李紹海 ,魏 明 ,盛 偉
(1.中國聯(lián)合工程公司,浙江杭州310022;2.上海電氣核電設(shè)備有限公司,上海201306)
我國已把積極發(fā)展核電作為能源戰(zhàn)略的重要組成部分,并納入了國家中長期發(fā)展規(guī)劃。目前國內(nèi)已有5大核電重型容器制造基地,可以承擔(dān)蒸發(fā)器、壓力殼、穩(wěn)壓器三大件重型產(chǎn)品的制造。但是作為一個投資巨大的核電重型容器制造基地,在基本建設(shè)完成后,將面臨著如何針對市場訂單情況,確定工藝布局和組織生產(chǎn)的問題。本文以制造工藝最復(fù)雜的蒸發(fā)器為例,對此問題進(jìn)行分析和總結(jié)。
蒸發(fā)器是核島一回路系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,承擔(dān)堆芯冷卻劑和蒸汽的換熱,并將高壓蒸汽輸出的功用。其制造工藝復(fù)雜,質(zhì)量控制和過程控制嚴(yán)格,屬于核安全一級和核質(zhì)保一級設(shè)備。在一定程度上,代表了核島承壓設(shè)備制造能力的最高水平。
壓水堆核電機組包括CPR1000、AP1000、EPR三種堆型。其中,第三代AP1000蒸發(fā)器最大。單臺蒸發(fā)器主要規(guī)格最大直徑Ф5 334 mm,總長22 460 mm,總重664 t。1套機組含2臺蒸發(fā)器。
在部件組成上,蒸發(fā)器由上部筒體組件、汽水分離組件、下部筒體組件、管束組件、管板、水室封頭等組件構(gòu)成。
核電蒸發(fā)器的制造涉及的主要工藝環(huán)節(jié),包括焊接、加工、熱處理、檢驗、水壓試驗等工序,另包括部分專用工序。概括如下:
(1)主焊縫焊接。主要采用窄間隙埋弧自動焊機,配合滾輪架進(jìn)行焊接;
(2)表面堆焊。主要采用自動帶極堆焊機,配合滾輪機或變位機進(jìn)行內(nèi)壁堆焊;
(3)接管堆焊或接管預(yù)堆邊。采用手工或自動熱絲TIG焊機焊接;
(4)安全端焊接。采用手工或自動熱絲TIG焊機焊接;
(5)管子管板封口焊。采用管子管板焊機焊接;
(6)筒體或封頭部件加工。采用立車加工坡口或外形;
(7)接管孔加工。主要采用數(shù)控鏜銑床;
(8)管板鉆孔。主要采用數(shù)控三軸深孔鉆;
(9)射線探傷。4~9 MeV直線加速器;
(10)熱處理。臺車式熱處理爐及大型局部熱處理裝置;
(11)清理。用大型噴丸室清潔工件表面;
(12)清潔。在大型清潔室內(nèi)完成管系部分的制造。
歸納起來,蒸發(fā)器的制造有如下幾個突出的工藝特點,也是蒸發(fā)器制造與一般重型容器制造的主要區(qū)別之處:
(1)產(chǎn)品制造周期長,產(chǎn)品規(guī)格相近。蒸發(fā)器的制造周期很長,通常在28~40個月,而一般重型容器的制造周期為6~12個月。長周期,一方面是由于產(chǎn)品自身的工藝環(huán)節(jié)多,另一方面在于蒸發(fā)器的制造環(huán)節(jié)和質(zhì)量控制環(huán)節(jié)要求都很高。
不同核電機組蒸發(fā)器的規(guī)格和生產(chǎn)工藝基本相同。例如蒸發(fā)器的總長度一般在22~23 m。其他各個組件的外形和重量也基本相似。因此通常將規(guī)格相近、工序相同的工件,設(shè)置在一個功能分區(qū)內(nèi)進(jìn)行制造。
上述兩個特點,決定了蒸發(fā)器生產(chǎn)的專業(yè)性。即對于重型容器而言,在一臺產(chǎn)品制造完成后,可立即編制另一臺不同規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)計劃。而對于蒸發(fā)器的制造,往往在交貨期的前三年就需要根據(jù)綱領(lǐng)或訂單情況制定相應(yīng)的生產(chǎn)計劃,并且落實產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝布局。
