核电蒸汽发生器管板深孔加工技术研究_王再山.pdf

设备管理与维修2023 2（上）1BTA 钻镗联合深孔加工机械加工中通常将孔深与孔径之比大于 6 的孔称为深孔，深孔加工存在排屑困难、散热困难、刀杆细长刚度差易振动、刀具切削和磨损无法观察、深孔容易钻偏斜等特点。核电蒸汽发生器管板深孔长径比通常超过 45，且对加工精度有非常高的要求。BTA 钻镗联合深孔加工方式具有以下特点：孔壁与钻杆间送入切削液，钻杆管内排出切削液和铁屑，铁屑不损伤孔壁，加工精度高；钻头外、中、内多刀刃切削，双面孔排屑，无较大横刃；钻头刀刃分段交错排列，保证断屑和分屑可靠；钻头内刃与中刃的偏移和进差形成临时芯柱，加工中自导向；各刃可选不同材料适应不同加工特性，内刃选韧性好，外刃选耐磨性好。核电蒸汽发生器管板深孔加工选用 BTA 钻镗联合深孔加工方式（图 1）。深孔加工时无法直接观察刀具的切削情况，常通过听声音、看切屑、观察机床负荷及切削油参数等方法来判断排屑及刀具磨损状况。深孔切削时散热和排屑困难，必须选择合适的切削用量，合适的切削油压力、流量和温度，保证断屑可靠、排屑通畅，同时携带出钻镗加工产生的热量。深孔钻杆细长而刚性差，易产生弯曲和振动，深孔加工时孔易发生偏斜，因此必须在钻头刀具及进液器结构设计时考虑导向装置与防振动措施，以保证加工精度。2核电蒸汽发生器管板深孔加工要求管板外径 4487.71.5 mm，高度 10251 mm，本体材料为ASME-NB SA-508/SA-508M Grade3 Class2 低合金钢锻件，一次侧表面堆焊 SFA-5.11 ENiCrFe-7、SFA-5.14 ER/EQNiCrFe-7镍基合金，在管板中心区域上分布着 20 050 个三角形排列的管孔（图 2）。管板管孔主要加工要求：管孔内径 17.73（-0.05+0.07）mm，共20 050 个；加工厚度 7980.38 mm，包含 6.61.4 mm 堆焊层；孔间距 24.892 mm；孔桥 7.16 mm，二次侧最小 6.12 mm；孔位置度0.25 mm；孔垂直度 0.48 mm；孔内表面粗糙度 Ra6.3 m；长径比 905/17.7351。核电蒸汽发生器制造过程中与管板深孔加工紧密关联的工艺流程如图 3 所示，其中管板深孔加工的质量直接影响到后续的穿管、封口焊和胀接、涡流检测等关键制造工艺，是蒸汽发生器的整体制造质量和在役运行质量的决定性因素之一。3深孔加工评定试验深孔加工评定试验的目的：了解和掌握三轴数控深孔钻床的加工性能；检验三轴数控深孔钻床用 BTA 钻头的加工图 2核电蒸汽发生器的管板、管孔核电蒸汽发生器管板深孔加工技术研究王再山，郑红亮（上海核工程研究设计院有限公司，上海200233）摘要：管板深孔钻是核电蒸汽发生器制造过程中的难点，加工精度要求非常高，加工质量直接影响到后续的穿管、封口焊和胀接、涡流检测等工艺。叙述管板深孔钻加工工艺过程，通过对钻头选用及检查，切削参数和报警参数的设置，加工精度过程控制及检测等方面的研究和试验，确定最终的深孔钻加工工艺方案，加工出的产品验证了该套方案的高质高效性。关键词：蒸汽发生器；管板；深孔钻中图分类号：TM623文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.02.06图 1BTA 钻镗联合深孔加工图 3核电蒸汽发生器管板深孔加工流程15设备管理与维修2023 2（上）精度；初步选定合乎要求的 BTA 钻头供应商；发现并解决 BTA 钻孔中出现的问题；熟悉三轴数控深孔钻床的编程方法；检验操作人员对机床的掌握程度，以保证正式产品加工的质量。