CN113977172B - 小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置，其中包括由弧板、连接顶杆、楔块形成的封头内侧半环定位以及由丝杠、隔板支撑组成的隔板定位。水室封头与隔板形成两个相等的半圆腔室，本发明利用弧板与楔块形成可拆分的两半环，并通过丝杠和隔板支撑将隔板与半环在水室封头内侧端部通过机械连接进行撑圆和定形，在隔板与水室封头焊接、精加工以及与管板组对的过程中始终保持刚性固定，最终在水室封头及隔板整体与管板对接焊接后从封头进出口接管内将各支撑零件松脱并逐一拆除并取出。本发明设计巧妙、结构新颖、效果显著，解决了镍基材料隔板与水室封头因焊接变形带来的加工和装配难题。

Description

小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置

技术领域

本发明涉及压力容器技术领域，具体涉及小型核电镍基材料热交换器水室封头与隔板焊接以及机加工过程中的精准定位，尤其涉及一种小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置。

背景技术

U管式热交换器是核电压力容器中常见的换热器，传热介质从水室封头进入并由水室封头内的隔板将传热介质进入端与输出端隔离形成热循环，通常隔板与水室封头焊接后整体与管板对接焊接达到隔离的效果。核电站高温高压下运行的热交换器水室封头与换热管内部区域的金属材质要求严格，通常与介质接触位置选用耐腐蚀性较强的镍基和不锈钢材料。大型核电蒸汽发生器水室封头多为低合金钢锻件，壁厚较厚，通常在其内壁堆焊镍基金属层来满足内表面的耐腐蚀特性。封头内隔板为不锈钢材料，在水室封头与管板对接后人员可沿封头上位于隔板两侧的管孔进入内侧焊接隔板与管板焊缝完成水室封头与管板的安装。但对于小型热交换器来说由于其厚度较薄，材料不宜选择低合金钢内壁堆焊的形式而是直接采用整体镍基材料，并且由于封头内径较小，在与管板对接后内部空间无法进人焊接隔板与管板，所以设计上在管板中间增加了隔板插槽，在水室封头与管板对接后，隔板端部插入管板插槽实现隔板两侧腔室的隔离。为保证隔板的密封性管板插槽仅比隔板插入端宽0.5mm，并且水室封头与管板环缝对接错边要求≤1.5mm，这对于水室封头端部的圆度和隔板的平面度、位置度有较高的要求。为确保最终对接尺寸，封头环缝坡口与隔板端部插头两侧在焊后进行整体加工，但水室封头与隔板在焊接和加工过程中会存在以下问题和难点：1.从材料上看，镍基材料线膨胀系数高、电阻率大、导热率低的特性，焊接冷却过程会产生收缩变形，如图12所示，隔板与封头焊接时会向焊件较薄一侧收缩，焊后存在隔板弯曲，封头端部变椭圆的趋势；2.从结构上看，封头较薄仅有24mm，隔板厚度为18mm，相对坡口填充量与封头厚度比值大，封头厚度难以抵抗焊接热输出带来的变形；3.通常为防止封头端部变椭可在外侧焊接防变形环来约束其变形，但镍基材质表面不宜焊接临时工件，并且结构上封头外侧端部设计有2个测量接管，由于焊缝A2在封头内侧所以须提前与封头焊接，这样从封头外侧空间上看没有合适的位置安装防变形环；4.隔板厚度较薄仅有15mm，隔板插头加工后为13mm，即单侧加工余量仅1.5mm若隔板平面度不良则无法满足13mm加工，并且机加工时隔板会受刀具震动而产生弹性变形，难以保证加工精度。目前根据水室封头与隔板厚度尺寸、焊缝形式、焊道长度以及镍基、不锈钢材质进行了模拟件焊接试验，焊后隔板平面度为11mm，封头端部椭圆度为8mm，无法满足焊后尺寸公差以及加工要求，亟待设计出一种控制水室封头与隔板焊接变形以及确保加工精度的装置，实现最终与管板的精准对接焊接。

发明内容

根据上述技术问题，而提供一种小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置。

本发明采用的技术手段如下：

一种小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置，包括位于水室封头内，且对称设置在隔板两侧的定位机构，两个所述定位机构将所述隔板夹紧；

所述定位机构包括两个弧板、夹在两个所述弧板之间的楔块、安装在所述楔块上的连接顶杆、与所述隔板的中部相抵的隔板支撑块和连接所述弧板与所述隔板支撑块的丝杠；

所述弧板的外沿与所述水室封头的内壁贴合，且所述弧板的一端与所述隔板相抵，所述弧板的另一端设有与所述楔块相匹配的斜面，所述斜面与所述楔块贴合；所述弧板在靠近所述斜面的一端加工有长孔，所述长孔的延伸方向垂直于所述连接顶杆的延伸方向；