(2)工藝布局緊湊,工件布置明確。生產(chǎn)核電重型容器的廠房起重能力大,重型車間的起重機能力在700 t左右。車間地坪荷載高,較大的地坪承載可達(dá)120 t/m2??梢娬舭l(fā)器生產(chǎn)廠房的單位面積造價很高。因此,在設(shè)計和生產(chǎn)時,都必須提高車間的場地利用率,尤其是重型車間。與此相應(yīng),在設(shè)計和生產(chǎn)時的工藝布局,也必須緊湊。而緊湊的工藝布局,意味著生產(chǎn)工位的調(diào)整靈活性小。
蒸發(fā)器原材料多為半精加工鍛件,從原材料投料開始到包裝發(fā)運,一直以部件、組件以及成品的狀態(tài),停留在生產(chǎn)車間,處于生產(chǎn)加工或準(zhǔn)備狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計,一座年產(chǎn)18臺的核電蒸發(fā)器的廠房,在生產(chǎn)高峰期,車間內(nèi)布置的生產(chǎn)工件有80多件。其中,小型組件凈質(zhì)量約50 t,大型組件凈質(zhì)量在500~664 t。而在廠房設(shè)計時,這些組件已經(jīng)按照對應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行布置。國內(nèi)某大型核電制造企業(yè),其車間地坪荷載規(guī)格(t/m2)分別為 5,10,33,35,40,75,83.3,115,122.5。這些不同荷載區(qū)域,對應(yīng)著不同的生產(chǎn)功能。因此,這些工件受地坪荷載、起重能力、工藝流程、設(shè)備配置等因素的限制,不能隨意放置。
由上述蒸發(fā)器生產(chǎn)的工藝特點,可見蒸發(fā)器的生產(chǎn)組織非常復(fù)雜。
企業(yè)在生產(chǎn)時,會根據(jù)產(chǎn)品的制造工藝流程和組件的制造周期,制定一個生產(chǎn)計劃,以便控制和組織生產(chǎn)。對于一般重型容器,由于總體制造周期和主要工藝環(huán)節(jié)的制造工期相對較短,因而可留出了較大的生產(chǎn)組織調(diào)整空間。而對于核電蒸發(fā)器,其總體制造周期和某些特定工藝環(huán)節(jié)的制造周期都很長,而且關(guān)鍵部件不允許外協(xié)分包。因此,如果沒有精細(xì)化的生產(chǎn)組織,則很難保證生產(chǎn)進(jìn)度要求。
這里可能出現(xiàn)兩種情況:第一種情況是設(shè)備工序出現(xiàn)問題:即產(chǎn)品的某些關(guān)鍵加工工序排在了一起,由于工序沖突,造成長時間等待。第二種情況是產(chǎn)品布局出現(xiàn)問題:即工件擺放混亂,某些凈質(zhì)量和尺寸較大的組件,在進(jìn)行下一道生產(chǎn)工序時卻找不到擺放位置。
對于蒸發(fā)器的的生產(chǎn)組織,本文總結(jié)并建議如下:
(1)確定至少一個制造周期內(nèi)的生產(chǎn)任務(wù)。根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)及訂單交貨情況,確定每年需要產(chǎn)出的產(chǎn)品數(shù)量。例如,在2013年需交貨4臺,在2014年需交貨6臺,在2015年需交貨3臺、在2016年需交貨6臺。那么最大生產(chǎn)負(fù)荷即為6臺,且在2011年就需要進(jìn)行投料生產(chǎn)(制造周期按3年)。
