徐蓉辉
（东方电气（广州）重型机器有限公司 广东广州 511455）
摘要：本文对CPR1000堆型反应堆压力容器控制棒驱动机构管座（简称CRDM管座）过盈连接的各项参数进行计算，在对CRDM管座冷装固定方式分析的基础上，结合工艺试验验证了理论计算及所推荐的经验数据是正确可靠的，对CRDM管座冷装控制具有非常重要的指导意义。
关键词：CRDM管座；冷装；过盈量；补偿量
引言
反应堆压力容器（RPV）是核电站核岛一回路冷却剂系统的重要压力边界，是核电站的核心设备之一。RPV顶盖上布置有若干CRDM管座，如图1，控制棒驱动机构通过在CRDM管座中上下运动实现反应堆的启动、调节功率及快速停堆的功能[1]。过盈连接是利用零件间的过盈配合达到紧固连接的一种方法。过盈连接具有结构简单、定心精度好、可承受较高的转矩和轴向力，在冲击、振等动载荷下能可靠地工作[2]，广泛应用于重型机械、机车及通用机械等需要传动或承载的场合。RPV顶盖上的CRDM管座就是通过过盈连接，使得管座装配后具有一定密封作用，同时防止CRDM管座焊接时由于焊接收缩变形，造成管座产生轴线位移进而影响管座定位精度。
图1 CRDM管座装配示意图
冷装是轴类零件通过冷冻后直径收缩，套入孔类零件，在温度恢复后实现过盈连接的一种装配方式，通过冷装可以达到一定的装配强度及密封性能[3]。冷装工艺可以实现较大过盈量的装配，对零件机械性能及加工精度、表面加工质量影响较小，冷装作为机械产品装配中一种重要的工艺方法，在国内外得到广泛的应用[4]，CRDM管座与顶盖组件过盈连接的安装就是采用这一原理。
1 CRDM管座冷装理论计算
CPR1000堆型RPV设计压力17.23MPa，设计温度343℃，主体材质16MND5，CRDM管座为NC30Fe与Z2CN19.10（控氮）对接件[5]。顶盖组件上管座孔理论尺寸为Φ101.60mm，CRDM管座过盈连接配合段理论尺寸为Φ101.68-Φ101.70mm，CRDM管座安装为过盈配合，过盈量为Φ0.08-Φ0.10mm。根据CPR1000堆型反应堆压力容器CRDM管座尺寸及过盈量，对冷却温度、冷却时间及管座理论收缩量各项参数计算及冷却剂进行选择。
1.1 冷却温度
CRDM管座所需冷却温度可按下式计算：…………（1）
式中T——CRDM管座的冷却温度（℃）；T0——环境温度（℃），产品制造现场取26℃；σ——CRDM管座与顶盖上孔装配的平均实测过盈量（mm），取0.10mm；a——CRDM管座材料的线膨胀系数（1/℃），选用镍基材料的线膨胀系数为1.3×10-5/℃；D——CRDM管座外径尺寸（mm），取101.6mm。
式（1）计算得到冷却所需温度T= -125.4℃，冷却温度按1.2～1.5T，即-150～-188℃。此值仅根据CRDM管座过盈配合量对冷却温度的粗略计算，考虑环境温度及装配时间的影响，有时需要依据制造的实际情况对所计算的温度进行适当的修正。
目前常用的冷却剂及其所能达到的冷却温度如表1所示。根据上面计算的CRDM冷却温度及表1，CRDM管座的冷装可用液氧或液氮完成过盈连接的装配，由于液氮生产制造容易，成本低，且氮气为惰性气体，化学性能稳定，挥发后没有危险性，对CRDM管座无腐蚀等优点，故CRDM管座冷装介质优先选用液氮。
1.2 冷却时间
冷却时间是保证冷装能否成功的重要参数之一，冷却时间太短，CRDM管座轴向收缩量太小，可能发生CRDM管座尚未安装到位即卡涩的严重后果。冷却所需时间需综合考虑CRDM管座的厚度，直径，长度、材料的力学性能因素。
CRDM管座冷却所需时间按下式计算：t=kδ+（6～8）min……（2）
式中k——冷却综合系数（min/mm），对于钢件取值1.2；δ——CRDM管座壁厚或管座外圆半径（mm），取。
式（2）计算得到冷却所需理论时间t=67～69min，上述计算为CRDM管座冷却时间的粗略计算，由于CRDM管座设计结构为中空的套管零件，冷却时间需要根据实际冷却情况，结合冷却温度进行适当的校正。
1.3 CRDM管座理论收缩量
CRDM管座与顶盖组件装配连接的过盈量在设计上已经进行了规定，CRDM管座在液氮介质浸泡后长度、直径都将会发生变化，而长度、直径理论收缩量对冷装操作及安装定位补偿具有重要的指导意义。以顶盖组件正中心的1#CRDM管座为例进行理论计算，该管座总长921.5mm。
CRDM管座冷却后长度、直径收缩量按下式计算：△L=0.65aLT …………（3）
式中，△L——收缩量（mm）；L——CRDM管座长度或管座直径（mm）；T——环境温度与冷却剂温度之差（℃），取222℃；a——CRDM管座材料的线膨胀系数（1/℃），选用镍基材料的线膨胀系数为1.3×10-5/℃；