所述楔块靠近所述隔板的一端加工有顶杆顶头卡槽；

所述连接顶杆包括顶杆和呈U形的连接板，所述连接板的两个支腿通过与所述长孔配合的连接轴连接，所述连接板的中部设有螺纹孔，所述顶杆包括顶头和螺纹段，所述顶头位于所述顶杆顶头卡槽内，所述螺纹段的部分位于所述螺纹孔内，并与所述螺纹孔螺纹配合；

所述丝杠包括左旋丝杆、右旋丝杆和螺纹筒，所述左旋丝杆和所述右旋丝杆的一端设有螺纹，所述螺纹筒的两端分别设有左旋螺纹和右旋螺纹，所述左旋丝杆和所述右旋丝杆具有螺纹的一端分别设置在所述螺纹筒内，并与所述螺纹筒螺纹配合，所述左旋丝杆和所述右旋丝杆的另一端分别与所述隔板支撑块和所述弧板铰接。

进步一地，所述螺纹筒的外表面加工有四方面，便于扳手拧动。

进一步地，所述楔块的两侧表面分别具有翼边，所述翼边将弧板的斜面夹在中间，防止楔块与弧板的斜面顶紧时滑出。

进步一地，所述斜面的倾斜角度为5°～15°，优选为10°。

进一步地，同一所述定位机构内的两个所述丝杠之间的夹角为60°～120°，优选为90°。

进步一地，所述隔板支撑块包括支撑板和丝杠连接板，所述支撑板和所述丝杠连接板垂直设置，且所述支撑板的表面与所述隔板贴合，支撑板能够更好的与隔板贴合，丝杠连接板便于与丝杠铰接。

进一步地，所述左旋丝杆和所述右旋丝杆远离所述螺纹筒的一端具有耳槽，所述弧板上加工有耳板，两个所述耳槽分别与所述耳板和所述支撑板通过连接轴铰接。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本装置在两半圆腔室端部分别形成与水室封头和隔板间贴合严密的刚性组件，并且两组件之间通过隔板相互支撑，整体支撑效果显著，良好地保证了隔板的平面度以及封头端部的圆度；

2、本装置在机加工过程中对隔板进行了良好的固定，保证了隔板的加工精度；

3、本装置各零件与水室封头及隔板通过机械连接固定，取代了焊接固定方式，避免了焊接带来的不良影响；

4、本装置各零件在水室封头与管板对接后在封头内侧狭小空间通过检查孔可按顺序逐一拆除，对于多台产品制造时可重复使用。

基于上述理由本发明可在压力容器等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中一种小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置三维示意图。

图2为本发明具体实施方式中一种小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置正视图。

图3为本发明具体实施方式中一种小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置半剖图。

图4为本发明具体实施方式中弧板结构示意图。

图5为本发明具体实施方式中连接顶杆结构示意图。

图6为本发明具体实施方式中顶杆结构示意图。

图7为本发明具体实施方式中楔块结构示意图。

图8为本发明具体实施方式中丝杠结构示意图。

图9为本发明具体实施方式中隔板支撑块结构示意图。

图10为本发明具体实施方式中水室封头及隔板结构示意图。

图11为本发明具体实施方式中水室封头及隔板与管板组对示意图。

图12为本发明具体实施方式中水室封头与隔板焊接变形趋势示意图。

图中：1、弧板；11、弧形板；12、耳板；2、连接顶杆；21、顶杆；211、顶杆顶头；212、顶杆螺纹段；22、连接板；3、楔块；31、梯形板；32、翼边；33、顶杆顶头卡槽；4、第一连接轴；41、第二连接轴；5、丝杠；51、左旋丝杆；52、右旋丝杆；53、螺纹筒；6、隔板支撑块；61、支撑板；62、丝杠连接板；7、水室封头；71、封头；72、进出口接管；73、测量管；8、隔板；81、隔板插头；9、管板；A1、测量管与水室封头焊缝；A2、隔板与水室封头焊缝。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～12所示，本发明提供了一种小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置，包括位于水室封头7内，且对称设置在隔板8两侧的定位机构，两个所述定位机构将所述隔板8夹紧；

如图1～3所示，所述定位机构包括两个弧板1、夹在两个所述弧板1之间的楔块3、安装在所述楔块3上的连接顶杆2、与所述隔板8的中部相抵的隔板支撑块6和连接所述弧板1与所述隔板支撑块6的丝杠5；

