AP1000核电主管道热段弯管的制造方法

摘要

本发明公开了一种AP1000核电主管道热段弯管的制造方法，采用卧式数控镗铣床，机床的刀具采用接长刀排，加工包括短直管段、长直管段、弯管段的弯管，加工过程包括以下步骤：第一步，采用镗铣的方式加工直管段；第二步，加工弯管段；工序1、采用上半椭圆与下半椭圆分开加工的方式，加工弯管段的内壁；工序2、弯管段外壁的加工。本发明采用变长轴半椭圆截面行星铣削法，进行弯管段内壁的加工，即从变化的椭圆截面中寻找规律，并利用此规律进行弯管的仿型加工，从而实现弯管的机加工，从而解决弯管难以进行机加工的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属切削机械加工工艺，具体涉及一种AP1000核电主管道 热段弯管的制造方法。

背景技术

随着核电的发展，对核电设备的要求不断提高。第三代核电技术——美国 西屋公司的AP1000核电站是当前全球最先进的核电站，其功率为100兆瓦，设 备的设计使用寿命为60年。

主管道是核电站十大主设备之一，是核电站核反应堆一回路的主要部件。 主管道将核反应堆的压力容器、蒸发器主泵连接起来组成一个环形回路。核反 应堆压力容器产生的热量由介质通过主管道热段传递给蒸发器；冷却后的介质 再经过主管道冷段由主泵送回核反应堆压力容器中，形成一个环形的一回路热 交换系统。

主管道由冷段、热段、过渡段三部分组成，分为直管和弯管。主管道的工 作条件是高温(设计温度350℃)、高压(设计压力17MPa)，管道内受到流速 为11米/秒介质的冲刷，介质带有高剂量的放射性元素，因此还受到介质的腐 蚀。一旦一回路管道发生泄露或破坏事故，造成的危害将不堪设想。

根据主管道的工作条件，AP1000主管道的设计原则是：尽量减少与反应堆 管道相关的焊缝，尽量减少在役检查的工作量，减少工作人员受照射剂量；缩 短在役检查的时间，缩短换料时间，以提高电厂设备可利用率，提高经济效益； 反应堆管道无安装“调节段”，其两端直接与反应堆压力容器和蒸汽发生器连 接。因此，要求反应堆管道为带有4英寸以上接管嘴的整体锻件，高加工精度， 以保证安装过程一次接成功。限于以上设计原则，AP1000主管道热段弯管的结 构为：外径尺寸Φ965，内径尺寸Φ785，管壁厚δ＝90mm，弯管弯曲变薄率＜15％， 管嘴与管道设计为一体。

第一代核电产品的主管道，法国为砂型铸造，材质为CF8M；俄罗斯采用电 渣熔铸方法制造弯管，比砂型铸造好。

第二代核电产品的主管道，主管道要求锻件采用钢锭锻成长筒体锻件，再 机加工成直管(也可采用挤压法生产大口径的无缝管)，利用直管在弯管机上冷 弯或高频加热热弯成形。冷弯弯管生产前一定要进行固溶化处理，提高塑性和 韧性，防止内应力高，冷弯总变形量要控制在30％以下，要分几次进行。每次 之间要做除应力退火或固溶处理。由于冷弯必然使材质产生冷作硬化，弯管小R 处应力集中。

对于设计要求更高的第三代核电产品，毛坯要求为锻件，直径比之前的 AP600加大，长度加长，圆弧的弯曲度56.4°较大，第一代产品的制造方法不 可行，第二代产品的制造方法难以满足要求(甚至不能实现)，目前国际上还 没有一家单位能冷弯或热弯出这么大直径的管道，最多也只能弯出大致形状及 尺寸，弯好之后还需进行精加工。机床和刀具的选择也是一大难点，必须进行 准确的计算，尤其是弯管内侧加工很困难。该管道的加工对于目前国际上的加 工技术来说是个挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种AP1000核电主管道热段弯管的制造 方法，它可以对热段弯管进行机加工。