3.1钻头的选择和检查核电管板深孔钻加工的精度要求非常高，对 BTA 钻头有很高的要求，对钻头采购应提出严格的技术要求并进行严格检查。在采购时对 TaeguTec 钻头和 UniTec 钻头分别进行钻孔试验，通过试验发现使用 TaeguTec 钻头的钻孔直径、内表面粗糙度等均满足要求，但钻头断刃的概率较大，排屑有时不太顺畅；使用UniTec 钻头的钻孔直径、内表面粗糙度等均满足要求，钻头断刃的概率相对小一些，最终从保证加工质量的角度决定采购整体质量较好的 UniTec 钻头。钻头采购需进行严格控制，按照图 4 对每个钻头都进行检查并记录如下：目视检查钻头标识、检验编号、切削刃缺口、焊接质量、研磨质量等；检查钻孔直径 D，由边缘刀片外刃、侧垫板导向面、背垫板导向面 3 点构成；检查钻头上、下连接支承面直径 D1、D2；圆锥度检查，即侧垫板、背垫板导向面在钻头轴线上的径向偏差值；同轴度检查，即侧垫板、背垫板导向面相对于边缘刀片外刃的径向偏差值；垂直度检查，即钻头轴线相对于连接支承底面 A 的垂直度。3.2切削参数和报警参数根据管板本体材料和堆焊层材料的不同，钻头钻入一次侧表面和钻出二次侧表面时的加工条件不同，对切削参数在不同钻深处设定不同的参数，修改数控加工子程序中的对应参数（表1）。选择不同的主轴转速和进给量分别进行深孔钻加工试验，根据试验结果确定合适的切削参数，同时根据深孔钻加工时机床运行情况设定合理的报警极限值（表 2）。根据以上深孔加工试验情况和深孔加工质量结果，初步选定第 3 组参数，既能保证深孔加工的质量，又能缩短加工时间，提高加工效率。3.3钻头寿命的确定深孔切削时散热和排屑困难，切削油压力和流量的不稳定波动，钻杆进给过程中的弯曲和振动，管板材料的局部不均匀等，都会造成钻头切削刃甚至结构的损坏，从而严重影响深孔加工精度，因此需对每个钻头的加工孔数进行限制。通过钻头最大加工孔数试验，大多数钻头在加工 4050 个深孔后加工质量明显下降，因此为保证管板深孔加工精度，规定每个钻头最多钻 15 个孔。4深孔钻机床的准备和加工工件的装夹及调整4.1深孔钻机床的准备和调整深孔钻机床为德国 TBT 三轴数控深孔钻，主要技术参数为：最大水平行程（X 轴）6000 mm，最大垂直行程（Y 轴）4500 mm，最大钻轴行程（Z 轴）1800 mm，主轴数 3个，BTA 钻孔直径 1365 mm，最大有效钻孔深度1100 mm，主轴箱行程（U轴）600 mm，主轴间距 250400 mm，主轴转速 405000 r/min，主轴最大进给力20 000 N，切削油最大压强 10 MPa，切削油流量 7260 L/min，切削油 PETROFER（ISOCUT T400）。安装 CAP1000SG 管板专用接长套于深孔钻床主轴箱前座上，调整3 个接长套位置的并使用光学装置检测 3 个接长套的垂直度，3 个接长套与主轴的同心度满足要求。安装钻头、钻杆和钻头导套、钻杆导套，检测 3 个钻杆旋转时的径向跳动和轴向跳动满足要求。选择合适的钻头、钻头导套间隙和钻杆、钻杆导套间隙，以对钻头钻入时进行导向，防止钻杆弯曲和振动，保证钻孔的直线度。4.2管板下筒体组件及深孔热机试板装夹在落地钢平台上安装前座固定 V 形铁支撑、后座可调 V 形铁支撑、工件防退支撑、试板装夹支架及附件等。吊装管板下筒体组件于两 V 形铁上，管板一次侧坡口端面与设备主轴端处的工作台前端边缘基本齐平，进出位置控制在10 mm 范围内。安装热机及调试用试板，试板平面位置与管板平面基本齐平（图 5）。