CN111793749A - 超声冲击增强核主泵定子屏蔽套结构稳定性的加工方法 - Google Patents

Abstract

一种超声冲击增强核主泵定子屏蔽套结构稳定性的加工方法，属于核电装备设计与制造领域。该方法基于材料加工硬化原理，利用超声冲击枪对装配后的定子屏蔽套实施冲击强化处理，在内壁表面形成圆环、螺旋、网格等不同加工路径图案，由于材料内部位错增殖、晶粒细化等效应，这些设计图案塑性变形区域起到强化网络作用，相当于添加了具有规则几何图形的强化带构成的“隐形加强筋”。在不改变定子屏蔽套原有结构、尺寸条件下提高抗变形承载能力和抗疲劳性能，同时具有释放装配过程产生的残余拉应力和改善屏蔽套与定子铁芯贴合的效果，大大地提升了屏蔽套结构稳定性。此方法简单易行、经济合理。

Description

超声冲击增强核主泵定子屏蔽套结构稳定性的加工方法

技术领域

本发明涉及超声冲击增强核主泵定子屏蔽套结构稳定性的加工方法，属于核电装备设计与制造领域。

背景技术

核主泵作为核岛内唯一连续运转装备，驱动一回路高温高压高放射性水循环，将反应堆芯核裂变的热能传递给蒸汽发生器产生蒸汽，推动汽轮机发电，是核电站的“心脏”。屏蔽式核主泵为实现无泄漏、免维修等先进设计理念，定子内壁和转子外圆各装配一个薄壁屏蔽套。屏蔽套将电机的定转子绕组与一回路冷却剂完全隔绝开，防止冷却剂侵蚀定转子铁芯，保证绕组工作在可靠绝缘环境中。屏蔽套为耐腐蚀的非磁性金属材料HastelloyC-276 合金，长为3000-3500 mm，内径为600 mm，但厚度仅为0.3-0.5 mm，属于大长径比超薄圆筒零件（电机技术. 2016年，第5期：32-37页）。定子屏蔽套和转子屏蔽套之间是冷却电机的工质循环流动通道的一部分，有4.8 mm的环形间隙，这个间隙也是必要励磁损耗条件下核主泵定子、转子高速相对安全转动的保证，因此在核主泵服役期间屏蔽套不允许有任何变形，这就对核主泵屏蔽套的装配质量提出了很高的要求（机械设计与研究. 2013年，第29卷第4期：114-117页）。

转子屏蔽套与转子铁芯为过盈配合，屏蔽套立于立式加热炉内加热，达到热套状态后，要求转子铁芯快速插入，冷却后将屏蔽套与转子铁芯贴合。定子屏蔽套与定子铁芯为间隙配合，装配采用抽真空法和水压法。抽真空法是将定子铁芯与屏蔽套之间的空气抽出，屏蔽套产生塑性变形实现装配。而水压法通过向屏蔽套内注入液体并使液压达到设计压力，使运子屏蔽套变形贴附在定子铁芯内壁。热套装过盈配合的转子屏蔽套有较好的稳定性，而间隙配合定子屏蔽套装配阶段尺寸配合过松或使役环境内外压差过大等作用下会结构失稳造成变形或局部向内凸起，文献报道核主泵定子组件和泄露检测试验完成后出现严重屏蔽套鼓包问题（设备监理. 2016年，第4期：15-18页）。大长径比超薄圆筒定子屏蔽套结构稳定性是核主泵设计制造过程中迫切需要解决的一个技术难题。

常规圆筒类零件通过增加筒体的壁厚、减小筒体半径或适当缩短筒体长度都能有效提高筒体的承载能力，从而提高圆筒的结构稳定性。实际工程中在筒体上装置一些刚性加强筋增强筒体刚度也可以提高圆筒临界压力（压力容器. 2000年，第17卷第1期：9-12页），但采用上述这些办法都需要改变屏蔽套的结构、尺寸，势必带来核主泵需重新设计的新问题，因此不改变核主泵定子屏蔽套结构、尺寸条件下提高其稳定性是本发明追求的目标。