为解决上述技术问题，本发明AP1000核电主管道热段弯管的制造方法的技 术解决方案为：

采用卧式数控镗铣床，机床的刀具采用接长刀排，加工包括短直管段、长 直管段、弯管段的弯管，加工过程包括以下步骤：

第一步，采用镗铣的方式加工直管段；

第二步，加工弯管段；

工序1、采用上半椭圆与下半椭圆分开加工的方式，加工弯管段的内壁；

先加工弯管段的上半椭圆：刀具沿短直管段轴心线的方向进入弯管段部分， 采用主轴加接长刀排，在保证主轴与孔壁不碰的情况下，先加工短直管段一侧 的上半内圆弧的第一区域；

然后保证主轴与孔壁不碰，保持主轴的高度不变，加工至最大长度，完成 对短直管段一侧上半内圆弧的第二区域的加工；

再让刀具沿长直管段轴心线的方向进入弯管段部分，加工剩余的上半圆弧， 完成对长直管段一侧上半内圆弧的第三、第四区域的加工；

最后加工弯管段的下半椭圆：主轴加接长刀排，采用比主轴直径大的刀具， 进入内孔进行下半内圆弧的仿型加工；

加工弯管段的内壁的计算方法为：已知内孔、中心圆弧的尺寸，以α角为 白变量，根据α角求得轴向深度H1以及圆弧中心至内侧、外侧、中心圆弧的截 面尺寸L1、L2、L0，以此推算出上半近似椭圆的长轴ΔL1＝L0-L1，下半近似椭 圆的长轴ΔL2＝L2-L0，近似椭圆的短轴为管道的内孔半径；根据不同截面的尺 寸，数控编程加工出近似椭圆截面，控制截面上半部分过切、下半部分少切的 量在误差允许的范围内，实现弯管段内孔的加工。

所述截面上半部分过切、下半部分少切的量的误差允许的范围为壁厚± 12.5％。

工序2、弯管段外壁的加工；

弯管段外壁为外侧圆弧，采用球刀加接长刀排，切削工件的外侧，实现外 侧圆弧的加工。

本发明可以达到的技术效果是：

本发明采用变长轴半椭圆截面行星铣削法，进行弯管段内壁的加工，即从 变化的椭圆截面中寻找规律，并利用此规律进行弯管的仿型加工，从而实现弯 管的机加工，从而解决弯管难以进行机加工的问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为采用本发明对弯管上半圆弧进行机加工的加工区域图；

图2为本发明的计算原理图；

图3为刀具进入弯管加工的示意图；

图4为弯管段随α变化的截面图；

图5为截面线与标准椭圆线的比较图；

图6为截面与标准椭圆线的误差示意图。

图中附图标记说明：

α为弯管的不同位置与主轴垂直方向的夹角，

H1为弯管的轴向深度，

L1为弯管的圆弧中心至内侧圆弧的截面尺寸，

L2为弯管的圆弧中心至外侧圆弧的截面尺寸，

L0为弯管的圆弧中心至中心圆弧的截面尺寸，

ΔL1为上半近似椭圆的长轴，

ΔL2为下半近似椭圆的长轴。

具体实施方式

本发明AP1000核电主管道热段弯管的制造方法，采用Φ200卧式数控镗铣 床，机床的刀具采用接长刀排；本发明可以用于加工内径为Φ785，短直管段为 1412mm，长直管段为2585.7mm，弯管段角度56.4°的热段弯管，如图1所示；

