EDM技术在核电厂反应堆堆内构件维修中的应用.docx
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EDM技术在核电厂反应堆堆内构件维修中的应用
EDM技术在核电厂反应堆堆内构件
维修中的应用
[摘要]核电厂反应堆堆内构件在反应堆运行后带有强烈的放射性,相关故障维修必须在换料水池内以硼酸水作为屏蔽介质,屏蔽射线后在水下进行。
所需加工工艺主要有切割、钻孔、成形磨削等。
常规加工方式和手段难以满足核电厂水下加工作业。
电火花加工EDM(ElectricalDischargeMachining)基于电极和零件之间的脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余金属,放电必须在有一定绝缘性能的液体中进行,主要控制系统和电极可分离实现远距离控制的特点正好满足要求。
笔者在某核电厂反应堆辐照监督管支架修复项目应用EDM技术,成功完成旧螺栓、定位销和焊缝的切除,表面打磨,以及螺栓和定位销底孔的初步加工和精加工,为水下加工,特别是核电厂高放射性环境下水下维修作业积累经验。
[关键词]EDM堆内构件工作头部电极
1概述
1.1EDM加工原理
EDM是ElectricalDischargeMachining的缩写,即电火花加工又称电蚀加工,是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法。
电火花加工需要在液体介质中进行,电极和工件分别接EDM脉冲电源的两极,并浸入工作液中,EDM的伺服系统使工件和电极之间保持适当的放电间隙,当电极和工件之间施加很强的脉冲电压(达到间隙中介质的击穿电压)时,会击穿介质绝缘强度最低处。
由于放电区域很小,放电时间极短,所以,能量高度集中,使放电区的温度瞬时高达8000-12000℃,工件表面和工具电极表面的材料局部熔化、甚至汽化蒸发。
局部熔化和汽化的材料在爆炸力的作用下抛入工作液中,并被冷却为小颗粒,然后被工作液迅速冲离工作区,从而使工件表面形成一个微小的凹坑,如图1所示。
随着脉冲电压的结束,脉冲电流也迅速降为零,但此后仍应有一段间隔时间,使间隙介质消电离,即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子,恢复本次放电通道处介质的绝缘强度,以及降低电极表面温度等,以免下次总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电,从而保证在两极间最近处或电阻率最小处形成下一次击穿放电通道。
如此反复使工件表面不断被蚀除,并在工件上复制出电极的形状,从而达到成型加工的目的。
图1EDM加工原理
1.2EDM系统的设备构成
根据EDM加工的工作原理,电极和工件被加工面必须保持一定的放电间隙,间隙之间外加产生电火花的工作电压。
因此,EDM系统设备主要有产生工作电压的EDM电源、控制电极运动的伺服系统、工作液以及其他辅助设备,如驱动工作液流动的泵组等。
EDM电源其主要作用是将工频交流电源转换为一定频率的单向脉冲电流。
电极和工件间的电火花放电依靠脉冲电源控制放电时间,放电持续一定时间后需停止一段时间,以利于控制放电产生的热量影响范围,避免像持续电弧放电那样,使工件表面烧伤而无法用作尺寸加工。
因此,EDM电源必须采用脉冲电源。
脉冲电源根据其作用原理和主要元器件、脉冲波形等可分为多种类型,见表1.
