管板深孔加工的制造

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引言

核电蒸汽发生器是核电站的关键设备之一，为立式倒U形管自然循环换热器。它与反应堆压力容器相连，通过U形管传热管将一次侧反应堆冷却剂的热量传递给二次侧的水，产生两相的汽水混合物，在二次侧内通过汽水分离装置将汽水混合物中的水分离出来，从蒸汽出口处输出干饱和蒸汽供汽轮机发电。作为蒸汽发生器关键部件的管板，需在母材（如RCCM规范18MND5或ASME规范SA-508Gr.3Cl.2）一次侧表面堆焊一定厚度的Inconel600或690镍基合金材料（6~10mm），最大总厚度近800mm，再进行管孔（φ17.73mm）加工，数量多达2万多个[1]，加工周期约为3个月，是蒸汽发生器制造的关键路径。

1管板深孔加工的质量风险由于核电蒸发器管板厚度较厚，管孔采用BTA方式加工[2]，为提高加工效率，通常采用三轴数控机床加工，质量风险较大，主要原因是：

1）不能直接观察到刀具的切削情况，只能凭经验，通过听声音、看切屑、观察进给轴功率及主轴功率、触摸振动等外观现象来判断切削过程是否正常；

2）一般切削过程中80%的切削热被切屑带走，而深孔切削中只有40%的切削热被切屑带走，刀具占切削热的比例较大，易过热[3]，切削时须对刃口采用连续有效的冷却方式；

3）深孔切屑经过的路线长，容易发生阻塞，导致钻削力增大，切削不稳定，并且切屑排出时易划伤已加工表面，容易导致加工质量和精度不满足要求；

4）受孔径尺寸限制，孔的长径比大，钻杆细而长，易产生振动，钻孔易走偏；

5）由于管板厚度大，且表面堆焊镍基合金，加工过程需不同的加工参数相配合。因此人员技能、深孔钻设备、刀具、工艺参数、环境条件等因素对管孔质量有较大的影响，为确保管板加工后的尺寸和粗糙度符合图样要求，需制定严格的加工工艺参数和工艺流程，并通过合适的过程控制方法实现较高的合格率。

2管板深孔加工的工艺要求

1）人员要求。操作者经培训后持证上岗，操作者应熟悉图样、工艺、技术文件，每块管板钻孔前，操作者按相应的图样、工艺文件核对BTA钻头、导向套、间距块等，确认无误后方可在机床上使用。主操作工对钻孔的质量过程控制负责，钻孔时主操作工必须在操作室内监控操作面板，监控程序运行时的钻削速度、进给量和冷却液压力等是否出现异常情况。

2）设备要求。机床具有完善的报警装置，在加工工程中对钻头及冷却系统的工作状态进行监控，一旦出现异常，能立即报警，并自动控制机床停止加工。管板钻孔前需对钻孔设备进行精度检测，符合要求后方可进行深孔钻。

3）管板组件的装卡和找正[4]。进行孔钻前，先将管板与下筒体焊接、无损检测、热处理，以便于管板装卡。然后将管板钻孔用V形架放置在深孔钻平台上，调整前后V形架的中心线与机床的Z轴在一条轴线上，找正后预夹紧。再将管板组件吊至V形架上，管板0°~180°线在竖直方向上。调整机床主轴与管板的X轴、Y轴、Z轴平行，偏差符合要求，固定夹紧。组件装卡固定好后静置约24h，待监测仪表读数稳定后再进行后续操作。

4）钻孔程序零点及管板位移监测。管板钻孔前设置钻孔程序零点，每班沿X轴和Y轴方向移动机床，检查、校准机床的零点位置。在管板组件前后、左右、上下分别设置位移监控表，每天定时检查位移，如超出位移要求，应立即停止钻孔，排查原因。

5）导向套、BTA钻头。钻孔前，操作者应检查导向套的内径，确认适用于该蒸汽发生器管板钻孔。钻孔过程中，操作者定期检查导向套内径尺寸及内表面磨损情况，如果导向套内径超差或有异常铁屑和划痕出现，立即停止使用并予以更换。操作者要定期目视检查BTA钻头切削刃磨损情况和夹屑情况，根据试验确定每只钻头钻孔数，达到最大数时，对钻头进行更换。

6）钻孔参数。钻孔转速、进给量、冷却液流量等主要参数由管板钻孔前进行的工艺试验确定，确定后输入到CNC程序中。改变参数时，需先进行试验，合格后方可更改或更换。由于管板的镍基堆焊层与本体低合金钢的材质加工性完全不同，需采用分层加工的方式，即镍基堆焊层与管板本体采用不同的加工参数，需要多次进行工艺试验确定[5]。

7）班前试样。为验证钻头、导向套等工具的适用性，每班开始钻孔前，首先在试样件上至少钻1个孔，检测孔径、垂直度合格后，再到产品上钻孔。试验件应用产品相同材质、厚度，做到模拟管板的加工状态。每次更换钻头、钻杆、导向套后，首先在试样上至少钻1个孔，检测孔径、二次侧孔桥合格后，再到产品上钻孔。如果试样孔检测不合格，机床不可加工产品管板孔。

8）管板钻孔工艺过程控制。待前期条件准备结束后，管板开始钻孔。管板钻孔前，操作者重新自检管板找正情况，确认无误后运行CNC程序。从管板中心位置到管板边缘，对所有管板孔进行压印，由检查员按管板图样逐项检查孔数、孔位等，检查无误后方可进行正式钻孔。更换钻头和导向套后，操作者应检查在管板上钻的首孔的孔径和垂直度，如果尺寸超出公差范围，停止钻孔并分析原因。如果发生钻头崩刃或损坏，应用内窥镜检查孔壁，确保该孔内的所有碎片完全去除，经检查合格后方可继续完成此孔钻削，记录管孔位置、崩刃点到管板一次侧表面的距离及钻头编号，以便于进行追踪。

