王 勇 王江濤 王仕航

（國核工程有限公司，上海 200223）

冷裝配技術(shù)在三代核電堆內(nèi)構(gòu)件安裝中的應(yīng)用

王 勇 王江濤 王仕航

（國核工程有限公司，上海 200223）

三代核電反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件安裝過程中多處采用冷裝配技術(shù)，包括堆內(nèi)構(gòu)件堆芯支撐鑲塊定位銷的安裝、H/V定位銷暗銷的安裝、DVI導(dǎo)流板襯套的安裝等。利用金屬材料線性熱脹冷縮的特性，模擬整個(gè)冷裝配的操作過程，掌握冷裝配的操作要領(lǐng)，實(shí)施冷裝配操作，以提高安裝的成功率。

過盈配合 冷裝配 堆內(nèi)構(gòu)件

前言

過盈裝配是機(jī)械設(shè)備零部件裝配中常見的一種裝配工藝。通過工件間的過盈配合，限制其相對(duì)移動(dòng)，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。在設(shè)備的安裝與檢修過程中，對(duì)過盈配合的實(shí)施主要采用壓裝、熱裝、冷裝等工藝。冷裝具有便于操作、費(fèi)用節(jié)約等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，特別適應(yīng)小尺寸工件與大尺寸包容件間的過盈配合。冷裝配的原理就是利用金屬在低溫下尺寸線性收縮的特性，使被包容件與包容件間的過盈配合在裝配過程實(shí)施時(shí)轉(zhuǎn)化為間隙配合，待裝配完成并恢復(fù)常溫后，被包容件被緊緊固定在包容件內(nèi)，從而使二者之間裝配滿足過盈配合的技術(shù)要求。

三代核電的堆內(nèi)構(gòu)件安裝過程中需要用到冷裝配工藝，具體部位為：執(zhí)行定位功能的H/V定位銷暗銷的安裝（見圖1），執(zhí)行間隙調(diào)整功能的下徑向支撐鑲塊定位銷的安裝（見圖2），執(zhí)行定位功能的導(dǎo)流板襯套安裝（見圖3）。這些被冷裝的工件分為實(shí)心的圓柱型棒狀和空心的圓柱型管狀兩種形狀，材質(zhì)均為耐蝕合金鋼。

圖1 H/V定位銷暗銷的安裝圖

圖2 下徑向支撐鑲塊定位銷的安裝圖

圖3 導(dǎo)流板襯套安裝圖

1 冷裝配的工藝準(zhǔn)備

1.1 冷裝配物項(xiàng)信息確定

按照設(shè)計(jì)，堆芯支撐鑲塊的定位銷孔要以廠家已經(jīng)加工的φ25.27mm孔為導(dǎo)向孔進(jìn)行擴(kuò)孔，最大擴(kuò)孔直徑不超過φ26.67，過盈量控制在0～0.025mm，配合深度控制在98.4mm左右。

1.2 冷卻介質(zhì)的選定

冷裝配工藝需用的冷卻溫度，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式

△t=δ/（ε* d）求得。

這里，△t為溫度變化量，δ為配合時(shí)的最大過盈量（mm），ε為冷裝件的線膨脹系數(shù)，d為配合直徑（mm）。

將銷/襯套的參數(shù)代入上述公式中，計(jì)算得到需要的最小溫度變化量△t見表1。

表1 需要的最小溫度變化量△t

目前，常用的冷卻介質(zhì)一般為干冰、液態(tài)氮、液態(tài)氧以及其他特殊設(shè)備冷卻。它們的溫度依次為-75℃、-185℃、-195℃、-120℃。根據(jù)表1最小溫度變化量需求，綜合液態(tài)氮冷卻的優(yōu)點(diǎn)，選用液態(tài)氮作為堆內(nèi)構(gòu)件過盈裝配中的冷卻介質(zhì)。

