核電站永久性堆腔密封環(huán)防變形焊接工裝設(shè)計(jì)

林法振 杜 康

(山東核電設(shè)備制造有限公司技術(shù)中心，山東 海陽265118)

核電站永久性堆腔密封環(huán)，介于反應(yīng)堆壓力容器密封邊與燃料池墊板之間，為一圓形水密封裝置。該裝置既可以阻止水浸入反應(yīng)堆腔，也可以吸收反應(yīng)堆壓力容器徑向和垂向的膨脹。永久性堆腔密封環(huán)由6段相同的弧形結(jié)構(gòu)組成，該結(jié)構(gòu)是一種L型截面高精度長(zhǎng)弧形不銹鋼薄板焊接件。

傳統(tǒng)防變形裝置只能對(duì)較規(guī)則板進(jìn)行焊接剛性固定，難以同時(shí)完成對(duì)薄壁弧形結(jié)構(gòu)的高精度組對(duì)、焊接變形控制及通過一次裝夾對(duì)工件進(jìn)行多方位焊接等功能。因此，文中重點(diǎn)對(duì)堆腔密封環(huán)弧形結(jié)構(gòu)防變形裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，在對(duì)堆腔密封環(huán)弧形結(jié)構(gòu)制造工藝進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合堆腔密封環(huán)弧形結(jié)構(gòu)組對(duì)精度高、焊接變形大、尺寸精度要求高、翻轉(zhuǎn)焊接困難等問題，設(shè)計(jì)出一種滿足其制造要求的防變形焊接工裝。

1 堆腔密封環(huán)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及難點(diǎn)分析

堆腔密封環(huán)弧形結(jié)構(gòu)實(shí)體見圖1。

堆腔密封環(huán)弧形結(jié)構(gòu)由水平弧形板、垂直弧形板、支撐板1、支撐板2組焊而成，其截面圖如圖2所示。該弧形結(jié)構(gòu)在焊接過程中存在如下工藝難點(diǎn)：

(1)焊前組對(duì)精度高，兩厚度為3 mm薄板棱與棱之間組對(duì)成一條長(zhǎng)度約3 000 mm的弧線，并保證兩板間角度為90°(0，+0.45°)，難度大。

(2)工件焊縫多，在總長(zhǎng)約350 mm、厚度為3 mm的橫截面上，需焊接5條角焊縫，剛性差，容易變形。

(3)尺寸精度高，不易保證。

如圖1、2所示，組件焊接完畢，應(yīng)保證：①在弧長(zhǎng)3 000 mm×寬度135 mm×厚度3 mm平面上，平面度控制在1.5 mm之內(nèi)；②在長(zhǎng)度3 000 mm弧線上，兩3 mm厚不銹鋼板間角度均為90°(0，+0.45°)；③焊接件整體圓弧角度控制在60°(-0.02°，0)；④焊接件半徑尺寸在約束狀態(tài)下達(dá)到R2800 mm(-2 mm，0)。

(4)表面質(zhì)量要求高，焊接、裝夾過程中表面保護(hù)困難。

2 防變形工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為有效克服堆腔密封環(huán)弧形結(jié)構(gòu)制造中的以上工藝難點(diǎn)，特設(shè)計(jì)防變形工裝一套，該工裝可完成對(duì)弧形結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速/高精度焊前組對(duì)、焊接變形控制、一次裝夾實(shí)現(xiàn)多方位焊接等功能，保護(hù)產(chǎn)品在焊接過程中的表面質(zhì)量，以最終制造出合格的產(chǎn)品。

防變形工裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示，由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和 旋轉(zhuǎn)支架兩部分組成。其中工裝主體結(jié)構(gòu)見圖4。

2.1 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

圖4中，箱體6為封閉結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度可靠。為提高該箱體的強(qiáng)度、節(jié)省空間，箱體內(nèi)部按45°定位角度配置了加強(qiáng)筋板9。焊接在箱體上的水平定位板7、弧形定位板8在經(jīng)過數(shù)控機(jī)床加工后，其定位精度可長(zhǎng)期保持。因此對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。

(1)創(chuàng)建有限元模型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇箱體材料為Structural Steel。建立箱體結(jié)構(gòu)三維模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分.其網(wǎng)格劃分效果圖如圖5所示。

(2)添加約束和載荷

箱體結(jié)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)堆腔密封環(huán)的支承及工件焊接時(shí)的變形抑制。在兩旋轉(zhuǎn)軸端部施加圓柱約束，箱體結(jié)構(gòu)本身重量在垂直方向上加載一個(gè)大小為9.8 m/s2向下的加速度，對(duì)水平定位板和弧形定位板施加載荷，載荷大小為5 MPa。約束和施加載荷如圖6所示。

