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机床装备可靠性是核电加工设备的命脉

2013年11月05日 10:46中国机床商务网点击:4656

  【中国机床商务网】导读:核电站的装备主要包括三部分:核岛(一回路)、常规岛(二回路)、辅助装备。这些设备主要部件的制造需要不同机床设备进行加工。
  
  核电站的装备主要包括三部分:核岛(一回路)、常规岛(二回路)、辅助装备。
  
  核岛部分主要由反应堆堆芯、蒸汽发生器、稳压器和主泵组成,其中反应堆堆芯包括压力容器、核燃料棒束、驱动机构等部件。常规岛由水泵、汽水分离器、蒸汽轮机、发电机、蒸汽凝结器等组成。此外,有支持系统正常运行和保证反应堆安全的辅助设备。这些是核电站设备的主要组成部分。
  
  这些设备主要部件的制造可分为以下几种类型,需要不同机床设备进行加工。
  
  压力容器壳体、蒸汽发生器壳体、稳压器壳体等大型圆桶类部件,基本上属于两端带有封头的圆桶形部件,但直径和高度有所不同。压力容器和蒸汽发生器的直径取决于核电站发电机组的大小。
  
  目前,主要生产百万千瓦级核电设备,压力容器的直径5~8m或更大,长度约20m,分为4~5节,焊接而成,材料为特种钢。毛坯为圆柱形锻件,需要万吨压力机锻压成型。后续切削加工需要超重型数控立式车床、超重型数控卧式车床、大镗杆多轴联动数控镗铣床、数控龙门镗铣床、五轴联动车铣中心等。这些设备规格大,对于加工精度、主轴转速和快速移动等参数并没有特别要求,但是由于这些工件的价格昂贵,而且没有备件,要求成品率必须100%,因此对机床的可靠性和稳定性有很高的要求。
  
  一座核电站需要10多种200多台各种类型的泵,这些泵都属于离心泵。其中主泵(1级泵)是位于核岛心脏部位的关键部件,是核电运转控制水循环的关键,属于核电站的一级设备,每个蒸汽发生器有一个主泵。
  
  核岛中主泵的结构并不比其他泵复杂,但是要求极高,要求具有绝对的可靠性,是核反应堆中惟一国内目前做不了的设备,完全依赖进口,主要是因为主泵要求连续运行至少30年不准出现任何问题。主泵直径约2m,高5~6m,其主要部件分为两类:承压部件(包括泵体、泵盖、主螺栓、主螺母等)和功能部件(包括叶轮、叶轴、密封件等)。目前,沈鼓正在与美国西屋公司进行联合研制,总体新设计还没有完成。除了1级主泵外,还有多种2级、3级泵,各种泵的名称和功能不一样,但是原理基本一样。如安全壳喷淋泵,该泵平时不用,只有发生故障时使用,要求在6秒钟内启动,起到降温的作用。这些泵的加工基本上包括了车、铣、镗、钻、攻丝等工序。
  
  承压部件的泵体和泵盖加工需要的设备主要有大型数控立式车床、数控落地铣镗床、龙门加工中心等设备。主螺栓、主螺母等加工比一般螺栓和螺母要求高,但是主要是材料和刀具选择问题。
  
  功能部件中叶轮和叶轮轴加工需要的设备主要有五轴联动加工中心、数控车床、大型数控卧式车床等。
  
  常规岛部分主要由蒸汽轮机组、发电机组、水泵、汽水分离器等组成。核电蒸汽轮机的原理和结构都与火电(燃煤)蒸汽轮机相同,不同之处在于同等发电容量的蒸汽轮机组,核电蒸汽轮机的直径比火电蒸汽轮机要大一些,使用的材料也有部分不同,制造要求更高。主要加工零件有叶片、定子、转子等。主要加工机床有用于加工叶片的不同型号(最大叶片长度超过1600mm)4~5轴联动加工中心,用于加工转子的数控重型卧式车床、数控叶根槽铣床,用于加工定子的数控大型落地铣镗床、数控龙门镗铣床、大型定子专用机床等。
  
