核主泵转子屏蔽套真空热胀形及热套装研究

摘要

转子屏蔽套是AP1000核主泵的关键部件，其制造精度和装配质量对核主泵的正常运转有重要影响。转子屏蔽套由Hastelloy C-276合金薄板经过剪裁和焊接工艺制造而成，AP1000核主泵转子屏蔽套具有超薄大长径比和径厚比，热套装前，其直径偏差为±0.076mm，因此，转子屏蔽套的制造与装配难度非常大。为此，我们一方面提出了采用真空热胀形技术对剪裁和焊接后的转子屏蔽套进行误差治理的理论和方法，使其满足热套装前的高精度要求;另一方面提出了核主泵转子屏蔽套热套装控温方法，以适当减缓热套装过程中转子屏蔽套温度的下降速度，延长允许的热套装时间，避免转子屏蔽套过早地箍在转子表面，确保转子屏蔽套热套装顺利完成。
　　本文采用有限元模拟与实验相结合的研究方法，首先利用有限元软件MSC.Marc对核主泵转子屏蔽套的真空热胀形和热套装过程进行有限元模拟，深入分析转子屏蔽套的真空热胀形成形机理、成形规律以及工艺参数对转子屏蔽套热套装的影响规律。然后设计并制造转子屏蔽套的真空热胀形模具和热套装实验平台，开展转子屏蔽套真空热胀形和热套装工艺实验，为剪裁和焊接后转子屏蔽套的误差治理和热套装配提供理论基础和数据参考。主要研究内容和结论如下:
　　1.基于应力松弛实验建立了Hastelloy C-276合金的蠕变本构模型，以有限元软件MSC.Marc作为分析平台，建立了核主泵转子屏蔽套真空热胀形有限元模型，并利用其强大的子程序二次开发功能，模拟了核主泵转子屏蔽套的真空热胀形过程。计算了真空热胀形过程中转子屏蔽套与模具内部的瞬时温度场、径向位移场和应力应变场，深入地分析了转子屏蔽套的真空热胀形成形机理，预测了转子屏蔽套的真空热胀形胀形量。
　　2.利用建立的核主泵转子屏蔽套真空热胀形有限元模型研究模具壁厚、保温时间、保温温度及胀形间隙对转子屏蔽套胀形量的影响规律，得到了优化的真空热胀形工艺参数选择方案。模拟结果显示，模具壁厚对转子屏蔽套的胀形量影响不大，优化的模具壁厚为20.00mm;保温时间的延长和保温温度的升高都会使转子屏蔽套的胀形量增大，优化的保温时间范围为2h～3h，保温温度范围为750℃～800℃;转子屏蔽套的胀形量与胀形间隙近似呈线性关系，优化的胀形间隙范围是0.20mm～0.60mm。
　　3.设计并制造了核主泵转子屏蔽套真空热胀形模具，开展了转子屏蔽套真空热胀形实验。对比结果显示，转子屏蔽套胀形量的模拟值与实验值吻合较好，证明了模拟结果的准确性。此外，胀形后，转子屏蔽套的内径与目标值的误差为-0.04mm～+0.06mm，小于要求的直径偏差±0.076mm，说明了采用真空热胀形技术可以对剪裁和焊接后的转子屏蔽套进行精密的误差治理，使其满足热套装前的高精度要求。
　　4.利用自主研发的稳态接触换热系数和瞬态换热系数测量装置对转子屏蔽套热套装过程中的换热行为进行了实验研究。测量了Hastelloy C-276合金与Hastelloy C-276合金间的稳态接触换热系数以及Hastelloy C-276合金与硅钢间的瞬态窄间隙换热系数，研究了界面压力、界面温度、试样的初始温度及试样间的间隙尺寸对换热系数的影响规律，为核主泵转子屏蔽套热套装过程的有限元模拟提供了必要的换热数据。
　　5.基于有限元软件MSC.Marc，通过编写换热子程序，模拟了核主泵转子屏蔽套的热套装过程。计算了热套装过程中转子屏蔽套的径向收缩量随时间的变化，预测了转子屏蔽套的热套装时间，研究了转子屏蔽套的制造精度、热套装温度及保温层厚度对转子屏蔽套热套装的影响规律，优化的保温层厚度范围是1.00mm～2.00mm。
　　6.设计并制造了一套核主泵转子屏蔽套热套装实验平台，开展了转子屏蔽套热套装工艺实验。实验结果表明，采用提出的核主泵转子屏蔽套热套装控温方法可以有效延长转子屏蔽套允许的热套装时间。当保温层厚度为1.50mm时，转子屏蔽套允许的热套装时间为37s，大大降低了热套装的难度，能够提高转子屏蔽套的热套装成功率。