岭澳二期核电工程控制棒导向筒设备制造的工艺研究及风险控制

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N ew T h 响抓 鳋==岭澳二期、核电工程控制棒导向筒设备制造的工艺研究及风险控制1上海交通大学 (2ooo3o) 2上海第一机床厂有限公司 (2o 1308)(1984年～) 男 硕士研究生 从事项 目技术管理I作摘要：控制棒导向简设备是反应堆构件内精密的机械部件之一，由于结构复杂、尺寸精度高，其制造技术长期由国外核电设备制造商所垄断。介绍了百万kW级控制棒导向筒设备的设计原理，通过在国产化项目制造过程中对设备制造工艺的研究来识别其技术风险，并从风险减轻和风险预防的策略出发，提出了一些改进措施来控制这些潜在风险的发生及其影响，并通过岭澳二期核电工程设备制造国产化项目得到验证。

Abstract：Control Rod Guide Tube(CRGT)is one of the most precise mechanical parts of Reactor VesselInternals．The manufacturing technology was long—term dominated by overseas nuclear power equipmentsupplier due to its complicated geometrical structu re and rigorous precision dimensions．This paperintroduces the design theory of 1 000MW CRGT equipment，and some technical risks have been indicatedby means of the special manufacturjng process su rvey during the localization project，then in terms of therisk mitigation and risk avoidance strategic，some process improvements have been consequently executedSO as to control the occurrence and influence of these potential risks，finally these process improvementshave been welI validated through Ling Ao Phase I1 Nuclear Power Localization Project.

关键词：控制棒导向简；设计原理；特殊工艺；风险减轻；风险预防Key Words：Control Rod Guide Tube(CRGT)；design theory；special process；risk mitigation；risk avoidance1=}亚若 若周 周0 概 述控制棒导向筒设备是反应堆堆内构件关键的组成郜分， 一台改进型百万kW级反应堆堆内构件共有61组控制棒导向简装置。控制棒导向筒的主要功能是为由24根中 f-吸收棒束组成的星彤架结构控制棒组件的上卜运动提供可靠的定位和导向，确保征紧急事故下控制棒 能够快速准确地插入燃料组件中实现紧急停堆。

控制棒导向简装置也是反应堆堆内构件较精密的机械部件之 ·，旧内制造企业由于在装备和工艺技术方面的落后，陔没备长期以来依赖进U。随着我国核电披术的迅速发展，百万kW级核反应堆关键设备制造技术的 J 化亟待解决。

闻家核I乜 产化政策的扶持下，岭澳— 期核电丁：程为 内制造余业研制百万kW级核反应堆控制棒导向简没备提供r机会。但对f此类国内尚无制造经验的关键设备囤 化项口，其风险无所不征，而技术风险足所仃项H风险因素中位居首位的。所以，有效识别技术风险许采取相适应的风险管理策略，将成为项【=I变施成功的必要条件。

1 控制棒导向筒装置的设计原理1．1 控制棒 向筒的结构设计百万kW级控制棒导向筒主要由I：部导向简组件、下部导向筒绀件、特殊导向板、定位暗销、定位销、缩紧帽等组成。

上 导 向简组件为圆筒结构，位于反应堆堆内构件的上支承板与隔热套筒之问，圆筒内,fj4／-7~导向板和2根防转杆，通过定位销将导向板与圆筒固定 (见图1)。

下部导向简组件是一个方形结构，位于反应堆堆内构件的上支承板与上堆芯板之间，筒内上半部分固定有6块导向板，I 半部分是一个精密焊接的连续导向段。I：部畔向简组件和下部导向简组件通过 卜、下法兰背靠任 ·起，通过螺钉将其固定在上郜支承板上。整个控制棒导向筒的下端面通过定位销使其准确定位在上堆芯板 卜的定位销孔中 (见图2)。

-|二下部导向筒组件组合后内腔形成24个长达4m多的孔道，为控制棒束的上Ic运动提供导向。

图1 上部导向筒组件图2 下部导向筒组件1．2 控制棒导向筒的材料选用百万kW级控制棒导向简材料主要采用奥氏体不锈钢，螺栓材料采用镍基合金，材料标准均需满足RCC—M的M册要求，并且材料的钻含量 允许超过0．10％以及材料不能有品间腐蚀倾向。而焊接填充物材料采用 锈钏，材料标准需满足RCC—Ml',JS册要求。

这些特种核级材料可以保证控制棒导向筒能够在340。c和17MPa左右的高温高压以及强辐照的恶劣工况条件下强度不降低，保持垂直驱动疗向上不发生偏离，为控制棒组件的上下运动提供叮靠的定位和导向。

1．3 控制棒导向筒的检验为了有效检测控制棒导向筒的定位和导向的准确性，控制棒导向简在制造过程中需要多次进行位置度的检测以及最终的摩擦力性能试验。百万kw级控制棒导向筒的摩擦力性能试验使用一组与控制棒组件结构相类似的检验规，以4300mm／min的速度无阻滞地全程通过控制棒导向简设备，且摩擦力不啦趟过90N。

