AP1000核电机组堆内构件吊篮筒体出口管嘴修配技术

秦晨晓

上海第一机床厂有限公司 上海 201308

1 研究背景

AP1000核电机组运用第三代非能动性核电技术，为当今世界上最安全的核电堆型之一。堆内构件是核岛主设备，堆内构件分为上部堆内构件和下部堆内构件两部分。吊篮筒体是下部堆内构件的主要组成部分，由一个吊篮筒体法兰、一个上筒体、两个出口管嘴、一个中筒体、一个下筒体、一个下堆芯支承板和四个径向支撑键焊接组成[1-3]，如图1所示。

堆内构件吊篮筒体的两个出口管嘴位于90°和270°轴线。出口管嘴外圆弧面的直径由制造厂按设计要求，根据反应堆压力容器出口管嘴内圆弧面的实测直径配作加工而成。吊篮筒体出口管嘴与压力容器出口管嘴之间的冷态间隙值在直径方向上应在4.318±0.127mm范围内，即吊篮筒体与压力容器两个出口管嘴的间隙值应在 4.191～4.445mm 之间。吊篮筒体与压力容器出口管嘴的间隙如图2所示。

经采用有限元计算分析后发现，吊篮筒体出口管嘴外圆弧面在热态时的膨胀不均匀，而且超出了原先的计算。换言之，原设计会导致吊篮筒体出口管嘴与压力容器出口管嘴在热态运行工况下产生接触[4]。

鉴于以上问题，需要在现场通过手工打磨的方法，对吊篮筒体出口管嘴的外圆弧面再次进行修配，使其与压力容器出口管嘴在热态运行时的间隙不小于0.5334mm，并且不大于1.041mm[5-6]。

图1 吊篮筒体

图2 吊篮筒体与压力容器出口管嘴间隙

2 修配技术

吊篮筒体出口管嘴的修配分为四个步骤： 第一步，确定出口管嘴的打磨量；第二步，确定有效的测量方法；第三步，对出口管嘴进行打磨；第四步，对修配完成后的数据进行分析。

2.1 打磨量确定

在吊篮筒体出口管嘴修配前，首先要确定管嘴外圆弧面上每个区域的打磨量。每个管嘴上设置36个测量点，36个测量点位于管嘴面12处的内、中、外三个圆周上，如图3所示。测量视角为人站在吊篮筒体外，朝向吊篮筒体的轴心方向。

根据图3所示的测量点，将管嘴划分成36个区域，每个区域都根据要求的打磨量进行打磨和测量，如图4所示。

根据吊篮筒体出口管嘴与压力容器出口管嘴的原始间隙和热态运行时的间隙要求进行计算，确定吊篮筒体90°和270°出口管嘴的打磨量，分别见表1和表2。

2.2 测量方法

2.2.1 测量方法初步确定

在二代加核电机组堆内构件吊篮筒体出口管嘴的修配过程中，通常采用刀口形直尺和塞尺结合的方式对打磨量进行测量，这种方法对圆弧面的测量精度较差，很难达到要求。

随着精密电子光学仪器的应用普及，测量人员已经在精密电子光学仪器的测量操作上积累了足够的经验。在综合考虑了出口管嘴打磨量的测量精度要求和现场工况后，测量人员初步确定使用激光跟踪仪对AP1000核电机组堆内构件吊篮筒体出口管嘴打磨量进行测量。

打磨操作会使受到打磨的位置发热，造成打磨位置材料膨胀，因此每次打磨完成后，需要等吊篮筒体出口管嘴的温度降低到与环境温度相同后，再进行打磨量的测量[7-9]。

2.2.2 测量偏差问题

最初制订的出口管嘴打磨量测量方法为，使用激光跟踪仪测量打磨前与打磨后的出口管嘴半径，两个数值的差值即为出口管嘴的实际打磨量。

但是受现场环境的制约，出口管嘴打磨过程中环境温度并不是恒定的，最大温差会达到5℃，仪器距离被测工件则为5m。由于吊篮筒体的材料为奥氏体不锈钢，出口管嘴的半径尺寸受温度变化的影响较大，管嘴圆弧面的理论直径达到3780mm，理论半径为1890mm，通过激光跟踪仪测得的管嘴半径值会随出口管嘴温度的升高和降低而变化。并且由于吊篮筒体的形状不规则，每个区域的变化量是不均匀的，很难通过经验公式对数据进行直接

图3 测量点

图4 打磨区域

转化。根据模拟试验的结果分析，在温度降低 2℃ 的情况下，实测的半径减小了0.1～0.2mm，因此，根据模拟试验，总结出最大测量变化量的经验公式为：

(1)

式中：δ为随温度变化的测量变化量，mm；R为出口管嘴半径，mm；ΔT为温差，℃。

根据式(1)计算，当两次测量时的温差达到5℃时，最大测量变化量将达到0.5mm，不满足出口管嘴打磨的测量精度要求。

表1 90°出口管嘴打磨量

表2 270°出口管嘴打磨量

2.2.3 测量方法最终确定

为了解决因测量温差造成的测量偏差问题，检验人员对测量方法进行了改进。改进后的测量方法为，在每个打磨区域内保留一处约10mm×10mm 的区域作为测量基准点，这些基准点在其它区域打磨至满足要求后再最终打磨去除。每次打磨完成后，测量每个区域的打磨量时，先测量该区域内基准点的半径，以基准点的实测半径作为基准，再测量该区域内打磨测量点的半径，两半径之差即为实际打磨量。

采用改进后的方法进行测量，基准点的实际半径是不变化的，由于温差相同，激光跟踪仪测量得到的基准点与周边打磨区域的半径受到温差影响的变化量也是基本相同的。

设基准点的半径为R1，变化量为δ1，打磨位置的半径为R2，变化量为δ2，由式(1)得：

(2)

