内等。这些组件在组合后仍然是18台蒸发器。

3 结束语

在明确产品组件的生产状态后，便可进行场地工艺布局规划和调整。前已述及，这些工件的布置受工艺流程、设备配置、起重能力、地坪荷载等条件的限制。通过规划调整，绘出工艺布局图，明确各个工件在车间内的布置情况，以指导生产。

需说明的是，此工艺布局必须经过充分论证。并且在生产时，尽量按照工艺布局规划的内容安排生产。否则在场地很紧凑的情况下，可能会导致因某些工序的工件位置被占用而无法进行有序及有计划生产。