“华龙一号”核反应堆堆芯板的制造

2018-10-16辛正高刘增瑞莫文斌

装备机械 2018年3期

□辛正高 □刘增瑞 □徐杰 □莫文斌

上海第一机床厂有限公司技术部上海 201308

1 技术结构

“华龙一号”是由我国自主研发的第三代核反应堆，堆芯板分为上堆芯板和下堆芯板，两者结构相近，笔者仅以上堆芯板结构来说明上、下堆芯板在结构上的制造难点。

如图1所示，上堆芯板外径为3 616 mm，厚度为76.2 mm。基准面平面度要求为0.05 mm/300 mm，全部0.25 mm。另一面平行于基准面的要求为0.05 mm/300 mm，全部0.25 mm。燃料组件定位销孔相对于外圆位置度要求不大于0.15 mm，相对于基准面垂直度要求不大于0.038 mm。

图1 上堆芯板结构

2 材料特性

堆芯板的材料均为Z2CN19-10控氮型奥氏体不锈钢，需满足RCC-M标准要求，经1050～1150℃固溶处理，满足晶间腐蚀试验、室温和高温拉伸试验、冲击试验，以及表面检测、体积检测等要求[1]。堆芯板的材料需具有足够的强度、韧性，具体性能参数见表1。另外，材料还需具备耐腐蚀和耐辐照性能。

表1 堆芯板材料性能

堆芯板的材料成分见表2，其中硫、磷含量低，塑性和韧性好，切削性差，原材料洛氏硬度（HRB）不大于92，较软，不利于切削。

表2 堆芯板材料成分

堆芯板材料热导率为14 W/(m·K)，导热性不佳，黏性较大，不易断屑，因此切削加工难度较大。零件机加工时需使用核电专用冷却液导出热量，防止切削热量传导进入基体材料。

堆芯板材料线膨胀系数为16.6×10-6K-1，线膨胀系数较高，机加工过程中容易受热引起零件尺寸和精度变化。利用数控机床机加工堆芯板的平面和孔系时，应采用线性补偿的方法对工件热膨胀进行线性补偿，以提高加工精度。

3 制造流程

上、下堆芯板的材料采购规格分别为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别为φ3 670 mm×88 mm、φ3 661 mm×60 mm，毛质量分别为7 307 kg、4 996 kg，加工完成后质量分别为3 745 kg、2 672 kg。上、下堆芯板通过车削、铣削加工去除材料的质量百分比分别为48.7%和46.5%，切削加工量大。整个机加工过程分为粗加工、半精加工、精加工，如图2所示[2]。

粗加工工序可分为φ6.3 m立式车床粗车加工大平面及数控镗铣床粗加工孔。粗车前应先校正原材料平面度不大于3 mm，然后车削加工出两平面平面度不大于2 mm，钻镗所有孔系和四个缺槽至单边余量约5 mm，静置时效不短于一周。粗加工使工件获得一定的平面度和孔系位置度，并通过静置时效，使粗加工过程中产生的加工应力充分释放。

半精加工前先复校正零件平面度，满足0.25 mm/300 mm，全部1 mm。车模工装安装平面平面度不大于0.2 mm，胀紧套工装均匀布置，保证车削时受力均匀。至少四次翻转工件，每次翻转工件时校正上平面和外圆，每次翻转后的进刀量在0.25～1.0 mm之间，并逐渐减小。加工后，外圆留2.5 mm余量，厚度单边留1.5 mm余量，平面度为0.10 mm/300 mm，全部0.3 mm，表面粗糙度Ra不大于3.2 μm。半精加工后也需要静置不短于一周，充分释放加工应力。

精加工分为精车削平面和精镗孔系。精车削平面前，先复校正零件平面度满足0.15 mm/300 mm，全部0.35 mm。车模工装安装平面平面度不大于0.08 mm，跳动值不大于0.05 mm，胀紧套工装均匀布置，保证车削时受力均匀。至少两次翻转工件，每次翻转工件时校正上平面和外圆，每次翻转后的进刀量在0.15～0.5 mm之间，并逐渐减小。精加工后外圆和厚度单边至图示尺寸，基准面夹紧状态时平面度为0.035 mm/300 mm，全部0.2 mm，自由状态时平面度为0.035 mm/300 mm，全部0.2 mm，基准面粗糙度Ra不大于3.2 μm。若精车时无法达到表面粗糙度要求，可单面预留0.25～0.5 mm余量，通过在刀架头部增加专用抛磨装置，并安装高目数砂纸来抛磨平面，达到表面粗糙度要求[3]。