超声冲击技术是最早用于消除工件焊缝焊趾处有害残余拉应力、引进有益压应力的方法。利用高速弹射的冲击头在室温下撞击工件的表面，使表层材料产生弹、塑性变形，位错密度增加，晶粒细化，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀性能，超声冲击技术近年来发展成为一种表面工程技术。与相近表面处理技术喷丸比较，超声冲击适用性更广，经济性更强，强化效果更为明显。本发明充分利用超声冲击技术的优势，对装配后的定子屏蔽套内壁表面实施选择性强化，提高其结构稳定性。

发明内容

本发明在不改变屏蔽套结构设计前提下，基于材料加工硬化原理，利用超声冲击枪对装配后的定子屏蔽套实施冲击强化处理，在内壁表面形成圆环、螺旋、网格等不同加工路径图案，由于材料内部位错增殖、晶粒细化等效应，这些设计图案塑性变形区域起到网络强化作用，相当于添加了“隐形加强筋”，大大地提升了屏蔽套结构稳定性。

本发明采用的技术方案是：超声冲击强化处理：所使用的超声冲击枪为内藏多针式，针数15-25针，冲击头直径15-25 mm，基于DSP的数字方式控制，超声冲击枪电源为220V/50 Hz，电流2.64-3.80 A，振幅30.0-75.5 µm，频率为18.7-18.8 kHz，冲击头移动速度为15.5-28.5 mm/min，处理过程中超声冲击头轴线与屏蔽套径向始终保持一致。

加工准备基本流程：屏蔽套导入定子腔，两端分别与上端盖内径和下法兰内径焊接，进行氦检漏检验，检测通过后将定子铁芯与屏蔽套之间的空气抽出，屏蔽套在内外压差作用下产生塑性变形紧贴在定子铁芯、上端盖、下法兰及铁芯两侧的屏蔽套支承环上，保持真空泵抽气压力，轨道小车装卡在屏蔽套上。

一种超声冲击增强核主泵定子屏蔽套结构稳定性的加工方法，利用超声冲击枪对装配后的定子屏蔽套内壁实施超声冲击强化处理，在内表面形成环形加工轨迹与轴向直线加工轨迹交叉形成的网格图案。

安装固定好超声冲击枪并置于起始位置，加工路径按照环形加工轨迹与轴向直线加工轨迹交叉形成的网格图案进行加工：距屏蔽套端部70 mm为起始点与屏蔽套同轴沿圆周对内表面进行超声冲击处理，加工轨迹形成第一个闭合环后，垂直于移动方向轴向给进100 mm重新开始，加工轨迹形成第二个闭合环，如此反复形成N条平行环形加工轨迹，最后闭合环与屏蔽套端部距离小于100 mm，完成飞轮内表面全覆盖；然后18等分第一个闭合环圆周，以每一个等分点为起点，超声枪移动方向平行于屏蔽套轴向，沿直线进行超声冲击处理，加工至与最后闭合环轨迹相交停止，在屏蔽套内表面形成18条轴向平行加工轨迹；最终形成N条环形加工轨迹与18条轴向直线加工轨迹交叉形成网格图案；超声冲击处理完毕，卸掉真空泵抽气压力，进行氦检漏检验。

另一种超声冲击增强核主泵定子屏蔽套结构稳定性的加工方法，利用超声冲击枪对装配后的定子屏蔽套内壁实施超声冲击强化处理，在内表面形成左右双螺旋加工轨迹图案。

安装固定好超声冲击枪并置于起始位置，加工路径按照左右双螺旋加工轨迹图案进行加工：距离屏蔽套端部70 mm为起始点与屏蔽套同轴沿圆周对内表面进行超声冲击处理，加工轨迹形成首端闭合圆环；在距离屏蔽套另一端70 mm与屏蔽套同轴沿圆周对内表面进行超声冲击处理，加工轨迹形成末端闭合圆环；以首端闭合圆环上任一点为起点，按照右手螺旋方向对屏蔽套内表面进行超声冲击处理，螺距为100 mm，直至右手螺旋线加工轨迹与末端闭合圆环相交为止；然后以首端闭合圆环上与右手螺旋加工轨迹线起点差180°相位角点为起点，按照左手螺旋方向对屏蔽套内表面进行超声冲击处理，螺距为100 mm，直至左手螺旋线加工轨迹与末端闭合圆环相交为止，形成左右双螺旋加工轨迹图案；超声冲击处理完毕，卸掉真空泵抽气压力，进行氦检漏检验。