4.3管板位置的调整（1）调整管板圆周方向位置，相对于 0180两个手孔所确定的中心线位置误差0.5 mm。（2）调整管板一次侧端面 90270轴线位置和设备 X 轴平行，校正误差0.2 mm/全长。（3）调整管板一次侧端面 0180轴线位置和设备 Y 轴平行，校正误差0.2 mm/全长。（4）调整试板的水平和垂直方向位置和设备 X、Y 轴平行，校正误差与管板相同（同比例缩小）。4.4调整后检查、紧固及记录（1）检查和记录管板下筒体组件校正后各部位的实测尺寸。（2）使用防退支撑装置顶紧下筒体，在临时吊耳处顶紧管表 1不同钻深处深孔钻加工参数设定钻深/mm主轴转速/（r/min）主轴进给/（mm/min）切削油流量/（L/min）切削油压强/MPa03080060120随钻深变化307501600220120约 60 随钻深变化750末端1350130120随钻深变化表 2深孔钻加工切削参数及报警极限试验序号主轴转速/（r/min）主轴进给/（mm/min）切削油流量/（L/min）切削油压强/MPa主轴功率报警限值/%主轴扭矩报警限值/%加工质量排屑情况11350185120约 6，随钻深变化2015良好铁屑较粗，时有长屑21450200120约 6，随钻深变化2015良好铁屑较细31600220120约 6，随钻深变化2015良好铁屑细小图 4BTA 深孔钻头16设备管理与维修2023 2（上）表 3钻孔过程的控制与检测检查项目检查方法检查对象检查人员允许公差孔径内径量表在互相垂直的两个方向上100%孔操作者质检员17.73（-0.05+0.07）mm孔位置图比对钻孔布置图每根钻头所钻首尾孔操作者不适用孔位置坐标复核对中芯轴或 3D 寻边器每钻约 500 孔检查；停机超过 0.5 h 检查质检员0.25 mm一次侧孔桥一次侧孔桥通止规孔桥卡尺（通止规超差后测量）100%孔操作者质检员通止规 7.160.12 mm二次侧孔桥二次侧孔桥通止规孔桥卡尺（通止规超差后测量）100%孔操作者质检员通止规 7.160.36 mm直线度通棒穿孔检查100%孔操作者17.73 mm，17.5 mm，17.2 mm垂直度管孔垂直度测量工装（钻孔中检查）管孔垂直度光学测量工装（钻孔后抽查）每根钻头所钻首尾孔；所有孔钻完后每 500 孔中抽查 3 个操作者质检员0.48 mm目视检查手电筒，必要时用内窥镜检查，管孔清理后从两侧检查100%孔操作者无刮痕、凸出毛刺、螺旋线、沟槽等缺陷粗糙度粗糙度仪首次钻约 500 只孔中抽查目视表面最差的 5 只孔；以后每钻 500 只孔中抽查目视表面最差的 3 只孔操作者质检员Ra6.3 m，在距管板一次、二次侧面约 50 mm 范围内，孔径局部变动0.001 英寸（0.025 mm）不属粗糙度检查范围图 5管板下筒体组件的装夹和调整板，在前座和后座支撑处用钢带绑紧管板和下筒体，锁定管板下筒体组件位置。（3）复核和记录管板下筒体组件紧固后各部位的实测尺寸。（4）在管板 X、Y 轴方向适当部位放置数只百分表，检测管板下筒体组件装夹后及管板加工过程中的位置变化情况。（5）管板装夹工位静置 3 d 并定时用深孔钻床接长套加力顶紧，复核和记录管板下筒体组件装夹后各部位的实测尺寸。5蒸汽发生器管板深孔加工5.1深孔加工程序编制及模拟验证（1）由于管孔数量超过 20 050 个，将管板所有孔位用 C语言二维矩阵数组表示，使用数组遍历算法生成优化的 3 轴、2 轴、1 轴加工程序，然后用 LISP 语言在 AutoCAD 模拟绘图演示验证，以优化钻孔次数、提高钻孔效率、预防边缘孔位碰撞等。