式（3）计算得到CRDM管座直径收缩量△L1=0.19mm，1#CRDM管座长度收缩量△L2=1.73mm。
2 CRDM管座冷装固定及补偿量计算
对于CRDM管座冷装通常有两种固定支撑方式，一种以CRDM管座的上端面为基准固定装配，另一种以CRDM管座下端面为基准固定支撑。
2.1上端面固定法
上端面固定是通过顶盖组件上的三个吊耳固定支撑工装，该固定支撑结构刚性好，可克服CRDM管座重量产生的垂直方向的变形，冷装时CRDM管座起吊工装可以直接放置在固定支撑工装上。由于CRDM管座冷冻插入顶盖组件管孔后，随着CRDM管座温度的上升，管座直径将变大，轴向将伸长，CRDM管座上端固定后管座轴向只能向下延伸。当管座直径恢复扩大到一定程度，CRDM管座冷装段与顶盖上的孔间隙变小甚至过盈时，冷装段不再有轴向移动，CRDM管座上段部分将继续向上伸长，顶盖内侧部分的CRDM管座配装段将向下伸长。
因而采用上端面固定冷装CRDM管座，由于冷装后CRDM管座上段部分将伸长，在固定支撑管座时需要考虑一定的补偿量△L3，确保管座上平面伸长后最终达到图纸要求的尺寸精度。以顶盖组件正中心的1#CRDM管座为例进行理论计算，该管座冷装段以下部分尺寸为180mm，冷装段以上部分尺寸为741.5mm。根据式（3）计算，补偿量△L3=1.39mm。即在CRDM管座冷装工位布置前，CRDM管座伸长的补偿量考虑到固定支撑的高度中。
2.2下端面固定法
下端面固定是通过顶盖组件内侧设置支撑工装进行固定，由于CRDM管座冷装完成后，顶盖内侧部分的CRDM管座配装段将向下伸长，这必将对内侧的支撑工装形成刚性顶压，为减少顶压力对CRDM管座造成损伤及对管座形位公差产生的影响，通常采用弹簧结构支撑，该固定支撑可以抵抗CRDM管座自身重力的变形，同时不会干涉CRDM管座冷装至恢复温度过程中管座轴线的向下伸长。
采用下端面固定法也需要对固定支撑进行补偿，以顶盖组件正中心的1#CRDM管座为例进行理论计算，根据式（3），补偿量△L4=0.34mm。
3 冷装工艺验证
论文[3]中对CRDM管座进行了冷装工艺试验，选取的1号CRDM管座外径尺寸为Φ101.569mm，总长度L=986.3mm，在液氮-196℃低温环境下，不同的冷却时间进行试验，试验数据如下：
试验中的1号CRDM管座外径和长度尺寸，与本文第1、2章节中理论计算选取的1#CRDM管座尺寸非常接近，试验数据具有参考性，对CRDM管座冷装操作有指导意义。对试验数据表2进行分析，CRDM管座在液氮浸泡下，冷却时间70min即管座已经完全冷却，收缩量已达到了材料的极限值，直径收缩0.209mm，长度收缩1.6mm。这与本文章节1中理论冷却所需的时间67～69min非常接近，同时1#CRDM管座直径、长度理论收缩分别为0.19mm和1.73mm，上述理论计算值与试验数据较为吻合。
在使用上端面固定法和下端面固定法对CRDM管座进行冷装，采用理论补偿量进行调整，待管座恢复至室温后，对管座在顶盖上的位置进行测量，所有管座上平面的公差可控制在±0.5mm内范围。
4 结论
CRDM管座过盈连接是反应堆压力容器顶盖组件关键结构，管座冷装工艺也是顶盖组件制造的重要工序。本文介绍了CRDM管座冷装温度及介质、冷却时间、收缩量理论计算方法，对CRDM管座冷装固定的两种支撑方式进行了阐述，分析了CRDM管座冷装控制的关键要素—补偿量，并两种固定方式的补偿量的设定进行了计算。通过CRDM管座冷装工艺试验验证了理论参数的正确性，公式和推荐数据经过检验，取得了较好的使用效果，可为同类产品的冷装工艺提供有价值的参考。
参考文献：
[1]张忠海，胡晓琦.容器管座冷装技术研究[J].一重技术，2010，135（3）：14-16.
[2]李焕鸣，汤臣杭，黄燕，赵薇娜.关于稳压器接管过盈量设置的研究[J].科技视界，2015（26）：263-265.
[3]唐建文，张良成，周光华.秦山二期600MW压力容器顶盖组件CRDM及热电偶管座冷装[J].锅炉技术，2004，35（3）：66-69.
[4]刘凌，李彬.冷装工艺方法探索[J].煤矿机械，2009，30（9）：131-133.
[5]雷中黎，吴义党，乔木等.核电厂核岛主设备制造焊接质量及其控制[M].中国电力出版社，2014.
作者简介：
徐蓉辉（1983-），男，东方电气（广州）重型机器有限公司，江西新干人，硕士研究生，工程师，现从事核岛主设备制造工艺研发工作。
论文作者:徐蓉辉
论文发表刊物:《河南电力》2018年6期
论文发表时间:2018/9/11
标签：顶盖论文; 端面论文; 理论论文; 温度论文; 直径论文; 组件论文; 时间论文; 《河南电力》2018年6期论文;