  如加工一个重达200多吨的60万千瓦汽轮机转子,需要回转直径3.5~5.0m、长15~20m的重型卧车,加工涡轮叶片需要五轴联动加工中心,加工中压缸、高压缸需要宽7.5~8m、长22m的数控龙门镗铣床和重型数控立式车床以及镗杆直径200~260mm的数控落地铣镗床等。一般情况下,能满足火电蒸汽轮机加工需要的机床,基本上也能满足核电蒸汽轮机加工的要求。在这些机床设备中,大部分中小型叶片加工用4~5轴联动加工中心和转子主轴加工用数控卧式车床等,国内基本可以满足要求。但是,大型叶片加工用加工中心和数控叶根槽铣床等数控机床主要依靠进口。
  
  此外,核电发电机与火电发电机基本相同,两者的加工设备也没有什么不同。在一般情况下,能满足火电发电机加工需要的机床,基本上也能满足核电发电机加工的要求。主要加工机床有用于加工转子的数控重型卧式车床、数控转子槽铣床,用于加工定子的数控大型落地铣镗床、大型定子专用机床等。目前,在这些需要的高档数控机床中,部分机床国内可以满足需要,但是部分机床设备如数控转子槽铣床等仍然依靠进口。
  
  机床精度制约风电设备发展
  
  风力发电站装备主要包括以下几部分:变速箱(升速箱)、发电机组、叶片、塔基和变电站等。目前,风力发电逐渐向大功率机组发展,要求高可靠性、寿命周期长,因此零部件的精度、功能要求很高。
  
  随着风力发电技术的发展,风电机组的原理和结构也在发生变化,未来的风电机组在向结构简单化、体积减小的方向发展。目前,我国正在开发无齿轮箱风力发电机组。如哈尔滨发电设备集团的发电设备工程研究中心开发了无齿轮箱变速变桨永磁风力发电机组,正在研制“变速恒频风力发电机组”和“直驱型变速风力发电机组”等,可代替带齿轮箱传动的异步发电机组,具有制造成本低、运行可靠、维修简便等优点,并具有自主知识产权。
  
  目前,生产最多的是有齿轮箱风力发电机组,由于结构比较复杂,完成其各种部件的制造需要不同机床设备进行加工。
  
  风机的变速箱主要由箱体、行星轮系和变速机构等组成。风机变速箱体属于大型箱体,根据发电量的不同,直径约2~3m,大部分为分体结构。加工需要镗杆直径约160-250mm的数控落地铣镗床和大型卧式加工中心、龙门加工中心等,加工精度要求较高,目前主要使用的是进口设备。
  
  变速箱内的齿轮加工量很大,需要对大型内齿圈、圆柱直齿轮和斜齿轮等进行成批生产。主要加工设备为大型数控立式滚齿机、数控插齿机、数控磨齿机等。这些齿轮加工机床中,大规格数控齿轮机床普遍要求具有高效、重载、重切、刚性好的特点,主要依靠进口,中小型采用国产设备。其中大规格、大模数齿轮和齿圈采用数控成型铣齿机和数控成型磨齿机,数控成型铣齿机要求大切深、大进给、滚速高。数控成型磨齿机要求精度达到5级以上,自动化程度高、自动调心、自动测量、自动修形、稳定性高。目前,国内制造风电用变速箱的企业主要有南京高精齿轮有限公司。该厂生产任务非常忙,长期三班倒,还是不能完全满足市场需求,因此要求加工设备稳定、可靠,目前该厂使用的齿轮加工机床基本上是进口设备。
  
  风电用发电机的原理和结构与火电等其他发电机基本一样。风电大都使用千瓦级发电机,比较火电使用的万千瓦级发电机,属于不同级别的机组。从制造角度上看没有太大难度,能制造火电发电机组的企业,一般都能满足制造风电发电机组的要求。但是,风电发电机要求使用寿命达到20年以上,对其稳定性和可靠性要求更高。
  
  风机的叶片大多采用环氧玻璃纤维或碳纤维等复合材料制作。叶片设计主要采用全三维气动仿真和结构有限元仿真,使用真空灌注工艺进行叶片生产。机械加工较少,部分需要冲切成型。
  
  叶片的变桨机构主要有变桨电机、减速器和变桨控制器等。对制造设备没有特殊要求,国内机床可以满足需求。
  
  偏航机构主要部件是带内外齿的大型轴承和4个小齿轮及变速装置等。该种大型轴承目前国内还不能制造,主要依靠进口。国内天马股份将进行偏航机构用的大型轴承开发制造。其加工设备主要是一些要求较高的专用机床装备,如CCMT2008展览会上,齐重数控装备股份有限公司展出的3台大型数控专用机床,就是为加工制造风电大型齿轮的设备。
(来源:中国机床商务网整理)

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