如图4所示，所述弧板1包括弧形板11和耳板12，所述弧形板11为四分之一圆环板，所述弧形板11的外沿与所述水室封头7的内壁贴合，且所述弧形板11的一端与所述隔板8相抵，所述弧形板11的另一端设有与所述楔块3相匹配的斜面，所述斜面的倾斜角度为10°。所述斜面与所述楔块3贴合；所述弧形板11在靠近所述斜面的一端加工有长孔，所述长孔的延伸方向垂直于所述连接顶杆2的延伸方向；

如图7所示，所述楔块3包括梯形板31和翼边32，所述梯形板31靠近所述隔板8的一端加工有顶杆顶头卡槽33；所述翼边32将弧形板11的斜面夹在中间，防止梯形板31与弧形板11的斜面顶紧时滑出。

如图5～6所示，所述连接顶杆2包括顶杆21和呈U形的连接板22，所述连接板22的两个支腿通过与所述长孔配合的第一连接轴4连接，所述连接板22的中部设有螺纹孔，所述顶杆21包括顶头211和螺纹段222，所述顶头211位于所述顶杆顶头卡槽33内，所述螺纹段222的部分位于所述螺纹孔内，并与所述螺纹孔螺纹配合；

如图8所示，所述丝杠5包括左旋丝杆51、右旋丝杆52和螺纹筒53，所述左旋丝杆51和所述右旋丝杆52的一端设有螺纹，所述螺纹筒53的两端分别设有左旋螺纹和右旋螺纹，所述左旋丝杆51和所述右旋丝杆52具有螺纹的一端分别设置在所述螺纹筒53内，并与所述螺纹筒53螺纹配合，所述螺纹筒的外表面加工有四方面，便于扳手拧动。同一所述定位机构内的两个所述丝杠5之间的夹角为90°。

如图9所示，所述隔板支撑块6包括支撑板61和丝杠连接板62，所述支撑板61和所述丝杠连接板62垂直设置，且所述支撑板61的表面与所述隔板8贴合。所述左旋丝杆51和所述右旋丝杆52远离所述螺纹筒53的一端具有耳槽，两个所述耳槽分别与所述耳板12和所述支撑板61通过第二连接轴41铰接。

热交换器水室封头7为镍基材料，厚度为24mm，内径为880mm的椭圆形封头。隔板8为不锈钢材料，厚度为15mm，与水室封头7焊缝A1为双侧焊接。如图10所示，水室封头7包括封头71、两个进出口接管72和两个测量接管73，两个进出口接管设置在封头71上，且沿隔板8对称设置，孔内径为240mm，测量接管73设置在封头71的外侧端部。将隔板8与水室封头7按要求安装及测量满足尺寸要求后点焊固定，选择在两半圆腔室低于端部5～10mm位置开始安装本发明中各零件，目的在于在不影响隔板8焊后加工的条件下尽量贴近水室封头7端部确保加工位置的良好定形。

安装连接顶杆2、楔块3以及弧板1，使顶杆顶头211放置在顶杆顶头卡槽33内，楔块上、下翼边32卡在弧板1外侧，连接板22与弧板1通过长孔和第一连接轴4连接。预紧顶杆21使楔块3沿弧板1斜面顶紧，确保两半圆腔室内弧板1外侧与水室封头7内壁及隔板8紧密贴合；

将四组丝杠5通过第二连接轴41一端与耳板12连接，另一端与丝杠连接板62连接。调节丝杠5使其撑顶在隔板8中心两侧并均匀预紧达到本装置在水室封头7与隔板8端部的刚性固定效果，完成本装置的安装；

焊接隔板8与水室封头7间焊缝，过程中通过两侧焊缝交替焊接以及降低层间焊接温度来平衡两侧的焊接收缩应力。因为镍基材料线膨胀系数高、电阻率大、导热率低的特性，焊接冷却过程会产生收缩变形，如图12所示，隔板8与封头71焊接时会向焊件较薄一侧收缩，焊后存在隔板弯曲，封头端部变椭圆的趋势；但是由于本装置对隔板8以及水室封头7的刚性支撑，焊接过程中产生的焊接应力不会引起明显的变形，焊接后测量隔板8平面度为0.5mm，水室封头7端部椭圆度为2.4mm，满足机加尺寸要求；

