CN101524726A - 超大型封头板整体压制成型工艺及安全壳封头 - Google Patents

超大型封头板整体压制成型工艺及安全壳封头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种核电站设备——安全壳封头板成型工艺，属于核电安全设备加工技术领域。超大型封头板整体压制成型工艺：钢板火焰切割下料→钢板的加热保温→出炉、吊运→钢板的压制→卸压、吊运→机器人测量→坡口加工。安全壳封头：选用碳硅锰材料SA738B，组成封头的每块钢板约长10m，宽4m，厚41.3mm，封头成型后内直径约40m，高约11m。封头共分为四层。本发明超大型封头板整体压制成型工艺，能够代替过去分段压制加点压的技术，提高生产效率和工件的使用寿命，实现AP1000压水堆核电站钢制安全壳容器超大型椭球封头板的整体模压一次成型。

Description

超大型封头板整体压制成型工艺及安全壳封头
一、技术领域
本发明涉及一种核电站设备——钢制安全壳的压制成型工艺，尤其是第三代核电AP1000先进压水堆核电站非能动安全保障系统的重要设备——钢制安全壳的封头板整体压制成型工艺，属于核电安全设备加工技术领域。
二、背景技术
目前，核电是一种经济、安全、可靠、清洁的新能源。现在世界上运行的压水堆核电站主要是第二代或第二代半堆型。我国从美国西屋公司引进非能动的第三代核电技术——AP1000大型先进压水堆，代表当前国际上最先进的核电技术。
安全壳是核电站中极其重要的安全设施。一方面作为核辐射安全屏蔽系统的一部分，是防止核辐射泄漏的第四道屏蔽防护体；另一方面作为非能动冷却系统的组成部分，是冷却核岛内温度的重要保证，反应堆厂房顶部水箱为防止事故工况下的温度剧增提供加速冷却的作用。
制造安全壳封头选用一种国内新型碳硅锰材料SA738B，组成封头的每块钢板约长10m，宽4m，厚41.3mm，封头成型后内直径约40m，高约11m。封头共分为四层，第一层由2块板组成，沿板长度方向的曲率半径R＝34.054m；第二层由6块板组成，沿板长度方向的曲率半径R＝31.898m；第三层由24块板组成，沿板长度方向的曲率半径R＝23.904m；第四层由32块双曲率板组成，沿板长度方向的曲率半径R1＝6.950m，R2＝12.135m。压制后瓣片形状公差要求控制在3mm以内。压制时采用中温整体模压一次成型加室温局部校形技术，造成压制尺寸产生偏差的主要因素包括：回弹变形和热应力变形。精确预测和控制这两类变形仍然属于世界性难题。
对于这种大尺寸、多曲率、高精度钢板压制成型，现在最多的采用分段模压加点压，整体模压技术目前未见到同类研究的详细报道。
日本三菱重工设计制造的APWR压水堆CV容器，体积与AP1000压水堆CV容器体积相当，组成容器的瓣片尺寸也相当，与AP1000压水堆CV容器制作过程不同的是，采用SA516 Grade 70材质与分段模压和点压校正技术，该压制工艺所需模具尺寸较小，普通压机就完全能满足工艺要求，对大型板实行分段压制以后，在接头处进行逐步修整，这种工艺生产效率低，需要操作工和技术人员必须要有相当的工作经验和技术积累，而且在分段接头处容易产生尖锐点，影响工件的使用寿命，对工人的技术水平也要求很高。
三、发明内容
本发明目的在于提供一种能够代替过去分段压制加点压的技术，提高生产效率和工件的使用寿命，实现AP1000压水堆核电站钢制安全壳容器超大型椭球封头板的整体模压一次成型加局部校形工艺，以及按照该工艺制造的安全壳封头。
本发明超大型封头板整体压制成型工艺，其特殊之处在于包括如下步骤：
钢板火焰切割下料→钢板的加热保温→出炉、吊运→钢板的压制→卸压、吊运→机器人测量→局部校形→机器人测量→坡口加工；
在成型钢板内表面形状公差测量结果不符合设计要求的情况下，在上述坡口加工步骤前，还需要先进行局部校形→机器人测量步骤；