(3)計(jì)算結(jié)果分析

靜力分析結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，箱體水平定位板和弧形定位板最大變形僅為0.34 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。旋轉(zhuǎn)軸處最大應(yīng)力為7.8 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。

2.2 高精度長(zhǎng)弧形定位面設(shè)計(jì)

根據(jù)焊接件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)L型橫截面長(zhǎng)弧形定位面，如圖4所示。水平定位板7、弧形定位板8在箱體上呈L形配置，其強(qiáng)度高，變形小，定位面精度可長(zhǎng)期保持，使焊接件弧形面和水平面均得到可靠定位。該L型定位面，由數(shù)控機(jī)床在一次裝夾中加工而成，形狀和位置精度均在±0.2 mm之內(nèi)，滿足產(chǎn)品精度要求。弧形定位面半徑尺寸與所焊接件弧面半徑相同，保證焊前準(zhǔn)確組對(duì)。

2.3 弧面壓緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部壓緊機(jī)構(gòu)3用于水平弧形板定位后的壓緊，該機(jī)構(gòu)的壓緊塊為倒L型，直接焊接在定位板一側(cè)，簡(jiǎn)單可靠。下部壓緊機(jī)構(gòu)4用于垂直弧形板定位后的壓緊，該機(jī)構(gòu)的底部支撐與箱體焊接至一起，并由箱體底部延伸而出，使壓緊機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)體成一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。經(jīng)實(shí)踐證明，此種壓緊機(jī)構(gòu)剛性和強(qiáng)度均可靠。

弧形壓板5共13塊，采用分列式壓緊法，壓板弧度與所壓工件表面弧度相同，壓板厚度>10 mm，長(zhǎng)200 mm，剛性好，壓板弧面變形小，壓力分布均勻，壓緊可靠，可有效地控制不銹鋼薄板在焊接過程中所產(chǎn)生的波浪變形[2]。

2.4 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

堆腔密封環(huán)弧形結(jié)構(gòu)焊接過程中需翻轉(zhuǎn)焊接，故該裝置采用了旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，代替了焊接過程中行車對(duì)夾具體的翻轉(zhuǎn)。

2.4.1 旋轉(zhuǎn)中心的確定

通過三維建模軟件UG分析，找出夾具體在支撐軸垂直面上的重心坐標(biāo)，使支撐軸的旋轉(zhuǎn)中心線通過重心并垂直于定位面，防止旋轉(zhuǎn)偏心[4]。依據(jù)重心坐標(biāo)點(diǎn)位置，數(shù)控加工兩支撐軸的定位孔，保證兩支撐軸同心，使得軸承旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)、減小摩擦阻力。見圖8。

2.4.2 旋轉(zhuǎn)及固定

旋轉(zhuǎn)箱體可在旋轉(zhuǎn)支架上進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。如圖9，在旋轉(zhuǎn)箱體上設(shè)計(jì)了3個(gè)定位塊，采用定位銷軸固定鎖緊的方法，使夾具體在旋轉(zhuǎn)過程中具有3個(gè)固定工位，以滿足工件在組焊過程中各工序的要求[3]，方便了對(duì)產(chǎn)品各方位焊縫的翻轉(zhuǎn)焊接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也避免了因翻轉(zhuǎn)而造成的工件變形。

3 應(yīng)用效果

截至目前，該防變形工裝已應(yīng)用完成國(guó)內(nèi)4個(gè)核電站機(jī)組的堆腔密封環(huán)高精度長(zhǎng)弧形不銹鋼薄板焊接部件的制造，產(chǎn)品檢驗(yàn)合格，已交付電站使用。

實(shí)踐證明，該裝置結(jié)構(gòu)安全、強(qiáng)度可靠，可有效、快捷地完成高精度長(zhǎng)弧形不銹鋼薄板焊接部件快速準(zhǔn)確組對(duì)、控制焊接變形、保護(hù)表面粗糙度等功能，保證產(chǎn)品質(zhì)量合格。防變形工裝實(shí)物如圖10所示。

4 結(jié)語

基于核電站永久性堆腔密封環(huán)弧形結(jié)構(gòu)焊接過程中出現(xiàn)的制造難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種防變形焊接工裝。并在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其薄弱部位進(jìn)行了強(qiáng)度校核，對(duì)其旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行了軟件分析計(jì)算。經(jīng)工程實(shí)踐證明，運(yùn)用該裝置可有效地解決核電站堆腔密封環(huán)弧形結(jié)構(gòu)的各種制造難點(diǎn)。

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