1.3 冷卻時(shí)間的確定

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：t=αδ+6

其中，t為冷卻時(shí)間（分鐘），α為冷卻綜合系數(shù)，δ為最大壁厚。

根據(jù)上述公式計(jì)算，冷裝工件的冷卻時(shí)間應(yīng)不小于表2所示時(shí)間。

表2 冷裝工件的冷卻時(shí)間要求

1.4 冷裝配工具的準(zhǔn)備

為能夠安全快捷地將工件安全冷凍、快捷取出并安裝到位，根據(jù)工件尺寸采購和制作了以下物項(xiàng)。

①冷凍箱：采用厚度2mm的鋼板焊接而成一箱型容器，雙層結(jié)構(gòu)，層間用一級(jí)膨脹珍珠巖填充以保證保溫效果，夾層厚度約15mm，容器頂蓋邊緣設(shè)排氣孔，見圖4。

圖4 冷凍箱

②TP304不銹鋼托盤：工件放在托盤上，托盤能夠整體豎立放入冷凍箱中，托盤提手高于液氮液位。工件冷凍后，將托盤與工件一起提出液氮箱。在提取過程中，工件不會(huì)晃動(dòng)掉落，液氮自然流回液氮箱，見圖5。

圖5 TP304不銹鋼托盤

③防凍手套：抓取冷凍后的工件，快速安裝。

④液氮：從市場(chǎng)采購或租賃，根據(jù)液氮盛具的不同，將液氮倒入或通過管道放入液氮箱。

2 冷裝操作的模擬

為提前發(fā)現(xiàn)定位銷安裝的意外風(fēng)險(xiǎn)和進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，綜合考慮定位銷冷裝部位的重要性和施工難度，選取堆芯支撐鑲塊定位銷安裝進(jìn)行模擬試驗(yàn)。從重要性上分析，堆芯支撐鑲塊屬于堆內(nèi)構(gòu)件下部徑向支撐系統(tǒng)，具有限制堆芯吊蘭下部旋轉(zhuǎn)和位移的作用。堆芯鑲塊支座為壓力容器上的焊接件，屬于核I級(jí)設(shè)備，必須避免在定位銷孔加工和定位銷安裝過程中出現(xiàn)難以挽回的錯(cuò)誤，以保證一次安裝成功。從安裝難度上分析，現(xiàn)場(chǎng)加工，堆芯支撐鑲塊銷孔受加工空間和加工機(jī)具限制。銷孔加工深度較深，銷安裝過程中出現(xiàn)卡塞的風(fēng)險(xiǎn)大。

基于試驗(yàn)成本和可取用材料難易上的考慮，實(shí)際選用了物理性能差別不大的304不銹鋼進(jìn)行銷孔和銷的模擬加工及銷的液氮冷裝。

2.1 模擬裝配工序

銷孔加工→銷孔清潔及外觀檢查→銷孔直徑和深度測(cè)量→根據(jù)過盈量確定銷的加工直徑→銷粗加工→銷的排氣槽和倒角加工→銷精加工測(cè)量→冷裝工具準(zhǔn)備→銷的外觀檢查和直徑測(cè)量→將銷放入托盤置于冷凍箱中→注入液氮浸沒工件→記錄時(shí)間→15分鐘后取出銷測(cè)量直徑后迅速將銷放回冷凍箱→銷孔清潔及外觀檢查→30分鐘后將銷取出測(cè)量直徑→安 裝銷→銷末端沉入銷孔深度測(cè)量。

加工兩組銷孔和銷進(jìn)行模擬裝配，裝配信息見表3。

表3 兩組銷孔和銷的裝配信息

2.2 模擬件試裝配中的注意事項(xiàng)

（1）模擬圓柱銷直徑測(cè)量點(diǎn)應(yīng)選取上中下多部位測(cè)量，測(cè)量值之間的差值不能大于0.01mm；多人測(cè)量取其平均值；圓柱銷應(yīng)平直、無彎曲；端部應(yīng)保證有一定的倒角。