按主回路中主要元器件种类
RC线路弛张式、晶体管式、大功率集成器件式
按输出脉冲波形
矩形波、梳妆波分组脉冲、阶梯波、高低压复合脉冲
按间隙状态对脉冲参数的影响
非独立式、独立式
按工作回路数目
单回路、多回路
表1电火花加工用脉冲电源分类
伺服系统控制电极的和工件间的放电间隙(一般为0.1~0.01mm),并随着工件的蚀除驱动电极进给。
其基本组成部分有测量环节、比较环节、放大驱动环节、执行环节和调节对象等几个主要环节。
图2是其基本组成部分方框图,根据EDM系统的加工要求和环境,其基本组成部分略有增减。
其执行机构主要分为电液伺服系统和电-机械式伺服系统。
伺服系统通过驱动执行机构的液压缸或步进电机完成电极位置控制要求。
图2伺服系统基本组成方框图
工作液主要使用煤油、皂化液和去离子水等有较高绝缘强度(103~107Ω·cm)的液体,以利于产生脉冲电火花放电和排除加工过程中产生的金属碎屑、碳黑等电蚀产物,并对电极和工件表面有较好的冷却作用。
1.3EDM加工的特点及其应用
1.主要优点
(1)脉冲放电的能量密度高,便于加工用普通的机械加工方法难于加工或无法加工的特殊材料和复杂形状的工件。
不受材料硬度、强度影响,不受热处理状况影响,其可加工性主要取决于材料的导电性及其热学特性,如熔点、沸点、电导率等。
反应堆堆内构件主要材料为各类不锈钢等金属材料,为引入EDM加工创造条件。
(2)脉冲放电持续时间极短,放电时产生的热量传导扩散范围小,材料受热影响范围小。
研究表明,EDM精细加工后,工件表面粗糙度优于Ra1.25μm时,一般不出现微裂纹,Ra在(0.32~0.08)μm范围内时,电火花加工表面的耐疲劳性能与机械加工表面相近。
(3)加工时,工具电极与工件材料不接触,两者之间宏观作用力极小。
电极材料不需比工件材料硬,通常采用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料,如铜、石墨、铜钨合金和钼等。
考虑到核电厂加工所处换料水池内环境,即以反应堆冷却剂为工作液,以及核电站冷却剂系统对卤素金属的限制使用,选用石墨作为电极材料,其化学性质稳定,加工所产生废物也不影响系统水质化学成分。
(4)脉冲电源、伺服系统可以通过电缆、管线等远距离连接电极和驱动部分,实现远端操作。
堆内构件在换料水池内,其屏蔽水层深度在7m以上,所有加工工具必须没入水池内才能进行加工作业,作业后表面极易沾污极难去除,整套加工工具即成为放射源无法再次使用,采用电液伺服系统可以很好的解决这一问题。
只有电极和驱动头部需进入水池内作业,针对不同的加工目的,只需要根据加工要求设计相应的电极和驱动头部即可,完成工作后报废,EDM电源和伺服系统控制器可重复使用并布置在远离辐射环境的场所,便于降低人员接收辐射的剂量,这一点对于核电厂尤为有利。
图3为通用型EDM工作头部,通常用于正式加工前模拟试验验证加工工艺和参数用。
其两条橙色管线为液压管路,黑色为电极电源线,蓝色为冷却液管路,使用快速接头与EDM电源盒伺服系统相连。
图3通用型EDM工作头部
2EDM在辐照监督管支架修复项目中的应用
2.1使用的目的
笔者以国内某核电厂辐照监督管支架修复项目为例,介绍EDM技术在反应堆堆内构件中的实际应用和效果。
辐照监督管支架为反应堆堆内重要组成部分,安装于吊篮外侧,用于存放辐照监督管,因其力学设计缺陷,受反应堆内冷却剂水力冲击损坏需要更换,修复项目中涉及到在反应堆吊篮筒体上进行192个螺栓、96个定位销、96条焊缝的去除工作,以及48个螺栓底孔、24个定位销孔的加工。
吊篮及辐照监督管支架在反应堆中长期运行后具有强烈的放射性,需要在数米的含硼水中进行屏蔽,因此整个加工必须在含硼水中进行。
加之吊篮在反应堆运行过程中用于固定燃料组件,因此对吊篮的整体强度有极高的要求,这就要求在任何的加工过程中,对吊篮本体的机械作用力尽量小,以避免对吊篮筒体结构机械性能产生影响。
因此,使用EDM设备进行加工,是非常合适而且必要的。
项目选用的EDM电源为晶体管式可调波形六通道脉冲电源,可对放电电流、波形等电参数和非电参数进行适时控制,最大输出脉冲电流150A。
伺服控制器为电液式智能运动控制系统。