Φ200卧式数控镗铣床机床的特点是：主轴可伸长1400mm，方滑枕可伸长 1000mm，方滑枕外接圆尺寸Φ546，工作台可移动1600mm。

由于圆弧内侧向里凹，直管内壁为机床主轴的极限位置，所以刀具必须伸 出机床主轴。

定义刀具伸出机床主轴的距离为Δr，则：

机床主轴的直径+2Δr＜弯管内径

即：Φ200)+2Δr＜Φ785

可以取Δr＝285mm，即加长刀排的半径为285mm。

加工过程包括以下步骤：

第一步，采用镗铣的方式加工直管段；镗铣加工方式为现有技术，在此不 作赘述。

第二步，加工弯管段；

工序1、弯管段内壁的加工；

加工时，如图1所示，采用上半椭圆与下半椭圆分开加工的方式，先加工 弯管段的上半椭圆(即上半内圆弧)：

刀具沿短直管段轴心线的方向进入弯管段部分，采用主轴加接长刀排，在 保证主轴与孔壁不碰的情况下，先加工至最大范围43.52°，即短直管段一侧的 上半内圆弧的第一区域①；

然后保证主轴与孔壁不碰，保持主轴的高度不变，加工至最大长度，完成 对短直管段一侧上半内圆弧的第二区域②的加工；

再让刀具沿长直管段轴心线的方向进入弯管段部分，加工剩余的上半圆弧， 完成对长直管段一侧上半内圆弧的第三区域③、第四区域④的加工；

最后加工弯管段的下半椭圆(即下半内圆弧)：

主轴加接长刀排，采用比主轴直径大的刀具，进入内孔进行下半内圆弧的 仿型加工；

如图2所示，已知内孔、中心圆弧的尺寸(根据设计要求确定)，以α角 为白变量，根据α角可求得轴向深度H1以及圆弧中心至内侧、外侧、中心圆弧 的截面尺寸L1、L2、L0，以此可推算出上半近似椭圆的长轴ΔL1＝L0-L1，下半 近似椭圆的长轴ΔL2＝L2-L0。根据不同截面的尺寸，数控编程即可加工出近似 的椭圆截面，实现弯管段内孔的加工。

该加工方法的原理如下：

如图2所示，弯管沿R1429.3圆弧半径方向的所有截面为相等的环形截面， 要加工出此型面，必须使机床主轴沿弯管中心R1429.3圆弧线运动且与半径方 向法向垂直，但是由于管道长度及孔口的限制，这是无法实现的。本发明采用 变长轴半椭圆截面行星铣削法，进行弯管段内壁的加工，即从变化的椭圆截面 中寻找规律，并利用此规律进行弯管的仿型加工，从而实现弯管的机加工，从 而解决弯管难以进行机加工的问题。

如图3所示，刀具沿直管段轴心线的方向进入弯管部分，根据弯管与主轴 垂直方向不同位置α角所截得的形面为鸭蛋形，如图4a至图4g所示，α角越 大，鸭蛋形的长度越长；

利用标准椭圆来近似该鸭蛋形截面，根据不同α角截得的鸭蛋形截面的长 度计算椭圆的长轴，同一截面以两个长轴不等的标准椭圆来近似，保证上半椭 圆和下半椭圆的中心均在R1429.3中心线上，利用数学关系自动计算分离出上 下半椭圆长半轴数据，即上半椭圆长轴为内弧线(R1036.8)至中心(R1429.3) 尺寸、下半椭圆的长轴为外弧线(R1821.8)至中心(R1429.3)尺寸，而短轴 均为管道内孔尺寸392.5(Φ785/2)不变，如图5a至图5g所示。

由图6a至图6g可知，在要加工范围内随着α角度的增大，标准椭圆与实 际截面的误差越来越大，故截面上半部分过切，下半部分少切。

通过控制椭圆度误差在允许的范围之内，计算可加工的最大范围，因加工 范围关于56.4°角平分线对称，故从短段尽可能加工至最大范围，最大长度， 以减少长段加工的量。根据设计要求弯管处壁厚为理论壁厚±12.5％，现以允许 的最小壁厚值75mm计算，即±9.375mm，由截面图知，可将上半圆弧加工至50 °左右，下半圆弧加工至将近90°

工序2、弯管段外壁的加工；

弯管段外壁为外侧圆弧，采用球刀加接长刀排，切削工件的外侧，实现外 侧圆弧的加工。外侧圆弧的加工采用现有的机加工方法即可实现。