（2）定位銷孔用三爪內(nèi)徑千分尺測(cè)量時(shí)應(yīng)測(cè)量上中下多部位數(shù)值，3個(gè)以上人員測(cè)量進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。

（3）冷裝銷的冷卻尺寸變化可以反復(fù)測(cè)量幾次，找出合適的冷卻時(shí)間。

（4）冷裝銷的清潔度應(yīng)該達(dá)到B級(jí)清潔度標(biāo)準(zhǔn)。

（5）液氮容器的清潔度應(yīng)達(dá)到B級(jí)清潔度標(biāo)準(zhǔn)。

（6）取冷裝銷需佩戴防護(hù)手套，手套不允許有起毛、線頭等易被帶入銷孔的東西。

（7）排氣孔應(yīng)起到排氣功能，以免出現(xiàn)“彈銷”現(xiàn)象。

（8）冷裝銷按編號(hào)存放在托盤上，安裝時(shí)應(yīng)與鍵槽上的對(duì)應(yīng)編號(hào)相匹配。

（9）廢棄的液態(tài)氮應(yīng)采用掩埋處理，禁止隨意傾倒、拋灑。

3 冷裝過程實(shí)施

下面以鑲塊與徑向支撐座之間的裝配為例，詳細(xì)描述整個(gè)裝配的工藝過程，位置關(guān)系如圖6所示。

圖6 裝配的位置關(guān)系示意圖

將加工完成的鑲塊按編號(hào)安裝在徑向支撐座上，利用上下2個(gè)定位螺釘將鑲塊與徑向支撐座緊固在一起。緊固前，應(yīng)檢查二者之間的接觸情況是否達(dá)到75%的接觸面積，同時(shí)要對(duì)鑲塊進(jìn)行松動(dòng)試驗(yàn)檢查，以消除鑲塊上定位螺栓孔與支撐座上對(duì)應(yīng)的螺栓孔間存在尺寸偏差。因?yàn)槌叽缙钸^大，將導(dǎo)致鑲塊與徑向支撐座側(cè)面間存在間隙現(xiàn)象。松動(dòng)試驗(yàn)檢查完成后，利用臨時(shí)工裝將磁力電鉆固定，調(diào)整好磁力電鉆的方位和角度，利用專用鉸刀對(duì)準(zhǔn)鑲塊上的導(dǎo)向孔，將徑向支撐座上的銷孔φ25.27mm逐步鉸孔至φ26.67mm，鉸孔深度L=110mm?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的鉸刀分為5個(gè)規(guī)格，分別是25.65mm、25.91mm、26.16mm、26.42mm、26.67mm。

鉸孔過程務(wù)必保證孔的垂直度與圓柱度。在模擬試驗(yàn)時(shí)，鉸刀的操作者應(yīng)該熟練掌握操作要領(lǐng)，如鑲塊上的初始導(dǎo)向孔與徑向支撐座上的定位孔位置上的偏差過大，應(yīng)進(jìn)行綜合評(píng)估，切不可盲目鉸孔；位置偏差可控，應(yīng)在鉸孔過程中補(bǔ)償性修復(fù)；鉸孔過程中嚴(yán)禁磁力電鉆的偏移。

鉸孔完畢后，利用三爪內(nèi)徑千分尺精確測(cè)量孔的內(nèi)徑。在孔的深度方向上取多點(diǎn)測(cè)量并記錄數(shù)值。利用2-3人測(cè)量孔的直徑，然后將數(shù)值匯總，確定孔的內(nèi)徑D。需要注意，確定的內(nèi)徑數(shù)值應(yīng)征得所有參與測(cè)量人員的認(rèn)可。