具体如下
1、钢板火焰切割下料
采用火焰切割机按照封头不同层的瓣片形状尺寸要求切割钢板下料，预留出火焰切割造成的热影响区及压制完成后边角切割尺寸，下料后对下料尺寸进行检查。
2、钢板的加热保温
钢板压制前需在定制的加热炉内进行热处理，其加热温度为550-600℃，并至少保温90min。
采用火焰加热方法加热钢板，加热炉共包括6个喷嘴，每个火焰喷嘴速度95-105mm/s。加热时要严格控制炉温的升温速度，不同温度段范围内段升温速率不同，开始时以160-200℃/h的升温速度，加热58-62分钟，将钢板由室温加热至160-180℃；接着以140-180℃/h的升温速度，加热76-80分钟，将钢板由140-180℃加热至390-410℃；再以80-100℃/h的升温速度，加热58-62分钟，将钢板由390-410℃加热至490-500℃；最后以70-90℃/h的升温速度，加热58-62分钟，将钢板由490-500℃加热至550-600℃，保温时间根据的钢板的厚度确定，保温时间为90-160分钟，保温时最高温度不超过600℃。
当多层钢板同时加热时，每两层钢板之间采用300～500mm高的工装隔开。并在钢板的不同位置放置3～5个热电偶，观察记录热电偶指示的温度。
3、出炉、吊运
保温结束后，开启炉门用磁力浮吊车在最短时间内(2′30″-3′00″)将钢板吊至模具上，在这个过程中热损耗约100℃左右。为尽量减少热损耗，要求操作工人动作迅速，技术熟练。
4、钢板的压制
压制时采用中温整体模压一次成型加室温局部校形技术，压机设计时除了要考虑确保压力以外，同时还需能调整其压制速率，因为压制速率对钢板的回弹量有很大的影响。开始压制时钢板温度需控制在500±10℃左右，压机速率控制在15-20mm/s。
压制后瓣片形状公差要求控制在3mm以内，造成压制尺寸产生偏差的主要因素包括：回弹变形和热应力变形。使用模具的尺寸经过理论计算，是实际尺寸1.2-1.5倍，这样钢板回弹后的尺寸才能达到设计尺寸要求。
5、卸压、吊运
保压结束后，抬起上模，用磁力浮吊车将成型钢板吊运到专用的刚性测量台架上，进行压制尺寸测量检查。
6、机器人测量
根据设计图纸要求，在刚性测量台架上(刚性测量台架是按照钢板理论曲线弧度制作)对钢板外表面与测量台架间的间隙进行测量，然后用测量切割机器人测量成型钢板内表面的形状公差值。
7、局部校形
若成型钢板内表面形状公差测量结果不符合设计要求，需要对成型钢板进行局部校形，以达到成型钢板3mm公差的设计要求。局部校形时在偏差值较大的点附件垫上胶皮或钢板或铜板，依据偏差值的大小选择校形时施加的压力。
8、机器人测量
局部校形后，再次用测量切割机器人测量成型钢板内表面的形状公差值。
9、坡口加工
成型钢板通过焊接方式组装成安全壳，因此需要对钢板的四条边开焊接破口，对于焊接纵缝和环缝，坡口的形式也各不同，根据坡口设计要求，采用切割小车或机器人进行坡口加工。
本发明按照以上超大型封头板整体压制成型工艺制造的安全壳封头选用碳硅锰材料SA738B，组成封头的每块钢板约长10m，宽4m，厚41.3mm，封头成型后内直径约40m，高约11m。封头共分为四层，第一层由2块板组成，沿板长度方向的曲率半径R＝34.054m；第二层由6块板组成，沿板长度方向的曲率半径R＝31.898m；第三层由24块板组成，沿板长度方向的曲率半径R＝23.904m；第四层由32块双曲率板组成，沿板长度方向的曲率半径R1＝6.950m，R2＝12.135m。
本发明超大型封头板整体压制成型工艺，能够代替过去分段压制加点压的技术，提高生产效率和工件的使用寿命，实现AP1000压水堆核电站钢制安全壳容器超大型椭球封头板的整体模压一次成型。
四、附图说明
图1：为椭球形封头结构示意图；图2：图1的俯视图；
图3：为封头第四层瓣片结构示意图；图4：为封头第四层瓣片设计尺寸示意图。
五、具体实施方式