I墨圈 团暖日 New Technology＆New Product2 控制棒导向筒制造的特殊工艺根据分析，百万kW级控制棒导向筒制造具有精密机加工、精密焊接、精密装配和精密检测的特点，所以传统的机加工、焊接及检测工艺都无法实现控制棒导向简设计要求。由于先期没有任何相关设备制造经验，控制棒导向筒的特殊制造工艺研究必须要充分考虑潜在的技术风险，主要是工艺方案的设计风险和工艺技术的实施风险。工艺方案的设计风险来源于控制棒导向简内腔的24个孔道结构必须在焊接后形成，无法再进行机械加工，这对于零部件机加工、焊接和装配的全过程提出了苛划的精度要求，较难控制。工艺技术的实施风险主要来自于以下六个方面：(1)控制棒导向筒24个孔道作为控制棒组件上下运动的通道，每块导向板的内腔需镗铣出24个孔，各个孔和槽问位置度要求0．025mm，机加工变形量较难控制 (见图3)。

(2)作为控制棒导向筒与反应堆堆内构件上堆芯板在横向定位上连接的重要紧固部件，定位销零件的特征是销头开有一槽并且轧制有螺纹，销体直径略大于被连接处的销孔直径。定位销的结构特征使得机加工后弹性变形量较难控制，且对定位销装配时，销体旋入销孔中提出了特殊的技术要求 (见图4)。

图3 导向板62 装 备 机 械(3)下部导向筒组件的外壳由两块折成半方管的钢板焊接而成，每块半方管上还需机加工出5个用于导向板定位的方孔。钢板折弯后产生的变形量较难控制，且对5个方孔的位置度要求非常苛刻。

(4)下部导向筒组件是一个精密的全焊接结构，由于焊接会造成单个零件不同程度的变形，所以整体组件焊后精度控制较难。

(5)由于控制棒导向筒复杂的几何结构，需要在各道工序后进行一系列的检测工作，而许多相对位置度的检测准确性是保证产品质量的重要环节之一，故对检测工艺提出了特殊要求。

(6)作为最终验证控制棒导向筒性能指标参数的一 项重要检测试验，摩擦力试验需要一套精密的数字化传感检测系统，这对于试验支架台的对中、检测棒规的尺寸精度、检测仪器的敏感度以及打印输出显现效果提出了特殊要求。

3 控制棒导向筒制造工艺的改进方案项目风险控制策略大致可以分为减轻、预防、转移、回避、接受和储备风险六种 l，而对于项目技术风险的控制策略主要是减轻和预防两种。

基于风险减轻和风险预防策略，项目团队通过研究控制棒导向筒的设计原理，结合现有装备和加工工艺，提出了一些控制棒导向简制造工艺改进方案来有效控制潜在技术风险的发生及其影响。

针对工艺设计方案的风险，项目团队提出了精度逐级控制的工艺改进方案。首先，通过采用制造工艺分解结构，分解出控制棒导向简的全过程加工工序；然后，从后向前逐级]：J?-tl~z窄零件加工的精度离散性，并在前道工序加工结束后进行关键尺寸精度检测，以保 后道] 序加工的精度控制；最后，通过专用焊接工装确保整体焊接后的精度要求。

I川时，针对 I二述工艺的实施风险，项日团队提出了反复加 L法、交叉冷作法、渐进式交错对称焊接法等多种减轻和颅防风险发q三的二r：艺改进方案。

(1)导向板加工和枪验_]：艺改进方案：?F需要任厚度 5~124mmfl'3导向板上镗铣出肜状复杂的24个内孔槽，如果采朋一次顺序机加工成型艺容易产生成力变形，而传统的手工量具无法检测}{诸如10．025mm4L楷IhJ的位置度等尺寸。为了减轻薄壁导向板机加I 后的应力变形，采用反复加工法：首先，通过专用工装定位，先粗加工出内腔24个孔，再线切割出内腔的初步形状。其次，通过增加尺寸稳定化热处理工艺，并经过I飙j次正反面精铣的加工工序，可以提高轴线方向上4个安装定位孔与内腔24个槽和孔之问精度稳定性。最后，通过三坐标测量各个孔的大小及其相关位置度，确保导向板的尺寸精度完全满足1：艺要求。

(2)定位销加工和装配工艺改进方案：th于定位销销头开有一槽的特殊结构，如果按照圆棒机加 J二工艺来车销头外圆尺寸容易产生弹性变形，且机加 L后残余应力可能导致定位销任反应堆运行期内表面塑性变形而发生断裂的严重后果。为了预防上述风险的发生，首先，在定位销销头开槽后，先利用特种压紧工具将外圆压缩0．4～0．5mm，再加工销头外 至020mm，松开压紧上具后通过时效可复原剑图样尺寸。其次，采用表面喷丸工艺，并严格控制喷丸时间在lmin以内，能够有效平衡定位销机加工后的表面残余应力。最后，在定位销装配时，定位销销头的螺纹需要先充分润滑，并等待2h以上才能用旋转扳手慢慢旋入上堆芯板，紧固力矩必须控制在100N·m，且扳手的旋转方向必须垂直于销一螺母的轴线，使得定位销销头因弹性发生形变，将销体压缩至直径略小的销孔中，确保控制棒导向筒相对于上堆芯板的横向定位，使得两者保持在同一直线上，起到紧固定位作用。