利用測(cè)量的孔徑D和孔的深度L加工圓柱銷，圓柱銷加工尺寸為D+0.025。根據(jù)模擬試驗(yàn)的結(jié)果，綜合各種因素，現(xiàn)場(chǎng)工程師將圓柱銷的收縮量確定為0.07mm，將加工好的冷裝銷裝入托盤（見圖5）中，分2批次將16個(gè)冷裝銷放入液態(tài)氮容器中的托盤上冷卻。冷卻37分鐘，取其一件迅速用游標(biāo)卡尺測(cè)量冷裝銷的外徑是否滿足收縮量要求。如果滿足，應(yīng)快速插入對(duì)應(yīng)的安裝位置，可利用橡皮錘輕輕敲擊，使其迅速安裝到位。采用同樣的操作過程，逐一安裝16件圓柱銷。注意，此時(shí)的操作一定要按模擬操作時(shí)一樣“手感”進(jìn)行，如果發(fā)現(xiàn)冷裝銷不能輕易插入，應(yīng)迅速拔出并繼續(xù)冷卻，直至可以輕易裝入對(duì)應(yīng)的銷孔。整個(gè)裝配過程應(yīng)注意動(dòng)作迅速，減少冷裝銷在空氣中的暴露時(shí)間。同時(shí)，要保證圓柱銷在液態(tài)氮容器中有足夠的冷卻時(shí)間。

對(duì)于管狀的襯套安裝來說，冷裝配操作與圓柱銷狀的實(shí)心圓柱銷冷裝沒有大的區(qū)別。襯套加工后的尺寸：內(nèi)徑φ24.13mm，外徑φ48.32mm，導(dǎo)流板沉孔內(nèi)徑φ48.25mm，沉孔深度d=38mm，設(shè)計(jì)配合過盈量0.064mm，實(shí)際過盈配合量0.07mm；液態(tài)氮中的冷凍時(shí)間為35分鐘，實(shí)際測(cè)量冷凍后，收縮量為0.14mm；裝配過程采用與圓柱銷同樣的方法，6個(gè)襯套在車間輕易完成，最終成功完成襯套與導(dǎo)流板之間的裝配工作。

4 結(jié)束語

利用冷裝配工藝實(shí)現(xiàn)H/V定位銷暗銷、支撐鑲塊定位銷、DVI導(dǎo)流板定位襯套安裝時(shí)過盈配合的設(shè)計(jì)要求，證明了設(shè)計(jì)上的可操作性。通過實(shí)際操作，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在堆內(nèi)構(gòu)件安裝中的冷裝配工藝具有如下特點(diǎn)：冷裝配操作較為簡(jiǎn)潔，操作工人容易掌握操作要領(lǐng)；液態(tài)氮容易獲取；冷裝銷在液態(tài)氮中的線性收縮性能很好，整個(gè)降溫過程均勻，降溫過程不易發(fā)生氧化與畸變。同時(shí)，通過模擬操作與正式安裝操作，操作人員逐步掌握了冷裝配過程中的冷卻時(shí)間控制、工件測(cè)量方法、過盈量的評(píng)估、操作風(fēng)險(xiǎn)因素控制等多方面的知識(shí)，為后續(xù)類似工藝積累了經(jīng)驗(yàn)。

[1]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T5371-200 4 極限與配合 過盈配合的計(jì)算與選用GB/T5371-2004[S].2004.

[2]汪大年.金屬塑性成形原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]劉凌.過盈連接裝配與研究[J].機(jī)床與液壓，2011，（4）：47-48.

Col d Assembly Technology in the Application of Reactor Vessel Internals Installation of Generation III Nuclear Plant

WANG Yong, WANG Jiangtao, WANG Shihang
（State Nuclear Power Engineering Company (SNPEC), Shanghai 200223, China）

The cold assembly technology is applied to many installation processes of reactor core internals of Generation III nuclear plant, which refers to the installation of dowel pin of reactor vessel internal core support clevis, installation of dowel pin for H/ V alignment pin, and the installation of DVI flow deflector. With the linear expansion and contraction features of metal materials, it can simulate the whole operation process of cold assembly, so as to grasp the operation essentials of cold assembly, conduct cold assembly processing operation and improve the success rate of installation processing.

Interference fit, Cold Assembly,Reactor Vessel Internals