以下参照附图，给出本发明具体实施方式，对本发明构成作进一步说明。
实施例
超大型封头板整体压制成型工艺，包括如下步骤：(参见图1-4，图1为1∶1.728的椭球形封头被简化为5个曲率，其中一块为两个曲率。)
1、钢板火焰切割下料：
采用火焰切割机按照封头不同层的瓣片形状尺寸要求切割钢板下料，预留出火焰切割造成的热影响区及压制完成后边角切割尺寸，下料后对下料尺寸进行检查。
2、钢板的加热保温：
钢板压制前需在定制的加热炉内进行热处理，其加热温度为550-600℃，并至少保温90min。采用火焰加热方法加热钢板，加热炉共包括6个喷嘴，每个火焰喷嘴速度95-105mm/s。加热时要严格控制炉温的升温速度，不同温度段范围内段升温速率不同，开始时以160-200℃/h的升温速度，加热58-62分钟，将钢板由室温加热至160-180℃；接着以140-180℃/h的升温速度，加热76-80分钟，将钢板由140-180℃加热至390-410℃；再以80-100℃/h的升温速度，加热58-62分钟，将钢板由390-410℃加热至490-500℃；最后以70-90℃/h的升温速度，加热58-62分钟，将钢板由490-500℃加热至550-600℃，保温时间根据的钢板的厚度确定，保温时间为90-160分钟，保温时最高温度不超过600℃。
当多层钢板同时加热时，每两层钢板之间采用300～500mm高的工装隔开。并在钢板的不同位置放置3～5个热电偶，观察记录热电偶指示的温度。
3、出炉、吊运：
保温结束后，开启炉门用磁力浮吊车在最短时间内(2′30″-3′00″)将钢板吊至模具上，在这个过程中热损耗约100℃左右。为尽量减少热损耗，要求操作工人动作迅速，技术熟练。
4、钢板的压制：
压制时采用中温整体模压一次成型加室温局部校形技术，压机设计时除了要考虑确保压力以外，同时还需能调整其压制速率，因为压制速率对钢板的回弹量有很大的影响。开始压制时钢板温度需控制在500±10℃左右，压机速率控制在15-20mm/s。
压制后瓣片形状公差要求控制在3mm以内，造成压制尺寸产生偏差的主要因素包括：回弹变形和热应力变形。使用模具的尺寸经过理论计算，应明显比实际尺寸要大，这样钢板回弹后的尺寸才能达到设计尺寸要求。
5、卸压、吊运：
保压结束后，抬起上模，用磁力浮吊车将成型钢板吊运到专用的刚性测量台架上，进行压制尺寸测量检查。
6、机器人测量：
根据设计图纸要求，在刚性测量台架上(刚性测量台架是按照钢板理论曲线弧度制作)对钢板外表面与测量台架间的间隙进行测量，然后用测量切割机器人测量成型钢板内表面的形状公差值。
7、局部校形：
若成型钢板内表面形状公差测量结果不符合设计要求，需要对成型钢板进行局部校形，以达到成型钢板3mm公差的设计要求。局部校形时在偏差值较大的点附件垫上胶皮或钢板或铜板，依据偏差值的大小选择校形时施加的压力。
8、机器人测量：
局部校形后，再次用测量切割机器人测量成型钢板内表面的形状公差值。
9、坡口加工：
成型钢板通过焊接方式组装成安全壳，因此需要对钢板的四条边开焊接破口，对于焊接纵缝和环缝，坡口的形式也各不同，根据坡口设计要求，采用切割小车或机器人进行坡口加工。
按照以上超大型封头板整体压制成型工艺制造的安全壳封头选用碳硅锰材料SA738B，组成封头的每块钢板约长10m，宽4m，厚41.3mm，封头成型后内直径约40m，高约11m。封头共分为四层，第一层由2块板组成，沿板长度方向的曲率半径R＝34.054m；第二层由6块板组成，沿板长度方向的曲率半径R＝31.898m；第三层由24块板组成，沿板长度方向的曲率半径R＝23.904m；第四层由32块双曲率板组成，沿板长度方向的曲率半径R1＝6.950m，R2＝12.135m。
以上实施例超大型封头板整体压制成型工艺，能够代替过去分段压制加点压的技术，提高生产效率和工件的使用寿命，实现AP1000压水堆核电站钢制安全壳容器超大型椭球封头板的整体模压一次成型。