（2）深孔钻机床上输入和复核管板深孔加工程序，挂放管板深孔钻加工模拟图，检查边缘孔位程序的接长套与管板是否发生干涉碰撞。模拟图也用于记录钻头、导套等磨损件更换孔位。（3）运行复核后的管板深孔加工程序，用接长套顶针在管板待加工面压孔，检查压孔是否符合挂放模拟图，压孔是否重复等。5.2蒸汽发生器管板深孔加工（1）记录管板深孔加工中心坐标和管板边缘内侧 0、180、90、270位置，设定接长套端面零位于管板一次侧端面约 10 mm处，钻轴进给深度于钻头伸出管板二次侧平面 22.5 mm 处等。（2）机床预热后加工试板，切削油温度保持在 2835，试加工孔尺寸精度都满足要求后可加工工件。（3）选择 90/-270方向的高低 2 孔作为管板基准孔加工，记录基准孔位置，再加工其余孔。（4）钻孔过程中每隔一定数量钻孔后，检查所有磨损件状况，包括钻杆、钻头导套、钻杆导套、压板等，若磨损量超过允许值，应立即更换。（5）钻孔中断时间大于 30 min 时，需先在试板上热机检查试钻孔质量，复核工件基准孔偏差后，再重新启动工件钻孔。若基准孔位置超差0.1 mm 需重新设定机床零位以避免累积公差。5.3深孔加工过程的控制与检测核电管板对深孔钻加工的精度要求非常高，因此需在深孔加工过程进行严格控制，规定具体详细的检查措施、检查项目、检查方法、检查频率及合格要求（表 3）。6管板深孔加工研究结论通过试验研究并经过实际加工验证，证明本文所述深孔加工工艺是一套高质量、高效率的深孔加工技术，并实现了以下目标。（1）深孔加工尺寸超差率控制在 0.1以内。（2）孔壁螺旋线的出现率控制在 0.1以内。（3）20 050 个管孔加工时间控制在 50 d 以内，随着工艺及检查的成熟，加工时间将更短。17设备管理与维修2023 2（上）0引言在各类涉及块状、散装物料运输、中转、储存的厂矿中，料仓、漏斗、溜槽等装置设施受物料磨损十分严重，若任由物料自然磨损，其基体将很快被磨蚀消耗殆尽，造成全线停产。即使安装了衬板材料，延缓磨损速度，衬板的维护和更换仍是日常检修的重要内容，尤其是直接受物料冲击部位磨损速度最为剧烈1。在厂矿建设前，设计部门就应对耐磨衬板材料的选用进行充分论证，在性能、成本、需求等各方面综合权衡，确定合适的选型。本文收集了各类衬板材料种类及数据，横向列举业内常用的耐磨衬板及近年新兴的衬板材料，贯穿载明影响衬板使用性能的主要指标，通过对比分析，总结各自优势及缺陷，提供使用场景建议。模拟某一装置中采用各种产本材料的初装费用成本及较长使用周期内的综合使用成本，为业内同仁在衬板材料选用提供借鉴。1耐磨衬板材料性能对比1.1常见耐磨衬板综合性能现在各行业应用于散状物料输送系统的转载点及料仓，主要以普通低碳钢板或混凝土为基体，内部安装高铬铸铁板、高锰钢衬板、不锈钢板、NM 系列耐磨钢板、超高分子聚乙烯UHMW-PE 衬板、氧化铝陶瓷衬板、铸石衬板、缸砖等耐磨材料，起到耐磨损、减少输送阻力、便于检修更换等作用。各类衬板的机械性能数据如图 1 所示。1.2各耐磨衬板主要性能指标分析在耐磨衬板的各项性能指标中，硬度、耐磨性、摩擦系数、冲击韧性、体积密度等项目较为重要，极大影响衬板产品在实际使用中的效果。然而各种耐磨材料的诸项性能指标各有所长，并不均衡，不存在满足所有应用要求的完美产品，在衬板的实际选用中需综合分析，选取主要优势指标，避免缺陷，改善短板，灵活运用。1.2.1硬度耐磨材料的硬度是各项性能指标中最重要的，对衬板的耐磨损性能起到决定性作用；衬板硬度相较于输送物料高出越多，则理论耐用性越高。