(3)

打磨量随温度变化的变化值为：

(4)

采用这一方法对吊篮筒体出口管嘴的打磨量进行测量，在环境温度变化较小的情况下，对测量数据的影响非常小，能够满足出口管嘴修配的精度要求。

2.3 打磨方法

由于现场条件限制，吊篮筒体出口管嘴外圆的修配只能通过手工打磨完成，工人使用电动磨光机安装铝基砂轮和抛光轮对吊篮筒体出口管嘴的外圆打磨区域进行打磨。根据现场工况，只能在吊篮筒体的一个出口管嘴位置搭设打磨操作的工作台位，因此90°和270°出口管嘴的打磨操作需要先后进行，无法同时开展。在完成90°出口管嘴的打磨操作后，需要将吊篮筒体吊转180°，再进行270°出口管嘴的打磨。

2.3.1 准备工作

在执行出口管嘴打磨操作前，需要对吊篮筒体现有的脚手架进行改制，搭设工作台位，工作台位应便于工人的打磨操作，如图5所示。出口管嘴打磨操作会产生大量的金属屑和粉尘等异物，为防止异物对产品造成污染，需要使用三防布对工作台位四周和上下进行隔离，并在出口管嘴内孔安装挡板，建立隔离区，同时利用抽风设备进行换气及隔离区内异物的清除。

图5 工作台位

2.3.2 打磨区域的划定

出口管嘴打磨区域的划定方法为将定制的圆规安装在吊篮筒体出口管嘴内孔，每次打磨操作开始前，利用安装在圆规上的记号笔，按照图3和图4所示的距离要求，划定出口管嘴打磨区域的分界线和测量点位置，如图6所示。在每个打磨区域内画出需要保留的测量基准点，以便于打磨量的测量，如图7所示。

图6 打磨区域分界线和测量点位置

图7 测量基准点

2.3.3 打磨厚度标记

在每次出口管嘴打磨前，为便于控制打磨量，利用可调式样冲在各打磨区域内的随机点位做相应深度的冲孔标记，每处标记间隔约20mm。用百分表实测冲孔标记深度，如冲孔标记实际深度与理论深度误差超过0.05mm，则在临近区域重新作冲孔标记。冲孔标记及冲孔深度测量现场如图8所示。

图8 冲孔标记及冲孔深度测量现场

2.3.4 打磨步骤

由于手工打磨存在误差，因此为确保打磨精度，吊篮筒体出口管嘴的打磨分为初步打磨、二次打磨和最终打磨共三个阶段进行。每次打磨完成后，通过前文所述测量方法，对下一次的打磨值进行修正。

2.3.5 初步打磨

初步打磨时，将每个打磨量超过0.3mm的区域打磨至剩余打磨量约0.3mm，对于总打磨量小于 0.3mm 的区域，则暂时不做打磨操作。根据以上规则，初步打磨的打磨量见表3、表4。表格中的目标为该区域要求的总打磨量，第一次指初步打磨的打磨量。需要注意的是，不打磨测量基准点所在区域。

初步打磨完成，工件与环境温度等温后，按照前文所述测量方法，使用激光跟踪仪对初步打磨的实际打磨量进行测量。

表3 90°出口管嘴初步打磨量

表4 270°出口管嘴初步打磨量

2.3.6 二次打磨

二次打磨在初步打磨的基础上，将除测量基准点外的所有区域打磨至最终要求。二次打磨的打磨量根据初步打磨的实际打磨量确定，具体的打磨方法与初步打磨相同。二次打磨完成，工件与环境温度等温后，仍按前文所述测量方法对打磨量进行测量。

如二次打磨完成后，测得的实际打磨量不足，则根据实测结果，继续进行打磨，直至达到最终打磨量。

2.3.7 最终打磨

最终打磨的目的是去除测量基准点和改善出口管嘴打磨的表面粗糙度。出口管嘴打磨的表面粗糙度要求为Ra3.2，因此需要在打磨完成后对出口管嘴表面进行抛光[10]。

3 数据分析

表5 90°出口管嘴实际打磨量

表6 270°出口管嘴实际打磨量

将吊篮筒体吊入压力容器，再次测量吊篮筒体与压力容器出口管嘴之间的间隙。打磨后的理论间隙和实际间隙数据见表7、表8。由于吊篮筒体每次吊入压力容器定位后，都会存在约 ±0.25mm 的重复定位偏差，因此打磨后出口管嘴实际的间隙与理论间隙之间存在一定的误差，最大误差为0.465mm，但整体仍与理论值保持一致。

表7 90°出口管嘴与压力容器出口管嘴间隙

表8 270°出口管嘴与压力容器出口管嘴间隙

根据最终的出口管嘴间隙数据，经过计算转换后的热态间隙数据见表9。可以看到所有位置的热态间隙均大于0.5334mm的最小间隙要求，并且最大热态间隙为0.861mm，小于1.041mm的最大间隙要求。

表9 出口管嘴热态间隙

4 结论

吊篮筒体出口管嘴修配所采用的测量方法是在每个打磨区域保留基准点，利用激光跟踪仪测量基准点与打磨区域的半径，并通过半径差计算得到实际打磨量。根据实际打磨后的测量结果分析，采用此测量方法，受环境温度影响极小，得到的测量精度比传统的测量方法高。

根据测量结果和最终的热态间隙分析，吊篮筒体出口管嘴修配过程所采用的打磨方法、画线方法、冲孔标记方法能够有效控制打磨量，且能够满足出口管嘴修配的精度要求。

笔者对AP1000第三代核电机组堆内构件吊篮筒体出口管嘴外圆弧面在现场的最终修配具有实用价值，并已在AP1000核电机组堆内构件的制造中得到应用和推广。

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