采用上述的技术方案，超声冲击对设计图案塑性变形区域的能量输入通过振幅、频率、冲击头移动速度等参数控制。超声冲击振幅过大，容易导致屏蔽套表面损伤，过小强化效果不明显，超声冲击设备振幅调整至30.0-75.5 µm为宜。冲击频率与冲击头移动速度需要匹配设置，在冲击强化效果相当条件下高的冲击频率匹配更快的冲击头移动速度，但速度过快会使屏蔽套表面光洁度降低，优化参数设置频率为18.7-18.8 kHz，冲击头移动速度为15.5-28.5 mm/min。

屏蔽套厚度仅为0.3-0.5 mm，随着超声冲击头移动，沿着设计图案路径形成与直径冲击头等宽的15-25 mm塑性变形强化带，从组织结构上看，强化带内形成了密度极高的位错，相同符号的位错会重新排列，形成多边形化，形成更加细小的亚晶粒，从应力状态分布上看，由于强化带与周围金属变形的非一致性，强化带向四周塑性变形延伸时，受到周围金属和定子铁芯的阻碍，使强化带内形成了较高的残余压应力。

采用本发明的有益效果为：该方法基于材料加工硬化原理，利用超声冲击枪对装配后的定子屏蔽套实施冲击强化处理，在内壁表面形成圆环、螺旋、网格等不同加工路径图案，由于材料内部位错增殖、晶粒细化等效应，这些设计图案塑性变形区域起到强化网络作用，相当于添加了具有规则几何图形的强化带构成的“隐形加强筋”。在不改变定子屏蔽套原有结构、尺寸条件下提高抗变形承载能力和抗疲劳性能，同时具有释放装配过程产生的残余拉应力和改善屏蔽套与定子铁芯贴合的效果，大大地提升了屏蔽套结构稳定性。此方法简单易行、经济合理。（1）通过超声冲击产生的振动效应，释放了定子屏蔽套塑性变形装配过程产生的部分残余拉应力，通过超声冲击头对屏蔽套的冲击作用，有利于消除屏蔽套与定子铁芯间的装配残留间隙，达到更好的贴合效果。（2）仅仅依靠超声冲击头作用于装配后屏蔽套内表面形成加工路径区域塑性变形强化带，不改变屏蔽套现有结构，超声冲击塑性变形区域呈现压应力、高强度，未处理区域呈现拉应力、低强度，通过设计加工路径形成空间隐形网络加强筋使得处理后屏蔽套筒体具有更高的抗变形承载能力。（3）超声冲击处理增强屏蔽套结构稳定性工艺比常规提高筒体稳定性做法更简单易行、经济合理，设备利用便携式超声冲击枪，冲击参数通过电脑控制，装卡在屏蔽套上的轨道小车带动超声冲击枪实现行走和定位，非常适合大功率屏蔽式核主泵屏蔽套装配现场操作。

附图说明

图1超声冲击头与屏蔽套内壁表面位置关系示意图。

图2环形加工轨迹与轴向直线加工轨迹交叉形成的网格图案示意图。

图3 左右双螺旋加工轨迹形成的网格图案示意图。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明专利的技术细节。