图2 堆芯板工艺流程

精镗孔系前在机床固定落地板上安装角铁，在角铁的合适位置安装等高垫，等高垫均匀布置，保证镗铣时受力均匀。加工等高垫工件安装面至平面度不大于0.08mm，吊装工件至安装位置，确认工件与等高垫垫实，搭压并固定工件。精镗所有孔系前均需要预走刀，确认孔系有足够的加工余量，如图3所示。

图3 下堆芯板镗孔

堆芯板的孔系位置要求高，与基准面的垂直度要求不大于0.038 mm，和外圆的位置度要求不大于0.15 mm。精加工应当以距中心1 290.22 mm位置的四个基准孔[4]为基准来定位X轴、Y轴。每加工一个孔，均以四个基准孔形成的X轴、Y轴来定位，通过使用补偿机床误差的方法[5]，来提高堆芯板孔系的位置度。为了保证上、下堆芯板上相对应的燃料销孔位置度要求，要求上、下堆芯板燃料销孔在同一台机床上加工完成，并且在机加工前复查机床立柱的垂直度等关键因素，进而确保机床能够满足工件所需要的精度要求。

4 制造难点及解决方法

4.1 制造难点

“华龙一号”核反应堆的上、下堆芯板实物分别如图4、图5所示。任何成型工艺都不应使机加工后的堆芯板性能指标低于标准要求，必要时应在成型后进行热处理，以便使材料性能恢复到符合要求的状态。可见，切割下料、车削平面、钻镗孔系、装夹吊装和标识刻印都应以满足RCC-M标准要求的方式来完成。工艺员需要通过分析上游要求，结合已有加工设备，模拟加工过程，通过计算切削应力和试验来确认满足RCC-M标准和图纸技术要求，且加工成本相对较低、制造效率较高的加工工艺。

图4 上堆芯板

图5 下堆芯板

堆芯板材料切削性差，导热性差，线膨胀系数高。堆芯板由采购的板材加工至零件最终形态，材料去除率接近50%。机加工去除材料极易因加工而产生应力变形，影响工件的最终加工精度。

半精加工和精加工时，上、下堆芯板中的孔已完成粗加工。此时，平面车削为断续切削。上、下堆芯板两平面的平面度要求高，断续切削必然发生碰刀、崩刃现象，会影响工件车削加工的平面度。

上、下堆芯板的孔系位置要求高，与基准面的垂直度不大于0.038 mm，与外圆的位置度不大于0.15 mm，且上、下堆芯板上孔的尺寸精度也高，这对工件的精加工工艺提出了较高的要求。

4.2 解决方法

采用正反面交替切削，并在切削时使用核电专用冷却液充分冷却，可有效减小加工应力，从而减小加工引起的应力变形[6]。粗加工后进行静置时效，使机加工引起的应力变形得到充分释放。

采用定制专用刀具[7]，多次翻身，并控制切削参数[8]，提高切削线速度，逐次减小进给量与背吃刀量，最终表面抛磨，能有效解决断续切削难题，保证工件的最终平面度要求。CPR1000与“华龙一号”堆芯板机加工参数对比见表3。

表3 CPR1000与“华龙一号”堆芯板机加工参数对比

在空调车间进行精密加工，控制环境温度变化在2 K以内。使用同一机床机加工上、下堆芯板上所有孔系，在机加工前校正机床精度，尤其是机床立柱的垂直度。机加工时，使用同一基准孔为基准来定位X轴、Y轴。使用大量工装夹具，如搭压块、胀紧套、三角架等，装夹布置合理，数量充足，夹紧充分且不产生装夹痕迹。在精镗、精铰工序中，使用合适的镗、铰刀具，并观察工具的磨损情况。加工过程中可采取实时刀补方法[9]，或及时更换工具。使用充足的专用冷却液充分冷却加工过程中的工件，达到上、下堆芯板的平面度和位置度要求[10-11]。