Claims (8)

1、超大型封头板整体压制成型工艺，其特征在于包括如下步骤：
钢板火焰切割下料→钢板的加热保温→出炉、吊运→钢板的压制→卸压、吊运→机器人测量→坡口加工。
2、按照权利要求1所述超大型封头板整体压制成型工艺，其特征在于：在坡口加工步骤前，先进行局部校形→机器人测量。
3、按照权利要求1所述超大型封头板整体压制成型工艺，其特征在于具体步骤为：
1)钢板火焰切割下料
采用火焰切割机按照封头不同层的瓣片形状尺寸要求切割钢板下料，预留出火焰切割造成的热影响区及压制完成后边角切割尺寸，下料后对下料尺寸进行检查；
2)钢板的加热保温
钢板压制前需在定制的加热炉内进行热处理，其加热温度为550-600℃，并至少保温90min；
3)出炉、吊运
保温结束后，开启炉门用磁力浮吊车在(2′30″-3′00″)时间内将钢板吊至模具上；
4)钢板的压制
压制时采用中温整体模压一次成型，压机开始压制时钢板温度需控制在500±10℃左右，压机速率控制在15-20mm/s，压制后瓣片形状公差要求控制在3mm以内；
5)卸压、吊运
保压结束后，抬起上模，用磁力浮吊车将成型钢板吊运到专用的刚性测量台架上，进行压制尺寸测量检查；
6)机器人测量
在刚性测量台架上对钢板外表面与测量台架间的间隙进行测量，然后用测量切割机器人测量成型钢板内表面的形状公差值；
7)坡口加工
成型钢板通过焊接方式组装成安全壳，对钢板的四条边开焊接破口。
4、按照权利要求2所述超大型封头板整体压制成型工艺，其特征在于具体步骤为：
局部校形
若成型钢板内表面形状公差测量结果不符合设计要求，需要对成型钢板进行局部校形，以达到成型钢板3mm公差的设计要求；局部校形时在偏差值较大的点附件垫上胶皮或钢板或铜板，依据偏差值的大小选择校形时施加的压力；
机器人测量
局部校形后，再次用测量切割机器人测量成型钢板内表面的形状公差值。
5、按照权利要求3所述超大型封头板整体压制成型工艺，其特征在于步骤2中
采用火焰加热方法加热钢板，加热炉共包括6个喷嘴，每个火焰喷嘴速度95-105mm/s。
6、按照权利要求3所述超大型封头板整体压制成型工艺，其特征在于步骤2中
加热时控制炉温的升温速度，不同温度段范围内段升温速率不同，开始时以160-200℃/h的升温速度，加热58-62分钟，将钢板由室温加热至160-180℃；接着以140-180℃/h的升温速度，加热76-80分钟，将钢板由140-180℃加热至390-410℃；再以80-100℃/h的升温速度，加热58-62分钟，将钢板由390-410℃加热至490-500℃；最后以70-90℃/h的升温速度，加热58-62分钟，将钢板由490-500℃加热至550-600℃，保温时间根据的钢板的厚度确定，保温时间为90-160分钟，保温时最高温度不超过600℃。
7、按照权利要求3所述超大型封头板整体压制成型工艺，其特征在于步骤2中
当多层钢板同时加热时，每两层钢板之间采用300～500mm高的工装隔开；并在钢板的不同位置放置3～5个热电偶，观察记录热电偶指示的温度。
8、按照权利要求1-7中任一权利要求所述超大型封头板整体压制成型工艺制造的安全壳封头，其特征在于安全壳封头选用碳硅锰材料SA738B，组成封头的每块钢板约长10m，宽4m，厚41.3mm，封头成型后内直径40m，高11m。封头共分为四层，第一层由2块板组成，沿板长度方向的曲率半径R＝34.054m；第二层由6块板组成，沿板长度方向的曲率半径R＝31.898m；第三层由24块板组成，沿板长度方向的曲率半径R＝23.904m；第四层由32块双曲率板组成，沿板长度方向的曲率半径R1＝6.950m，R2＝12.135m。
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