(2)確定控制生產(chǎn)節(jié)拍的關(guān)鍵工序及設(shè)備。在按照生產(chǎn)工藝流程組織生產(chǎn)時,還需落實各個生產(chǎn)工序的生產(chǎn)工時。不同的組件,在進(jìn)行焊接、堆焊、立車加工、深孔鉆加工、管系制造等工序時,所占用的時間不同。例如,完成一條環(huán)縫的焊接約需一個星期的時間(含輔助時間),而完成一塊管板的鉆孔需4個月時間(指AP1 000機組蒸發(fā)器)。由于管板深孔鉆床投資很大,且屬于固定設(shè)備,無法進(jìn)行臨時調(diào)節(jié),因此管板深孔鉆就成為控制生產(chǎn)節(jié)拍的關(guān)鍵工序。按照經(jīng)驗,蒸發(fā)器制造控制節(jié)拍的關(guān)鍵工序和裝備,為管板深孔鉆工序和清潔室管系制造工序,分別為4個月和6個月(指AP1000機組蒸發(fā)器)。
(3)制定投料周期。制定投料周期是為了指導(dǎo)進(jìn)度計劃。假設(shè)生產(chǎn)廠房內(nèi)配置了2臺深孔鉆床和4座清潔室,按照對應(yīng)的生產(chǎn)工時計算,可能達(dá)到的最大生產(chǎn)能力分別為年產(chǎn)6臺蒸發(fā)器(每臺深孔鉆床鉆孔3塊)和8臺蒸發(fā)器(每座清潔室可完成管系制造2臺)。這樣就決定了產(chǎn)品投料周期應(yīng)為4個月,每批同時投料2臺,每年生產(chǎn)蒸發(fā)器6臺,并以此作為制定進(jìn)度計劃的依據(jù)。
(4)確定生產(chǎn)高峰。在進(jìn)行生產(chǎn)組織時,各個時段的生產(chǎn)負(fù)荷處于不斷變化的狀態(tài),不可能做到實時進(jìn)行調(diào)整。因此,必須以最大生產(chǎn)負(fù)荷為依據(jù),制定生產(chǎn)計劃,這樣便可以滿足各個時段的生產(chǎn)要求。
由于蒸發(fā)器的制造周期長,在第一批產(chǎn)品還在車間生產(chǎn)時,后續(xù)各批產(chǎn)品也陸續(xù)開始生產(chǎn),最終會形成一個最高峰的生產(chǎn)狀態(tài)。在生產(chǎn)高峰期內(nèi),車間的產(chǎn)品工件數(shù)量最大,生產(chǎn)負(fù)荷最高。假定蒸發(fā)器的制造周期36個月,每4個月投料2臺,則在最高峰時段,車間內(nèi)共有9批18臺蒸發(fā)器產(chǎn)品,處于單件、組件或成品狀態(tài)。其中第一批2臺蒸發(fā)器,已經(jīng)處于包裝發(fā)運狀態(tài),最后一批2臺蒸發(fā)器,處于部件準(zhǔn)備狀態(tài)。
(5)規(guī)劃場地布局,指導(dǎo)生產(chǎn)。根據(jù)產(chǎn)品工藝流程和主要工序的生產(chǎn)工時,可以制定出單臺產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度計劃;將單臺產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)度計劃與投料周期相結(jié)合,可確定出在高峰期整個車間內(nèi)產(chǎn)品工件的生產(chǎn)狀態(tài)。如有多少部件處于焊接狀態(tài)、多少組件處于鉆孔狀態(tài)、有多少組件處于清潔室內(nèi)等。這些組件在組合后仍然是18臺蒸發(fā)器。
在明確產(chǎn)品組件的生產(chǎn)狀態(tài)后,便可進(jìn)行場地工藝布局規(guī)劃和調(diào)整。前已述及,這些工件的布置受工藝流程、設(shè)備配置、起重能力、地坪荷載等條件的限制。通過規(guī)劃調(diào)整,繪出工藝布局圖,明確各個工件在車間內(nèi)的布置情況,以指導(dǎo)生產(chǎn)。
需說明的是,此工藝布局必須經(jīng)過充分論證。并且在生產(chǎn)時,盡量按照工藝布局規(guī)劃的內(nèi)容安排生產(chǎn)。否則在場地很緊湊的情況下,可能會導(dǎo)致因某些工序的工件位置被占用而無法進(jìn)行有序及有計劃生產(chǎn)。
裝備制造技術(shù)2010年3期