“华龙一号”核反应堆堆芯板的制造

□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]。

5 其它注意事项

堆芯板工件在搬运、加工和检查过程中，必须注意保护已加工表面，慎防工件表面碰伤、划伤、压伤和存放变形。

所有机加工完成后，工件在自由状态下进行最终检查，包括目视检查、尺寸检查、待焊位置液体渗透检查。尺寸检查时，利用量规测量开口销间距，利用螺纹通规、止规检查螺纹，利用粗糙度仪检查表面粗糙度，利用激光跟踪仪或大理石直尺检查堆芯板平面度和部分孔系的位置度，如图6所示。

图6 平面度和位置度检查

6 结论

工件翻转交替加工和静置时效可有效消除粗加工中产生的应力，为减小后续精加工变形创造了条件。

采用专用刀具和合理的切削用量，能有效解决碰刀、崩刃现象，在满足堆芯板平面度要求的前提下，减少机加工成本，提高制造效率。

校正机床立柱，数控机床采用统一基准，对机加过程进行实时补偿，并采取专用铰刀精铰孔系，使堆芯板孔系位置度达到设计要求，保证了产品质量。

“华龙一号”核反应堆堆芯板的制造采用了如上所述优化工艺，实施了过程控制和检验，使堆芯板质量满足设计要求。