在现场的实际使用中,使用EDM加工的作业时间较长,我们采用了长达40米的水电气管线连接EDM电源、伺服控制器和工作头部,使得工作人员可以尽量远离剂量较高区域,对于降低人员接受的辐照剂量有很大的帮助。
2.2专用工作头部、电极及加工参数
针对需要拆除的辐照监督管支架的结构,我们设计了各种的专用工作头部和电极,主要有旧支架拆除工作头部和新支架安装工作头部,工作头部的主要作用是集成EDM电源和伺服控制器控制用的电缆、液压伺服阀、液压管线、冲洗管线等,并通过不同的夹具,连接电缆与加工用电极,完成电极定位,实现EDM加工。
鉴于加工环境的特殊性,辐照监督管支架等待加工件均直接与大地相连,使用正极性加工方式比较容易实现电回路的设计,在反应堆堆内构件加工中,通常均使用正极性加工。
研究结果表明,在EDM加工过程中,无论正极还是负极,都存在单个脉冲的蚀除量q’与单个脉冲能量WM在一定范围内成正比的关系。
某段时间内的总蚀除量q约等于这段时间内各单个有效脉冲蚀除量的综合,故正、负极的蚀除速度,与单个脉冲能量、脉冲频率成正比,用公式表示为:
式中
、
——正极、负极的总蚀除量;
、
——正极、负极的蚀除速度,亦即电极、工件的损耗速度或蚀除速度;
——单个脉冲能量;
——放电频率;
t——加工时间;
、
——与电极材料、脉冲参数、工作液等有关的工艺参数;
——有效脉冲利用率。
单个脉冲的能量取决于极间放电电压、电流和持续放电时间,所以单个脉冲放电能量为:
式中
——单个脉冲实际放电时间(s);
——放电间隙中随时间变化的电压(V);
——放电间隙中随时间变化的电流(A);
——单个脉冲放电能量(J)
通过模拟现场工况进行试验,确定各项加工参数,特别是放电电流,以适应加工的需要。
加工电流决定了加工速度和效率,在试验水池内进行1:
1的模拟试验过程中,我们总结经验,得出了最大加工电流与电极端面面积关系的经验公式如下:
最大加工电流=65x电极端面面积
当然,这也与现场的其他因素也有关系,如伺服系统的灵敏度、工作液的电导率等等。
这可根据具体现场环境,通过模拟试验结合经验公式得出。
2.2.1旧支架拆除工作头部和电极
旧辐照监督管支架拆除过程中,涉及的加工主要有固定旧辐照监督管支架的M8螺栓、定位销和焊缝的切除。
我们设计了一个用于旧辐照监督管支架拆除工作的工作头部,如图4
图4旧辐照监督管支架拆除工作头部
旧辐照监督管支架头部包含一个伺服阀,一个液压缸,一个EDM电源电缆接头,一个冲洗液接头,两个气缸以及相应的管线,以旧辐照监督管支架保护套管及其支撑架为定位基准,通过不同的夹具连接不同的加工用电极,完成电极相对M8螺栓、定位销和焊缝的定位,以进行EDM加工。
M8螺栓切除用电极如图7,其直径稍大于固定旧辐照监督管支架用M8螺栓,内部中空,用于冲洗液流动,并且冲洗液出口出一段管道偏移一定角度,使得冲洗液以一定的角度喷出,更加有利于冲洗EDM加工过程中产生的碎屑。
加工时通过专用夹具每次同时安装4个电极,即同时对旧辐照监督管支架一层4个M8螺栓进行切除加工,结合模拟试验,我们确定了M8螺栓切除现场用参数设置如表1:
图7M8螺栓切除电极
起弧间隙电压
峰值电流
电弧持续时间
持续时间倍率
可控硅功率单元通道数
300
3/4
128
1.4
3
伺服速度
电极间隙
加工极性
电极材料
占空比
4.5
4.5
+
G
45
表1M8螺栓切除加工用参数
使用此参数加工时,通过现场监控加工波形,通过微调伺服控制器的伺服速度和电极间隙,控制加工电流在35A浮动,符合经验公式推算出的电流值,切除完一层M8螺栓需要6小时时间。
定位销切除用电极如图8,其直径稍大于固定旧辐照监督管支架用定位销,内部加工有冲洗液通道,加工时通过专用夹具每次同时安装2个电极,即同时对旧辐照监督管支架一层2个定位销进行切除加工,结合模拟试验,我们确定了定位销切除现场用参数设置如表2:
图8定位销切除电极
起弧间隙电压
峰值电流
电弧持续时间
持续时间倍率
可控硅功率单元通道数
300
3/4
128
1.4
3
伺服速度
电极间隙
加工极性
电极材料
占空比
5
4.5
+
G
40
表2定位销切除加工用参数