(3)半方管冷作工艺和开孔工艺改进方案：截面类似于L型形状的半方管带有4个圆弧，长度达到2m，如果按照连续折弯成型工艺会发生因离散应力无法消除而扭曲变形，为了减轻半方管折弯后的应力变形，采用折弯和校正交叉冷作法：根据圆弧数量分4次进行折弯，每次折弯时采用不同专用：[装对半 管进行固定，且每次折弯后进行变形量ngN~1：和局部校正，严格控制应力变形。另外，半方管的5个办孔采用数控镗铣床加工，数控编程的准确性对保证半 管n95个方孔位置度至关重要。为了检验数控程序的准确性，采用数控仿真模拟技术，通过将数控程序导入电脑中模拟真实的工件加 【 过程，确保数控镗铣床能够达剑 一组5个方孔在同一平面 一致性不超过0．05mmflgJ／l I精度，以满足后续组合焊接的工艺要求。

(4)下部导向简组件焊接工艺改进方案：由于四方形下部导向简组件是全焊接结构，普通氩弧焊接会导致单个零件的变形离散大而最终无法满足整体焊接精度要求。对此，采用数控真空电子束焊接氩弧焊接渐进式交错对称法来减轻此类风险：首先，对于精密的双孔管采J}{真空电子束熔融的焊接方法，最小熔深0．8ram，可控制单个零件的焊后变形，以满足后续连续段焊接的工艺要求；其次，在连续段焊接时，通过一种模具焊接加工工艺，先将所有焊接零件固定在一个特制的模具上，然后进行对称性地手工氩弧焊接，可控制模具所固定的零部件焊后变形量，以满足后续下部导向筒整体焊接的工艺要求；最后，在下部导向筒整体焊接时，先采用与连续段焊接柏 一致的方法，将下部导向筒方管内的零件组合起来，再采用真空电子束熔融的焊接方法将两块半方管组合焊接起来，达到整体焊接精度要求。

(5)控制棒导向筒组件焊接检测工艺改进方案：由于控制棒导向简组件是精密复杂的焊接结构，每道焊接后位置度的检测准确性对于保证后道焊接的质量至关重要，但传统手工量具无法有效检测位置度尺寸，而三坐标测量也不适用于导向筒组件内部位置度的检测。为了预防焊后质量风险的发生，通过制作不同规格的缝隙检验规、十字检验规、弹子规、塞63 l No．3 201 3l墨强 可口 New Technology&New Product规、棒规等，分别对各类管开槽的位置及方向、内孔直径大小及直线度、连续导向段焊后内部所有孔的尺寸及位置度和上／下部导向筒组件焊后导向板上孔的相对位置度进行检测，以满足在控制棒导向筒制造各个过程中对关键精度的检测要求。

(6)控制棒导向筒组件性能检测工艺改进方案：由于控制棒导向筒性能检测 (又称摩擦力试验)是最终验收设备的重要组成部分，数据的准确性至关重要。然而，摩擦力试验不仅需要特种的试验台架进行棒规检验，还需要完整连续地记录检验棒规通过控制棒导向筒内腔时的摩擦力数值，是一个复杂的检测系统，国外采用模拟信号传感检测系统，需要特定的打印纸进行记录并由检验人员读取分析所记录的数据，存在较大的偏差。为了减轻人为因素带来的潜在风险，除搭建一个试验台架，定制一根专用的检验棒规外，还需设计一套数字化传感检测系统，其中测量仪器主要由载荷传感器、信号放大器、记录仪等组成，通过将模拟信号转化为数字信号，并经软件的自动化分析输出所需的检测数值，在达到检测精度要求同时，以保证数据的准确性，提高了检测效率。

4 总 结通过实施上述工艺改进方案后，岭澳二期核电工程控制棒导向筒最终摩擦力经检测达到20～45N，离散性很小，性能指标远好于设计要求的90N，甚至好于同类进口控制棒导向筒的摩擦力值 (30-65N)，圆满实现了这个百万kw级核反应堆关键设备制造技术的国产化项目目标，填补了国内又一项关键核电设备制造空白，为国家快速发展核电提供了关键设备的配套保障。

参考文献：? 沈建明．项目风险管理 (第2版)【M1．机械工业出版社，2010.

【2】龚宏伟，叶迎春，康健，胡晨辉．一种定位销专利【M]．国家知识产权局，201 1.

【3】肖立新，陈英民，龚宏伟等．一种导向筒的加工工艺【M]．国家知识产权局，2006.