带封头的机械贯穿件深孔加工方案选择

摘 要：机械贯穿件属于压水堆核电站中钢制安全壳的一部分，AP1000压水堆核电站中机械贯穿件的结构与CPR完全不同。由带工艺管段的封头（简称“封头”）和保护套管组成，封头是整体锻件结构，中间为通孔，保护套管为卷制管或无缝钢管。封头的内孔为深孔，形位公差、粗糙度要求较高，整体加工难度较大。深孔加工时刀杆受孔径的限制，直径小，长度大，导致刚性差，强度低，切削时易产生振动、波纹、锥度，从而影响深孔的直线度和表面粗糙度。因此，加工方法、运动方式、刀具形式、冷却方式、加工设备等都对加工质量有至关重要的影响。该文通过分析深孔加工的工艺特点，结合机械贯穿件封头的内孔结构形式，确定了封头内孔加工的方案，并进行了设备选型。

关键词：AP1000压水堆 机械贯穿件 深孔 加工 设备选型

中图分类号：TL364 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）04（a）-0063-03

压水堆核电站机械贯穿件是保证一条或几条管路穿过反应堆钢制安全壳时，将安全壳内部与外部流体管道连接在一起的关键性部件，它属于反应堆钢制安全壳的一部分。AP1000机械贯穿件与CPR机械贯穿件相比，结构发生了变化。由带有工艺管段的封头（简称“封头”）和保护套管组成，封头为整体锻件结构，保护套管为卷制管或无缝钢管。随管道直径的变化，机械贯穿件封头具有多种规格，直径最大为φ965 mm，最小为φ60 mm，长度最长5 012 mm，最短914 mm，最大重量达9 711 kg，最小重量为41.7 kg。封头中间为通孔且为深孔，形位公差、粗糙度要求较高，加工难度大。因此，机械贯穿件的加工特点主要是封头的加工成型，特别是深孔的加工。该文针对AP1000机械贯穿件封头的结构特点、深孔的加工难点，通过分析加工方法、刀具运动形式、冷却方法对深孔加工质量的影响，明确机械贯穿件加工方案，并据此进行设备选型。

1 AP1000机械贯穿件介绍

1.1 功能介绍

机械贯穿件的设备功能如下。

（1）作为工艺管道穿过钢制安全壳和屏蔽厂房的一种设备，既为工艺管道的固定点，又必须保证钢制安全壳的密封性。

（2）施加于安全壳的机械载荷和温度不得超过允许值（正常工况下，保证钢制安全壳温度不超过93.3 ℃），封头能导出工艺管道一部分热量，使安全壳的局部热应力减小。

（3）应能承受工艺管道施加的载荷及安全壳大气压力载荷。

（4）应能承受工艺管道与安全壳/屏蔽厂房间及安全壳与屏蔽厂房的相对位移。

（5）同时贯穿钢制安全壳和屏蔽厂房的高温管道，安装有保护套管，防止环廊超压。

（6）在工艺管道和钢制安全壳套管（及保护套管，若有）之间具有一定空间，能满足保温材料的安装要求。

（7）贯穿件的封头与所带工艺管段为一体化锻件，减少了在役检查的工作量。

1.2 结构特点

一个AP1000机组有14件机械贯穿件，机械贯穿件主要由封头、保护套管组成，保护套管焊接在封头上，如图1所示。封头均为锻件，保护套管有卷制管和无缝钢管两种结构形式。

封头的结构见图2，为带有工艺管段的整体锻件结构，工艺管段部分属于空心薄壁件，粗糙度要求Ra6.3，直线度、平行度、垂直度都有严格的要求。封头两端有焊接坡口，封头段的端部也有焊接坡口，且封头段环面带有1∶3的锥度。

2 机械贯穿件加工难点

机械贯穿件的加工特点主要是封头（整体锻件）的加工成型，特别是封头深孔的加工。

2.1 封头的加工特点

分析封头的结构形式及精度要求，封头的内外圆、端面、封头段的环面均需要机加工。其中，封头外圆加工属于一般筒体类零件的外圆，加工难度较小，环面的加工主要靠刀具，加工难度也不大。而内孔的深度较大（内孔尺寸参数见表1），且长径比绝大部分都超过10，属于深孔，加工难度较大，因此，封头的加工难点主要在于内孔即深孔的加工。

2.2 深孔加工特点

目前，孔的加工一般分钻削和镗削两种方法，对于一般直径比较大、孔深比较浅的孔来说比较适合采用镗削加工，而对于直径较小、孔深较深的孔来说比较适合采用钻削加工。

深孔加工在机械加工领域中占有非常重要的地位，约占孔加工量的40%。随着科学技术的进步，新型高强度、高硬度和高价值、难加工的深孔零件不断出现，加工工件在加工深度、加工精度以及加工效率上要求的不断提高，使得深孔加工成为机械加工的关键工序和加工难点。传统的加工方法越来越难以满足甚至根本达不到现在的深孔加工在精度、效率、材料上的要求。因此，现代深孔加工的工艺、刀具的结构、排屑方式等已成为必须要面对的问题。

深孔加工是一种加工长径比（即孔深L与孔径d之比）大于5～10的加工，钻削加工过程是半封闭的，钻头工作部分大多处在已加工表面的包围中，冷却条件差，因此深孔加工难度高，是机械加工中的关键性工序。

深孔加工特点如下：（1）刀杆受孔径的限制，直径小，长度大，导致刚性差，强度低，切削时易产生振动、波纹、锥度，而影响深孔的直线度和表面粗糙度；（2）在钻孔时，冷却液在没有采用特殊装置的情况下，难于输入到切削区，使刀具耐用度降低，而且排屑困难；（3）在深孔的加工过程中，不能直接观察刀具切削情况，只能凭工作经验听切削时的声音、看切屑、手摸振动与工件温度、观仪表（油压表和电表），来判断切削过程是否正常；（4）切屑排除困难，必须采用可靠的手段进行断屑及控制切屑的长短与形状，以利于顺利排除，防止切屑堵塞；（5）为了保证深孔在加工过程中顺利进行和达到所要求的加工质量，应增加刀具内（或外）排屑装置、刀具引导和支承装置和高压冷却装置。

3 机械贯穿件深孔加工方案选择