使用此参数加工时,通过现场监控加工波形,通过微调伺服控制器的伺服速度和电极间隙,控制加工电流在30A浮动,符合经验公式推算出的电流值,加工完一层定位销需要2小时时间。
焊缝切除用电极如图9,为片状电极,内部加工有冲洗液通道,电极头部有6个冲洗液出口,加工时通过专用夹具每次同时安装2个电极,即同时对旧辐照监督管支架一层2条焊缝进行切除加工,结合模拟试验,我们确定了焊缝切除现场用参数设置如表3:
图9焊缝切除电极
起弧间隙电压
峰值电流
电弧持续时间
持续时间倍率
可控硅功率单元通道数
300
3/4
128
1.4
3
伺服速度
电极间隙
加工极性
电极材料
占空比
5
4.2
+
G
40
表3焊缝切除加工用参数
使用此参数加工时,通过现场监控加工波形,通过微调伺服控制器的伺服速度和电极间隙,控制加工电流在30A浮动,符合经验公式推算出的电流值,切除完一层焊缝需要1小时30分钟时间。
2.2.2新支架安装用工作头部和电极
新辐照监督管支架安装于吊篮筒体外侧,靠近旧支架拆除位置。
涉及的EDM加工操作有M12螺栓底孔加工和定位销底孔加工。
新辐照监督管支架头部如图10,包含一个伺服阀,一个液压缸,一个EDM电源电缆接头,一个冲洗液接头,以及相应的管线,靠HDS输送到定位于吊篮筒体外侧的新辐照监督管支架正面,通过不同的夹具连接不同的加工用电极,完成电极对M12螺栓底孔和定位销底孔的定位,以进行EDM加工。
图10新辐照监督管支架安装用工作头部
M12螺栓底孔加工电极直径小于M12螺栓直径,EDM加工出M12螺栓底孔后,还需通过绞孔和攻丝步骤最终完成螺栓孔加工,所以其底孔加工要为绞孔留出一定的余量。
电极如图11所示。
图11M12螺栓底孔加工电极
M12螺栓底孔加工时使用专用夹具每次可同时使用2根电极,对新辐照监督管支架单侧一层的两个M12螺栓底孔进行加工,结合模拟试验,我们确定了焊缝切除现场用参数设置如表4:
起弧间隙电压
峰值电流
电弧持续时间
持续时间倍率
可控硅功率单元通道数
300
Full
128
1.4
3
伺服速度
电极间隙
加工极性
电极材料
占空比
6
6
+
G
30
表4M12螺栓底孔加工用参数
在现场使用此参数加工时,加工电流在26A浮动,符合经验公式计算值。
加工完成一层底孔需要5小时左右。
定位销底孔加工电极直径小于定位销直径,EDM加工出定位销底孔后,还需通过绞孔骤最终完成定位销孔加工,所以其底孔加工要为绞孔留出一定的余量。
电极如图12所示,其结构类似于就辐照监督管支架定位销切除电极。
图12定位销底孔加工电极
新辐照监督管支架定位销底孔加工,每次使用专用夹具安装一个电极在工作头部上,结合模拟试验,确定加工参数如表5:
起弧间隙电压
峰值电流
电弧持续时间
持续时间倍率
可控硅功率单元通道数
300
Full
128
1.4
3
伺服速度
电极间隙
加工极性
电极材料
占空比
6
6.5
+
G
35
表5定位销底孔加工用参数
定位销底孔加工电流在25A浮动,加工完成一个底孔所需时间为2.5小时左右。
结论
EDM设备在辐照监督管支架修复项目中的应用十分成功。
使用EDM设备进行加工,克服了核电厂高放射性工件需要水进行屏蔽,所有加工工作必须在水中进行这一弊端,并且可以远距离操作,对于控制人员接受辐照剂量有相当大的作用。
在加工过程中电极与工件无接触,没有机械作用力,脉冲放电持续时间短,工件受热影响范围小,对于核电环境下对工件的机械强度有严格要求的场合十分适用。
由于采用脉冲放电加工,产生的碎屑为粉末状,可通过水下吸尘器、过滤器轻易收集,有益于异物控制,是传统加工技术所不能比拟的。
综上所述,EDM加工技术,是一项十分适用于核电站高放射性环境下的先进加工技术,值得推广。
参考文献:
[1]JamesAdams主编.《HANSVEDTMODEL1506EDMPOWERSUPPLYANDSERVOCONTROLLER》。
[2]赵万生主编.《先进电火花加工技术》.国防工业出版社.2003年10月。
[2]雷林均主编.《特种加工技术:
电火花加工》.重庆大学出版社.2007年8月。
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- EDM 技术 核电厂 反应 堆堆 构件 维修 中的 应用