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见证高温堆进行时丨上海第一机床厂成功实现高温气冷堆三种主设备制造
时间:2022年09月22日 来源:《中国核能》2022年第四期 点击量:185 分享:

2021年12月20日,全球首座具有第四代先进核能系统特征的球床模块式高温气冷堆核电站,华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程1号机组成功并网发电,标志着我国成功实现了高温气冷堆核电技术的“中国引领”。

上海第一机床厂有限公司(以下简称“上海一机床”)作为首座高温气冷堆核电站示范工程的重要参建单位之一,历经多年攻关,通过自主研发,先后攻克多项关键技术,为整个项目顺利建成提供了坚实的保障。

从上世纪七十年代开始进入核电领域起,上海一机床已成为国内发展历史最久、交付业绩最多、技术路线最广、装备能力最强、全球产能最大的专业从事核电站核岛主设备——堆内构件、控制棒驱动机构和核燃料装卸料系统制造的国家高新技术企业。公司已成功实现了二代加、三代AP1000、EPR、华龙一号、国和一号及四代高温气冷堆核电主设备产品的批量化交付。

上海一机床最早从上世纪九十年代开始,与清华大学核能与新能源技术研究院合作,研发了10兆瓦高温气冷试验堆的金属堆内构件设备,为掌握高温气冷堆在设计、建造和运行方面的技术打下了坚实的基础。

高温气冷堆是具有第四代核电系统特征的先进堆型,具有固有安全性、发电效率高、系统简单、用途广泛等特点。上海一机床在高温气冷堆示范工程项目中主要承担了金属堆内构件、控制棒系统及吸收球系统三种关键设备的制造。

三种关键设备的制造过程无成熟经验加以借鉴,面对全新的要求,在材料、加工、焊接、装配、测量及试验等制造的各个环节中,需要进行全新的技术攻关和开发,进行新的验证和试验工作。

在设计方、业主方及总包方的大力支持下,上海一机床上下齐心,攻坚克难,成功完成了三种主设备的制造技术攻关,并成功完成了产品交货。

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高温气冷堆示范工程金属堆内构件设备

金属堆内构件的制造

高温堆金属堆内构件在材料、制造要求等方面,均与常规压水堆有较大区别,高温堆金属堆内构件总重约为常规压水堆重量的2倍。金属堆内构件的堆芯壳组件比压水堆堆内构件的吊兰筒体组件重量更大、尺寸更大、壁厚更薄;筒体总高约为压水堆的2倍,而主体壁厚却仅为三分之二左右,因此在加工、焊接、装配、运输等各个环节,对整体制造能力提出了更高的要求。

针对高温气冷堆示范工程金属堆内构件的结构特点和要求,上海一机床在堆芯壳的整体制造方案、上下部精密装配方案、堆芯壳底座的制造方案以及最终的运输方案等方面进行了深入研究,自主开发了金属堆内构件制造工艺技术和一系列工艺装备,满足了产品的制造及试验的要求,同时形成了一整套制造工艺。通过一系列自主化研究,上海一机床掌握了多项制造关键技术,取得了一系列的创新成果:

1)掌握了筒体焊接变形控制技术,开发了专用的分布式可调节筒体内支撑装置,研制了堆芯壳立式加工、焊接、热处理一体式专用加工中心;通过焊接前的精确对中,焊接过程中的3D实时动态测量、调整等关键技术,确保了焊后堆芯壳组件的精度。

2)掌握了筒体环段加工技术,自主研制了大型立式一体化专用加工中心和专用的可调式筒内支撑装置,开发了筒体环段高精度一站式加工、测量工艺方法。

3)掌握了下支承板的制造技术,研发了单件扇形板+组合拼接的“分体+整体轮廓控制加工体系”,开发了专用的“渐进式切削”的加工工艺。

4)掌握了堆芯壳起吊、翻转运输技术,创造性的研制了“起吊、翻转、运输多工位、多用途的专用装置”;使该装置的使用范围完整的覆盖了从工厂分段制造至工地现场整体安装的全部流程,创造性的集成了以往同类装置的单一使用功能,整合了装置使用模式,简化了使用方式,在减轻装置总重量的同时,确保了筒体的最终精度。

金属堆内构件制造技术研究被列为国家重大专项,已于2016年成功通过项目验收。2016年12月,金属堆内构件的制造通过了中国核能行业协会的科学技术成果鉴定,该设备的制造还获得了中国核能行业协会二等奖。

控制棒系统的制造

与压水堆的控制棒驱动机构不同,高温堆的控制棒系统采用链条式驱动的方式。面对首次制造链条式驱动控制棒的挑战,上海一机床与清华研发团队在研制过程中紧密配合,通力合作,从样机开发到产品制造,通过厂内的试验验证,一起掌握了棒位测量精度的调整、落棒时间的调整验证、双绕组步进电机驱动器在线切换功能的研制等关键制造技术,自主研发了控制棒系统的先进制造与试验技术、专用装备和测量技术,满足了产品的制造及试验的要求,同时形成了一整套企业标准及制造工艺。通过对关键技术的研究,上海一机床掌握了多项制造与试验的关键技术,取得了一系列的创新成果:

1)自主研发了高温气冷堆控制棒系统成套制造技术,包括屏蔽密封筒异形模锻和加工技术、上密封筒精密焊接技术、锥形封头等密封面机器人自动堆焊技术、高温合金环链制造技术等,使加工组装的各零部件尺寸精度均满足上游图纸和技术要求。

2)自主研制了控制棒系统整机装配技术和专用装备,包括永磁体安装、涡流限速器安装、小型测力装置等,实现了控制棒系统整机的精密装配,并申请了多项专利。

3)自主设计开发了控制棒系统压力边界试验技术和整机性能试验技术和装置,包括压力试验回路系统、综合性能试验装置,并建立了整套控制棒系统水压试验、气压密封试验及综合性能试验技术规范,各项性能指标均满足设计要求。

2019年12月,控制棒系统制造与试验关键技术研究通过了中国核能行业协会的科学成果鉴定。

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高温气冷堆示范工程控制棒系统

吸收球系统的制造

从吸收球样机研制开始,上海一机床就开始与清华大学核研院开展合作。吸收球系统作为高温堆核电站中专有的关键设备,包括驱动机构、供料器等主要部件,在制造过程中,上海一机床与设计团队密切合作,完成设备的施工图纸设计及优化,在设备的试验过程中,一起协作掌握了步进电机和驱动器远距离通讯调试、射频导纳料位计的研制和试验、行程测量控制机构的试验验证等关键技术,针对高温气冷堆示范工程吸收球系统的结构特点和要求,自主研发了吸收球系统的先进制造、装配及试验技术,满足了产品的制造及试验的要求。通过对关键技术的研究,上海一机床掌握了多项吸收球系统制造的关键技术,取得了一系列的创新成果:

1)自主研发了高温气冷堆吸收球系统成套制造技术,包括贮球罐制造技术、供料器制造技术、贮球罐落球管组件制造技术等,使加工组装的各零部件尺寸精度均满足上游图纸和技术要求。

2)开发了吸收球系统整机装配技术,研制了专用安装试验台架,掌握了吸收球系统驱动机构的精密装配及试验技术。

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高温气冷堆示范工程吸收球系统装配

上海一机床通过金属堆内构件、控制棒系统及吸收球系统的研制,成功掌握了该三种设备的关键制造技术,对后续高温堆产业化建造奠定了坚实的基础。


(作者:邢会平 李翔 郭宝超作者单位:上海第一机床厂有限公司)


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