屏蔽套导入定子腔，定子屏蔽套与定子铁芯为间隙配合，屏蔽套可直接装入定子腔内，两端分别与上端盖内径和下法兰内径焊接，进行氦检漏检验，检测通过后将定子铁芯与屏蔽套之间的空气抽出，屏蔽套在内外压差作用下产生塑性变形紧贴在定子铁芯、上端盖、下法兰及铁芯两侧的屏蔽套支承环上，保持真空泵抽气压力，轨道小车装卡在屏蔽套上，安装固定好超声冲击枪并置于起始位置。超声冲击枪为内藏19针式，冲击头直径19 mm，基于DSP的数字方式控制，超声冲击枪电源为220 V/50 Hz，电流3.50 A，振幅30.0 µm，频率为18.8 kHz，移动速度为25.5 mm/min，超声冲击头轴线与屏蔽套径向始终保持一致，图1是超声冲击头与屏蔽套内壁表面位置关系示意图。按照设计好的加工路径图案，超声冲击枪在轨道小车的驱动下以上述设定参数进行屏蔽套内表面塑性变形加工，超声冲击处理完毕，卸掉真空泵抽气压力，进行氦检漏检验。屏蔽套为耐腐蚀的非磁性金属材料HastelloyC-276 合金，长为3000-3500 mm，内径为600 mm，但厚度仅为0.3-0.5 mm，属于大长径比超薄圆筒零件。

实施例1

图2是超声冲击环形加工轨迹与轴向直线加工轨迹在屏蔽套内表面交叉形成的网格图案示意图。实施过程为：距离屏蔽套端部70 mm为起始点与屏蔽套同轴沿圆周对内表面进行超声冲击处理，加工轨迹形成第一个闭合环后，垂直于移动方向轴向进给100 mm，重新开始，加工轨迹形成第二个闭合环，如此反复形成30条平行环形加工轨迹，直至最后闭合环与屏蔽套端部距离小于100 mm，完成飞轮内表面全覆盖，然后18等分第一个闭合环圆周，以每一个等分点为起点，超声枪移动方向平行于屏蔽套轴向，沿直线进行超声冲击处理，加工至与最后闭合环轨迹相交停止，在屏蔽套内表面形成18条轴向平行线加工轨迹，30条环形加工轨迹与18条轴向直线线加工轨迹交叉形成网格图案。

实施例2

图3是左右双螺旋加工轨迹图案示意图。实施过程为：距离屏蔽套端部70 mm为起始点与屏蔽套同轴沿圆周对内表面进行超声冲击处理，加工轨迹形成首端闭合圆环，距离屏蔽套另一端70 mm与屏蔽套同轴沿圆周对内表面进行超声冲击处理，加工轨迹形成末端闭合圆环，以首端闭合圆环上任一点为起点，按照右手螺旋方向对屏蔽套内表面进行超声冲击处理，螺距为100 mm，直至右手螺旋线加工轨迹与末端闭合圆环相交为止，然后以首端闭合圆环上与右手螺旋加工轨迹起点差180°相位角点为起点，按照左手螺旋方向对屏蔽套内表面进行超声冲击处理，螺距为100 mm，直至左手螺旋线加工轨迹与末端闭合圆环相交为止。

表1是两个实施例与原始未处理定子屏蔽套结构稳定性比较，屏蔽套两端采用固支和简支两种固定方式，经过处理的屏蔽套均比未处理屏蔽套失稳极限载荷有较大幅度提高，实施例1固支屏蔽套失稳极限载荷可达4125 Pa，实施例2固支屏蔽套失稳极限载荷为3932 Pa，而未经处理固支屏蔽套失稳极限载荷仅为3419 Pa。另外，屏蔽套固支条件失稳极限载荷均大于简支条件失稳极限载荷，这是由于相对于简支条件，固支条件下定子屏蔽套两端固定对屏蔽套可以产生较大轴向支反力，阻碍了屏蔽套的屈曲失稳，因此固支条件下失稳极限载荷更大。

表1 实施例与原始未处理定子屏蔽套稳定性比较

。

Claims (2)

1.一种超声冲击增强核主泵定子屏蔽套结构稳定性的加工方法，其特征在于：利用超声冲击枪对装配后的定子屏蔽套内壁实施超声冲击强化处理，在内表面形成环形加工轨迹与轴向直线加工轨迹交叉形成的网格图案；