9）管板钻孔后的清理。管板钻孔完成后（如图1），移出钻孔平台，去除毛刺并抛磨出二次侧圆角，圆角尺寸满足图样要求。

3管板深孔加工检查工艺

3.1人员资格目视检验的专检人员都应该按照核安全法规《民用核安全设备无损检验人员资格管理规定（HAF602）》（生态环境部令第6号）进行培训、考核并取得相应的资格证书。钻孔尺寸检查的人员应是有经验且经过培训的人员。

3.2检验设备、仪器及量具管孔目视检验设备、仪器主要有：照明设备（如手电筒、强光灯）、照度计（检定周期为12个月）、3~6倍的放大镜、反光镜、视频内窥镜。管孔尺寸检验设备主要有内径百分表、卡尺、粗糙度仪、激光跟踪仪、专用检测工装或样板等，需经校准且在有效期内使用。

3.3钻孔前的检验管板钻孔前，操作者使用加工设备的数控程序在管板表面进行预压孔，操作者对预压孔的数量和位置进行自检。打孔开始前，在管板上大致均布选取若干个管孔作为基孔，作为检查管孔位置度的基孔。

3.4钻孔过程中的检查钻孔过程中，操作者按要求进行自检，自检孔包括但不限于每支钻头所钻的首孔和尾孔。如发现异常，及时报告相关人员核实分析。检验员在钻孔过程中进行现场巡检，每天检验员应进行至少1次现场巡检。每次巡检时，检验员应从上次巡检至本次巡检期间经操作者自检的管孔中，任意抽取由3支钻头所钻的首孔和尾孔并对其孔径、垂直度和二次侧孔桥进行检查。每班钻孔结束后，检验员应复查当班所打的所有孔的孔径、垂直度，以及一、二次侧孔桥的尺寸。检验员应在管板一次侧用内径千分尺检查管孔直径，应在管板全厚度方向上相互成90°的位置测量管孔内径，采用专用工装测量一、二次侧孔桥的尺寸，检验项目

3.5钻孔完成后检查管板移出钻孔平台之前，检验员应该检查管板上的所有管孔是否钻通。管板移出钻孔平台并除油清洁后，开展后续的检验项目。以管板0°~180°和90°~270°轴线为基准，根据管板图样的要求，分别测量相关排、列到轴线的距离，作为参考；在管板的一次侧用激光跟踪仪检查基孔位置度，其他管孔位置采用位置度工装来验证其位置度。若基孔位置度超差，将用激光跟踪仪检查其周围6个管孔的位置度，若周围6个管孔中某一孔位置度超差，将继续用激光跟踪仪检查超差管孔周围相邻的所有孔的位置度，直到超差孔群周围相邻的所有管孔的位置度都合格为止，记录检查过程中所有超差孔的位置度。目视检查一次侧管孔的毛边是否清除，检查二次侧管孔的倒圆或倒角，检查表面有无毛刺和裂纹。对所有管图1管孔加工后的管板孔内表面进行检查，包括粗糙度。如果管孔内表面有划痕或螺旋痕迹，将检查使用相同BTA钻头的所有钻孔孔径及垂直度。

3.6管板的防护管板管孔尺寸检查完成后，由于仍有较长时间才能进行管束支撑板的安装和管束穿管，需对管孔进行涂油防护，也可填充防锈物质，并用塞子封闭，避免管孔产生锈蚀。

4典型问题及处理

管板管孔加工完成后，产生的典型缺陷有：

1）环向沟槽（整圈或局部）。钻头加工过程中外刃崩刀，使管孔内径加大，由于切削力增加，机床报警并停止加工，最终形成轴向长度较短的环状凹槽。

2）螺旋线。产生原因较复杂，钻头外刃外缘转角异常磨损后，切削过程中引起切削力的变化，进而产生螺线孔。

3）贯穿划痕。铁屑镶嵌在钻头上，退刀时形成贯穿性划痕。

4）内壁凹坑。管板材质内有夹渣、硬度不均匀，钻头经过时受冲击发生崩刀，夹渣位置在孔壁边缘，留下微小损伤。处理方式主要为：修磨圆滑过渡，并进行管孔修磨后的管板液压胀接工艺评定，严重的进行换热管堵管处理。

5结语

管板深孔加工是核电蒸汽发生器的关键工艺，也是核电设备制造的难点问题。在管孔加工前，需要制定经过验证的管孔加工工艺；加工过程中，通过有效的过程控制方法，形成操作者自检、检查员巡检方式，能够在过程中及早发现质量问题，及时处理，避免产生大量的共性问题，提高管孔的合格率。依据上述工艺方法和质量控制手段，某项目蒸发器的12312个管孔加工后一次性合格，避免了管孔修磨和不符合项的处理，为蒸汽发生器的关键工艺路径节省了大量工期。

[参考文献]

[1]陈中灼.AP1000反应堆蒸汽发生器制造难点与案例分析[J].中国设备工程,2016(1):47-48.

[2]王峻.现代深孔加工技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2005.

[3]沈兴全,朱红霞,张利新.深孔加工中BTA刀具钻削温度场与磨损的研究[J].煤矿机械,2014,35(3):104-106.

[4]冯小明,代飞,李德飞.BTA钻床在大型管板钻孔加工中的应用[J].一重技术,2014(6):33-36.

[5]王照云.300MW核电蒸汽发生器管板深孔加工和影响精度的主要因素[J].锅炉技术,1995(3):26-28.

作者：王保满 张志强 岑龙涛 王伟波 单位：中广核工程有限公司