在金属材料中，低碳钢的硬度较低，通常用作基层材料，在其表面必须增加硬度更高的衬板层保护，避免装置本身的急剧磨损。在金属材料中，传统高铬铸铁板和近年出现的 NM 系列耐磨钢材的硬度表现较好；在非金属材料中，烧制产品的陶瓷类、铸石类衬板均具有极高硬度，且相差不大；高分子聚乙烯材料硬度最低，极易产生划痕。单从硬度指标来看，氧化铝陶瓷硬度是所有耐磨材料中最高的，是耐磨衬板的首选材料（图 2）。1.2.2相对耐磨性材料的综合耐磨性能除了硬度的直接影响外，还受耐腐蚀性、粒子排布特性、表层剥蚀特性、微观断裂特性等诸多因素制约。例如超高分子聚乙烯材料虽然硬度较低，但因其具有大分子链的微观结构特点，链间结构稳定，在使用中耐磨表现较好。得益于氧化铝陶瓷的稳定、耐腐、致密特性，其耐磨性相对于其他材料高出几十倍甚至上百倍，具有其他衬板材料无可比拟的耐磨性能。相较于已经广泛应用的传统铸石板，经特殊压制成型的压延微晶板具有更高的耐磨性能（图 3）。耐磨衬板材料应用研究刘金华，张志辉，郝建伟，丁宁，李帅武（国家能源集团煤焦化有限责任公司西来峰分公司，内蒙古乌海016000）摘要：在需要矿石及粉体输送的行业，因具有大量料仓、漏斗、溜槽等易磨损装置，普遍应用高铬铸铁板、锰钢板、耐磨合金钢板、高分子聚乙烯衬板、铸石板、缸砖、压延微晶板、氧化铝陶瓷等衬板材料保护基体结构。对各类衬板材料诸项指标进行详细对比，分析其优缺点，提供使用场景建议，包含初装费用成本及长周期综合使用成本对比，为行业衬板选用提供借鉴指导。关键词：衬板；磨损；粉体输送；应用研究中图分类号：TG115文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.02.07（4）管板深孔加工超差导致的堵管为 0。参考文献1Westinghouse Electrical Company.APP-MB01-GD-001，Engineeringand manufacturing documentation requirements Z.2Westinghouse Electrical Company.APP-MB01-Z0-101，Design spec-ification for CAP1000 steam generator for reactor coolant system，steam generating system Z.3Westinghouse Electrical Company.APP-MB01-VQP-001，Tubesheettube hole acceptance criteria Z.4Westinghouse Electrical Company.APP-MB01-V2-051/052/053/054/055/056，CAP1000 steam generator tube sheet base metal，welding，and machining Z.5The American Society of Mechanical Engineers.ASME B&PVC，ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section Nuclear PowerPlant Components Z.6 The American Society of Mechanical Engineers.ASME NQA-1，Quality Assurance Requirements for Nuclear Facility Applications Z.编辑石跋序18