所述超声冲击强化处理：所使用的超声冲击枪为内藏多针式，针数15-25针，冲击头直径15-25 mm，基于DSP的数字方式控制，超声冲击枪电源为220 V/50 Hz，电流2.64-3.80 A，振幅30.0-75.5 µm，频率为18.7-18.8 kHz，冲击头移动速度为15.5-28.5 mm/min，处理过程中超声冲击头轴线与屏蔽套径向始终保持一致；

加工准备基本流程：屏蔽套导入定子腔，两端分别与上端盖内径和下法兰内径焊接，进行氦检漏检验，检测通过后将定子铁芯与屏蔽套之间的空气抽出，屏蔽套在内外压差作用下产生塑性变形紧贴在定子铁芯、上端盖、下法兰及铁芯两侧的屏蔽套支承环上，保持真空泵抽气压力，轨道小车装卡在屏蔽套上；

安装固定好超声冲击枪并置于起始位置，加工路径按照环形加工轨迹与轴向直线加工轨迹交叉形成的网格图案进行加工：距屏蔽套端部70 mm为起始点与屏蔽套同轴沿圆周对内表面进行超声冲击处理，加工轨迹形成第一个闭合环后，垂直于移动方向轴向给进100mm重新开始，加工轨迹形成第二个闭合环，如此反复形成N条平行环形加工轨迹，最后闭合环与屏蔽套端部距离小于100 mm，完成飞轮内表面全覆盖；然后18等分第一个闭合环圆周，以每一个等分点为起点，超声枪移动方向平行于屏蔽套轴向，沿直线进行超声冲击处理，加工至与最后闭合环轨迹相交停止，在屏蔽套内表面形成18条轴向平行加工轨迹；最终形成N条环形加工轨迹与18条轴向直线加工轨迹交叉形成网格图案；超声冲击处理完毕，卸掉真空泵抽气压力，进行氦检漏检验。

2.一种超声冲击增强核主泵定子屏蔽套结构稳定性的加工方法，其特征在于：利用超声冲击枪对装配后的定子屏蔽套内壁实施超声冲击强化处理，在内表面形成左右双螺旋加工轨迹图案；

所述超声冲击强化处理：所使用的超声冲击枪为内藏多针式，针数15-25针，冲击头直径15-25 mm，基于DSP的数字方式控制，超声冲击枪电源为220 V/50 Hz，电流2.64-3.80 A，振幅30.0-75.5 µm，频率为18.7-18.8 kHz，冲击头移动速度为15.5-28.5 mm/min，处理过程中超声冲击头轴线与屏蔽套径向始终保持一致；

加工准备基本流程：屏蔽套导入定子腔，两端分别与上端盖内径和下法兰内径焊接，进行氦检漏检验，检测通过后将定子铁芯与屏蔽套之间的空气抽出，屏蔽套在内外压差作用下产生塑性变形紧贴在定子铁芯、上端盖、下法兰及铁芯两侧的屏蔽套支承环上，保持真空泵抽气压力，轨道小车装卡在屏蔽套上；

安装固定好超声冲击枪并置于起始位置，加工路径按照左右双螺旋加工轨迹图案进行加工：距离屏蔽套端部70 mm为起始点与屏蔽套同轴沿圆周对内表面进行超声冲击处理，加工轨迹形成首端闭合圆环；在距离屏蔽套另一端70 mm与屏蔽套同轴沿圆周对内表面进行超声冲击处理，加工轨迹形成末端闭合圆环；以首端闭合圆环上任一点为起点，按照右手螺旋方向对屏蔽套内表面进行超声冲击处理，螺距为100 mm，直至右手螺旋线加工轨迹与末端闭合圆环相交为止；然后以首端闭合圆环上与右手螺旋加工轨迹线起点差180°相位角点为起点，按照左手螺旋方向对屏蔽套内表面进行超声冲击处理，螺距为100 mm，直至左手螺旋线加工轨迹与末端闭合圆环相交为止，形成左右双螺旋加工轨迹图案；超声冲击处理完毕，卸掉真空泵抽气压力，进行氦检漏检验。

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