机加工水室封头7环缝坡口以及隔板端部插头81，隔板8被刚性固定时机加工不会产生颤动。加工后测量隔板插头平面度＜0.2mm，封头坡口内侧椭圆度＜1mm；

如图11所示，将水室封头7与管板9对接，由于加工精度的保证对接后隔板8顺利插入管板插槽，环缝坡口也可满足对接错边的公差要求。进行环缝首层焊缝焊接后拆除本装置。首先松脱丝杠5，隔板支撑块6不再撑顶隔板，拆除丝杠5两侧第二连接轴41并将隔板支撑块6与丝杠5分别从进出口接管72取出；其次松脱连接顶杆2螺纹，顶杆顶头21在楔块3的顶杆顶头卡槽33内将其从两弧板1间抽出，此时弧板1不再撑顶水室封头7及隔板8，拆除连接顶杆连接轴4并将弧板1、连接顶杆2以及楔块3从检查孔逐一取出完成本装置的拆卸。

当连接顶杆2与楔块3及两个弧板1连接后分别安装在水室封头7与隔板8形成的两半圆腔室端部，预紧顶杆21使楔块3沿弧板1斜面移动并顶紧，弧板1受楔块3作用通过长孔向外侧靠紧可形成一个牢固的与水室封头7内壁端部贴合的半环体，此时封头内侧空间可满足焊接人员焊接封头与隔板两侧焊缝。

当四个耳板12与隔板支撑块6通过第二连接轴41和丝杠5连接，旋转螺纹筒53使丝杠5伸长将支撑板61顶在隔板8端部居中位置时，丝杠5间夹角为90°，可在满足焊接空间的条件下形成隔板8与水室封头7端部较为稳定的刚性固定，并且在二者焊接过程中本发明装置的刚性支撑始终抑制焊接变形，在焊后机加工隔板插头81以及封头端部坡口时能够始终保持隔板8的稳定已保证加工精度，最终在与管板9装配接焊接后从隔板8两侧的进出口接管72内将本装置各零件逐一拆除。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置，其特征在于，包括位于水室封头内，且对称设置在隔板两侧的定位机构，两个所述定位机构将所述隔板夹紧；

所述定位机构包括两个弧板、夹在两个所述弧板之间的楔块、安装在所述楔块上的连接顶杆、与所述隔板的中部相抵的隔板支撑块和连接所述弧板与所述隔板支撑块的丝杠；

所述弧板的外沿与所述水室封头的内壁贴合，且所述弧板的一端与所述隔板相抵，所述弧板的另一端设有与所述楔块相匹配的斜面，所述斜面与所述楔块贴合；所述弧板在靠近所述斜面的一端加工有长孔，所述长孔的延伸方向垂直于所述连接顶杆的延伸方向；

所述楔块靠近所述隔板的一端加工有顶杆顶头卡槽；

所述连接顶杆包括顶杆和呈U形的连接板，所述连接板的两个支腿通过与所述长孔配合的连接轴连接，所述连接板的中部设有螺纹孔，所述顶杆包括顶头和螺纹段，所述顶头位于所述顶杆顶头卡槽内，所述螺纹段的部分位于所述螺纹孔内，并与所述螺纹孔螺纹配合；

所述丝杠包括左旋丝杆、右旋丝杆和螺纹筒，所述左旋丝杆和所述右旋丝杆的一端设有螺纹，所述螺纹筒的两端分别设有左旋螺纹和右旋螺纹，所述左旋丝杆和所述右旋丝杆具有螺纹的一端分别设置在所述螺纹筒内，并与所述螺纹筒螺纹配合，所述左旋丝杆和所述右旋丝杆的另一端分别与所述隔板支撑块和所述弧板铰接。

2.根据权利要求1所述的一种小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置，其特征在于，所述螺纹筒的外表面加工有四方面。

3.根据权利要求1所述的一种小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置，其特征在于，所述楔块的两侧表面分别具有翼边，所述翼边将弧板的斜面夹在中间。

4.根据权利要求1所述的一种小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置，其特征在于，所述斜面的倾斜角度为5°～15°。

5.根据权利要求1所述的一种小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置，其特征在于，同一所述定位机构内的两个所述丝杠之间的夹角为60°～120°。

6.根据权利要求1所述的一种小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置，其特征在于，所述隔板支撑块包括支撑板和丝杠连接板，所述支撑板和所述丝杠连接板垂直设置，且所述支撑板的表面与所述隔板贴合。

7.根据权利要求6所述的一种小型核电热交换器水室封头与隔板焊接及加工定位装置，其特征在于，所述左旋丝杆和所述右旋丝杆远离所述螺纹筒的一端具有耳槽，所述弧板上加工有耳板，两个所述耳槽分别与所述耳板和所述支撑板通过连接轴铰接。

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